Kjarnorka – Hvernig virkar kjarnorkusprengja

Grein/Linkur: Hvernig verka venjulegar kjarnorkusprengjur?

Höfundur: Jón Tómas Guðmundsson

Heimild: 

.

.

April 2000

Hvernig verka venjulegar kjarnorkusprengjur?

Kjarnorkan myndast við kjarnahvörf þar sem atómkjarnar breytast hverjir í aðra og gefa frá sér orku um leið. Þannig á kjarnorkan upptök sín í atómkjarnanum en venjuleg efnaorka sem myndast við bruna og önnur efnahvörf á upptök sín í rafeindaskipan frumeinda og sameinda utan atómkjarnans. Í kjarnahvörfum breytist miklu stærri hluti massans í orku en í efnahvörfum og því eru kjarnahvörf langgjöfulasta orkulindin í alheiminum.

Orkan sem losnar þegar hefðbundin kjarnorkusprengja er sprengd kemur frá klofnun frumeindakjarna. Þegar vetnissprengja springur losnar orka við bæði klofnun og samruna frumeindakjarna.

Bein mæling á massa atómkjarna sýnir að hann er alltaf heldur minni en summan af massa þeirra kjarneinda sem í honum eru. Mismunurinn er nefndur massarýrð og er hún skyld bindiorku agnanna í kjarnanum.

Orkuna sem losnar þegar kjarni sundrast má ákvarða með því að mæla massarýrðina og beita síðan jöfnu Einsteins

E = mc²

þar sem m er massarýrðin og c er ljóshraðinn.

Við klofnun eins úran-235 kjarna losna yfir 200 MeV eða 32 x 10^-12 J) af orku. (J = júl er eining alþjóðlega einingakerfisins um orku, en metrakerfið er hluti af því. MeV er milljón eV en það er orkueining sem er oft notuð í eðlisfræði atóma, kjarna og öreinda).

Til samanburðar þá losna 4 eV (6,4 x 10^-19 J) við bruna á einni kolefnisfrumeind. Þetta segir okkur að klofnun úrans gefur frá sér um það bil 3 milljón sinnum meiri orku en bruni sama magns af kolefni. Með öðrum orðum gefur 1 kg af kjarnkleyfu efni sömu orku og 2700 tonn af kolum.

Kílótonn er notað sem mælieining á sprengikraft kjarnasprengju. Eitt kílótonn (kT) jafngildir sprengikrafti 1000 tonna af hefðbundna sprengiefninu TNT (trinitrotuluen, C₇H₅O₆N₃) eða 10¹² kaloríum sem jafngildir 4,186 x 10¹² J. Eitt kílótonn er sú orka sem losnar við fullkomna klofnun á 56 g af kjarnkleyfu efni. Eitt megatonn (MT) jafngildir sprengikrafti milljón tonna af TNT.

Kjarnaklofnun verður ekki sjálfkrafa heldur gerist hún við það að kjarninn gleypir nifteind. Þetta getur átt sér stað meðal tiltekinna kjarna sem hafa háa massatölu. Við klofnunina brotnar kjarninn upp í tvo léttari kjarna. Massahlutfall léttu kjarnanna ræðst að nokkru af orku nifteindarinnar sem kjarninn gleypti.

Aðeins þrjár tiltölulega stöðugar kjarnategundir geta sundrast af völdum nifteinda sem hafa litla orku. Þær eru úran-233, úran-235 og plúton-239 og eru þessi efni kölluð kjarnkleyf. Aðeins úran-235 finnst í náttúrunni en úran-233 má framkalla í kjarnaofni með ágeislun nifteinda með lága orku á þórín-232. Framkalla má plúton-239 með lágorku nifteindaágeislun á úran-238. Aðra þunga kjarna, til dæmis þórín-232 og úran-238, er hægt að kljúfa með því að láta þá gleypa háorku nifteindir.

