En kärnklyvningsreaktion äger rum när atomerna i ett instabilt element bombarderas med neutroner och delar kärnan i varje atom i mindre delar. Om splittringen av varje kärna släpper flera höghastighetsneutroner som sedan kan dela upp mer av elementets kärnor sker en kedjereaktion. När de extra neutronerna delar upp fler kärnor frigörs mer energi och kedjereaktionen kan resultera i en explosion som en kärnbomb. Om kedjereaktionen kontrolleras genom att ta bort några av de extra neutronerna, frigörs energi fortfarande i form av värme, men en explosion kan undvikas. Kärnkraftsreaktionen är en av tre typer av kärnreaktioner som har olika egenskaper och kan användas på olika sätt.
TL; DR (för lång; läste inte)
En kärnkraft kedjereaktion är en klyvningsreaktion som frigör extra neutroner. Neutronerna delar upp ytterligare atomer som frigör ännu fler neutroner. Eftersom antalet utsläppta neutroner och antalet uppdelade atomer ökar exponentiellt kan en kärnkraftsexplosion resultera.
De tre typerna av kärnreaktioner |
Atomkärnan lagrar mycket energi som kan tjäna användbar syften. De tre typerna av kärnreaktioner som använder kärnenergi är strålning, fission och fusion. Medicinska och industriella röntgenmaskiner använder strålning från radioaktiva element för att skapa bilder av kroppen eller i testmaterial. Kraftverk och kärnvapen använder kärnklyvning för att producera energi. Kärnfusionen driver solen, men forskare har inte kunnat skapa en långsiktig kärnfusionsreaktion på jorden även om ansträngningarna fortsätter. Av dessa tre typer av kärnreaktioner kan endast klyvning skapa en kedjereaktion. Hur en kärnreaktion börjar |
Nyckeln till en kärnkraftsreaktion är att se till att reaktionen genererar extra neutroner och att neutroner delar upp fler atomer. Eftersom elementet uranium-235 producerar flera neutroner för varje delad atom, används denna isotop av uran i kärnkraftsreaktorer och i kärnvapen.
Uranets form och massa påverkar om en kedjereaktion kan äga rum . Om massan av uran är för liten, släpps ut för många av neutronerna utanför uranet och förloras av reaktionen. Om uranet har fel form, till exempel ett platt ark, förloras också för många neutroner. Den ideala formen är en fast massa som är tillräckligt stor för att starta kedjereaktionen. I detta fall träffar de extra neutronerna andra atomer, och multiplikationseffekten leder till kedjereaktionen.
Kontrollera eller stoppa en kärnkedjereaktion.
Det enda sättet att kontrollera eller stoppa en kärnreaktion är att hindra neutronerna från att dela upp fler atomer. Kontrollstavar gjorda av ett neutronabsorberande element såsom bor minskar antalet fria neutroner och tar dem ur reaktionen. Denna metod används för att kontrollera mängden energi som produceras av en reaktor och för att säkerställa att kärnreaktionen förblir under kontroll.
I ett kärnkraftverk höjs och sänks styrstavarna i uranbränslet. När de är helt sänkta omges alla stavar av bränsle och absorberar de flesta neutroner. I så fall stoppar kedjereaktionen. När stavarna höjs absorberar mindre av varje stång neutroner och kedjereaktionen snabbas upp. På detta sätt kan operatörerna för kärnkraftverket kontrollera och stoppa kärnkraftsreaktionen.
Problem med kärnkedjereaktioner |
Även om kärnkraftsreaktioner i kraftverk runt om i världen levererar betydande mängder elkraft, kärnkraftverk har två huvudproblem. För det första finns det alltid en risk att styrsystemet baserat på styrstavar inte fungerar på grund av tekniska fel, mänskliga fel eller sabotage. I så fall kan det bli en explosion eller utsläpp av strålning. För det andra är använt bränsle mycket radioaktivt och måste lagras säkert under tusentals år. Detta problem är fortfarande inte löst och använt bränsle kvarstår i olika kärnkraftverk i de flesta fall. Som ett resultat har praktiska användningar för kärnkraftsreaktioner minskat i många länder, inklusive i USA.
