6.4.2017

Ydinreaktiot

Ydinreaktioita ovat mm. . Ehkä myös ytimen virittymisen voi laskea ydinreaktioksi. Tällä sivulla puhutaan lähinnä fissiosta, varsinkin uraani U-235 fissiosta.

Ydinreaktio vs. kemiallinen reaktio

Kemiallisissa reaktioissa kaikki muutokset tapahtuu elektroniverhoissa. Ytimet ei muutu. Elektroniverhossa määrää sähkömagneettinen voima.
Ydinreaktiossa alkuaine muuttuu yleensä toiseksi aineeksi. Poikkeuksena gammahajoaminen, missä ydin lähettää vaan gammasäteilyä (fotoni). Ydinreaktioissa määräävät ns. vahva ja heikko ydinvoima. Ydinreaktion jäljille päästiin kun Rutherford huomasi vuonna 1919 että typestä voi tehdä happea, jos sitä ampuu alfa-hiukkasella 4He.

Fissio ja ketjureaktio

Fissio tarkoittaa sitä että atomin ydin halkeaa reilusti, enemmän kuin alfa-ytimen verran. Käytännössä ydin halkaistaan tarkoituksella, yleensä neutronilla. Samalla syntyy 1..5 uutta neutronia, jotka voivat jatkaa reaktiota.
Fissiolla on aika vähän käytännön merkitystä jos ketjureaktiota ei tapahdu. Fissiopommissa ketjureaktio on mahdollisimman nopea. Ydinvoimalassa teho pidetään vakiona eli neutroneja syntyy saman verran kuin kuluu.

Spontaani fissio (SF)

Kun atomin ydin halkeaa itsestään, niin se on spontaani fissio (SF). Spontaania fissiota tapahtuu vain hyvin raskaille ytimille, ja niillekin todella harvakseltaan. Alfa- ja betahajoaminen ovat -isotoopista riippuen- miljoona tai miljardi kertaa yleisempiä spontaaneja hajoamistapoja kuin SF. SF on siis aika sivuseikka. Sen avulla ydinvoimala käynnistyy ilman "starttimoottoria". Muuta merkitystä ei nyt tule mieleen.

Mikä aine voi fissioitua?

Ensin pari sanaa termeistä. Isotooppi viittaa kokonaiseen atomiin, nuklidi on pelkkä atomin ydin. On aika sama kummasta puhutaan, koska ytimet esiintyy käytännössä atomeina. Ydinpolttoaineessa uraani on UO2 eli uraanioksidissa.
Jos ydin voi fissioitua, niin sen sanotaan olevan fissiili. Erilaisia isotooppeja on havaittu n. 3000 mutta fissiilejä on näistä vain kourallinen. Luonnossa esiintyy näistä vain muutama. Uraania raskaammat aineet eli transuraanit ovat kaikki tehty keinotekoisesti eli säteilyttämällä, ja aika monet niistä on fissiilejä.
Fissiilejä ytimiä ovat: Saattaa olla muitakin. Kalifornium-241 on se tuttu aine joka kodin palovaroittimista.
Fissio voi tapahtua myös epäsuorasti. Esim luonnonuraani 238U kaappaa neutronin, jolloin siitä tulee välivaiheen jälkeen 239Pu. Tämä voi sitten fissioitua kun siihen osuu neutroni. Sanotaan että 238U on fertiili. Tämä reaktio tekee ydinvoimalassa merkittävän osan (30%) lämmöstä. Plutoniumia sekä syntyy että tuhoutuu koko ajan. Fertiili reaktioita on kahdenlaisia; ydin kaappaa neutronin esim U-234 + n -> U-235, tai sitten tämä neutroni muuttuu protoniksi, kuten tuossa luonnonuraani esimerkissä. Tuotanto ei tapahdu heti vaan välivaiheilla on omat puoliintumisaikansa:

Muita fertiilejä aineita ovat 232Th, 234U, 238Pu ja 240Pu. Sitten on olemassa useamman neutronin vaativia reittejä.

Miten aiheutetaan fissio?


Yleensä neutronilla, jolla on sopiva nopeus. Elektroni on liian kevyt halkaisemaan ydintä. Protonilla ja alfahiukkasella on samanmerkkinen varaus kuin ytimellä, joten ne hylkivät toisiaan eivätkä törmää. Neutronilla ei ole varausta, joten se voi lentää suoraan ytimeen. Joku fissioituva isotooppi halkeaa helpoiten, jos neutronilla on pienehkö vauhti. Toinen isotooppi taas vaatii suurienergisen neutronin. Ydinvoimaloiden tärkein polttoaine eli U-235 vaatii haljetakseen hyvin hitaan neutronin. Mutta koska fissiossa syntyvät neutronit on nopeita (2 MeV), niin ne pitää hidastaa alle miljoonanteen osaan. Hidastaminen tehdään tavallisella vedellä eli puhutaan kevytvesireaktorista. Kuten törmäävät pallot, niin nopean neutronin paras hidastaja on saman painoinen pallo, ja vedessä sen tekee vety-ydin.
Lentävä tennispallo ei hidastu jos osuu pölyhiukkaseen. Jos osuu kiviseinään, niin ei silloinkaan, vaan vaihtaa suuntaa. Törmäys toiseen tennispalloon hidastaa parhaiten.
Hidastettu neutroni on nimeltään terminen neutroni.