Kjarnkleyft efni er grunneining allra kjarnavopna. Mikilvægust þessara efna eru háauðgað úran og plúton. Úran telst háauðgað ef í því er meira en 20% af samsætunni úran-235. Til samanburðar þá inniheldur náttúrulegt úran aðeins 0,7% af samsætunni úran-235. Til vopnaframleiðslu er gjarnan notað úran sem er 93,5% auðgað. Allar samsetningar af samsætum plútons eru nothæfar til vopnaframleiðslu en sprengjuhönnuðir vilja gjarnan að hlutfall plúton-239 sé hátt. Heppilegast er að meira en 94% samsætnanna sé plúton-239 ef smíða á sprengju.

Tvær til þrjár nifteindir losna við hverja kjarnaklofnun. Ef að minnsta kosti ein þeirra rekst á annan kjarna og veldur klofnun í honum geta kjarnahvörfin viðhaldist í efninu og er þá talað um keðjuhvörf eða keðjuverkun. Ætla mætti að þetta gerist alltaf þegar klofnun hefur verið komið af stað í kjarnkleyfum efnismassa. En svo einfalt er það nú ekki vegna þess að nifteindunum sem losna við klofnun er ekki öllum gefið að viðhalda keðjuhvörfunum. Aðrir kjarnar gleypa sumar þeirra án klofnunar og sumar sleppa frá efnismassanum án þess að valda frekari klofnun.

Hlutfall þeirra nifteinda sem sleppa út um yfirborð efnismassans má minnka með aukinni stærð eða massa kjarnkleyfa efnisklumpsins. Minnsti massi efnis þar sem viðhalda má keðjuhvörfum er nefndur markmassi. Markmassi ræðst af eldsneytinu sem nota skal, þéttleika þess, lögun og hreinleika, ásamt ytri umbúnaði eins og til dæmis speglun nifteindanna frá yfirborði eldsneytisins. Klumpur af kjarnkleyfu efni getur viðhaldið keðjuhvörfum sem leiða til sprengingar ef massi hans er meiri en markmassi.

Orkan sem losnar í kjarnahvörfum fer að mestu í hreyfiorku myndefna (eindanna sem myndast), bakslagsorku. Meginhluti þessara einda eru hlaðnar agnir sem hita efnið í umhverfi sínu mjög snögglega. Aðeins óhlöðnu myndefnin (nifteindir, gammageislar, fiseindir) geta hugsanlega sloppið út úr sprengjumassanum. Samt sem áður er meginhluti gammageislanna og nifteindanna gleyptur í iðrum sprengjunnar. Hitinn þar nær tugum milljóna gráða á Kelvin.

Þegar smíðuð er hefðbundin kjarnasprengja þarf að gæta að ýmsu. Áður en sprengt er verður kjarnkleyfa efnið (úran-235 eða plúton-238) að vera undir markmassa. Þá verður að koma því yfir markmassa án þess að nifteindir komist að. Nifteindum er síðan hleypt að massanum þegar hann er svo langt yfir markmassa að margföldun nifteinda sé hámörkuð og að massinn haldist saman þar til mest af kjarnkleyfa efninu hefur klofnað.

Til að ná markmassa eru tvær leiðir einkum farnar. Eldri leiðin er að láta kjarnkleyfa efnisbúta sem hvor um sig eru undir markmassa rekast saman, það er að segja að öðrum efnisbútnum er skotið á hinn. Hin leiðin er að láta efnasprengjur þétta kjarnkleyft efni nægjanlega til að markmassi náist. Þá er úran- eða plúton-eldsneytið þjappað tvö- til þrefalt á nokkrum míkrósekúndum og með því náð markmassa.

Við samruna léttra frumeinda losnar einnig orka. Einkum eru samsætur vetnis, tvívetni og þrívetni heppilegar til að framkalla orku við samruna.

.

Heimildir og lesefni:

Undirstöður kjarnorkuverkfræðinnar:

John R. Lamarsh, Introduction to Nuclear Engineering. Addison Wesley, 1983.

Samuel Glasstone og Alexander Sesonske, Nuclear Reactor Engineering. Van Nostrand Reinhold, 1981.

Um þróun kjarnasprengjunnar:

Henry DeWolf Smyth, Atomic energy for military purposes. Princeton University Press 1946.

Ýmsar upplýsingar um sprengikraft og beitingu kjarnavopna: H.L. Brode, „Review of Nuclear Weapons Effects,“ Annual Review of Nuclear Science, 18, (1968), 153 – 202.