On olemassa myös raskasvesireaktoreita. Kevyt- ja raskasvesireaktorin idea on siinä, että jos vesi kiehuu tai vuotaa pois, niin fissiot loppuu myös. Lämmönsiirtoneste on samaan aikaan myös nopeiden neutronien hidastin. Ei ihan paikallisesti mutta ainakin alueellinen virtaushäiriö sammuttaa ketjureaktion sillä alueella. Kevytvesireaktorissa käytettävä tavallinen vesi kuitenkin kaappaa paljon neutroneita ja siksi uraania pitää hieman rikastaa. Raskasvesireaktorissa on veden vedyn 1H tilalla deuteriumia 2H, joka ei absorboi paljoa neutroneita. Silloin luonnonuraania ei tarvi rikastaa. Näitä on Kanadassa aika paljon eli ns. Candu-reaktorit.
Ketjureaktiot on enemmänkin herkkiä sammumaan kuin herkkiä räjähtämään. On se kuitenkin tietynlainen ongelma, kun pieneen tilaan pitää kerralla ladata parin vuoden polttoaine ja laivareaktoreissa jopa 30 vuoden. Hiilivoimalan hallinta olisi myös vaikeaa jos kattilaan ladataan kerralla koko vuoden hiilimäärä. Haasteita tuottavat esim. palamattomaksi jäänyt polttoaine, epätasainen kuluminen (pysty- ja vaakasuunnissa) ja prosessin erilaisuus latausjakson alussa verrattuna loppupäiviin. Fission hallinnan apuna ovat

Palava myrkky

Palava myrkky on aine joka kaappaa neutroneja mutta kuluu samalla itse. Eli se vaikuttaa latausjakson alussa enemmän kuin lopussa. Gadolinium on yksi tämmöinen alkuaine.

Fissiotuotteet

Fissiossa ydin hajoaa kahteen osaan. Samalla vapautuu n. 200 MeV energiaa, gammasäteilyä ja 1..5 neutronia. U-235:lle ei nolla eikä kuusi, vaan 1..5, keskimäärin 2,42. Fissioitunut ydin ei mene juuri koskaan keskeltä kahtia, vaan suunnilleen suhteessa 40/60 (ks. kuva), koska se on energian minimi. Tyypillisiä fissiotuotteita ovat krypton, cesium, jodi, samarium, barium ja strontium, lisäksi pieniä määriä muuta yhteensä 30 eri alkuainetta (300 eri isotooppia). Eli uraani-235 halkeamisessa voisi syntyä esim xenon-140 ja strontium-94 taikka krypton-92 ja barium-141. Summa on aina 235, jos lasketaan mukaan ne 1..5 syntynyttä neutronia. U-235 hajoamisessa syntyy siis keskimäärin 2,42 neutronia, ja tasaiseen ketjureaktioon tarvitaan tasan yksi. Loput absorboituu veteen, veden lisä-aineisiin (boorihappo), seinille, polttoaineeseen, fissiotuotteisiin tai säätösauvoihin. Polttoaineen suojakuori (zirkonium) läpäisee neutronit erinomaisesti.
Monet näistä fissiotuotteista ovat radioaktiivisia, toiset taas ei. Jotkut radioaktiiviset fissiotuotteet ovat välttämättömiä ydinreaktorin tehon säädön (=toiminnan) kannalta. Fissiotuotteen hajotessa syntyy nimittäin pieni määrä neutroneja viiveellä (alle 1% kokonaismäärästä) ja ilman näitä neutroneja reaktori ei voisi toimia. Se joko sammuisi tai karkaisi käsistä alle puolessa sekunnissa. Voidaan siis sanoa että U-235 fissiossa syntyy keskimäärin 2,43 neutronia, koska se viiveellä syntynyt pitää laskea mukaan. Erilaisia neutronin emittoivia aineita tunnetaan 240 kpl. Laskuissa ne on tapana jakaa kuuteen ryhmään puoliintumisaikansa perusteella.

Raskaan ytimen sidosenergia massalukua kohti on n. 7,5 MeV/A ja keskiraskailla n. 8,4 MeV/A. Yhteensä vapautuu U-235:lla fissiossa energiaa 235*(8,4-7,5) MeV = 211,5 MeV
Fissiotuotteiden lisäksi syntyy muutakin radioaktiivista ainetta. Neutronipommitus aktivoi veden ja metalliseinät. Nämä on sitten ongelmajätettä, ainakin välivarastoinnin ajan. Kun veden vety kaappaa kaksi neutronia, niin siitä tulee radioaktiivinen tritium 3H, jonka puoliintumisaika on 12,3 vuotta. Yksi ikävä sivutuote on hiili-14 koska se on pitkä-ikäinen betasäteilijä ja hiili leviää luonnossa joka paikkaan. Betasäteily ei ole kuitenkaan yhtä vaarallinen kuin alfasäteily. Hiiltä on hieman teräksessä. Nykyään reaktorit suunnitellaan sellaiseksi, että radioaktiivista metalliromua syntyy mahdollisimman vähän.

Tässä vielä toinen kuva, joka näyttää että uraani ja plutonium tuottavat hieman erilaista ydinjätettä, ja että halkaisevan neutronin vauhti vaikuttaa aavistuksen verran lopputulokseen. Huom nopea neutroni aiheuttaa fission vain pienellä todennäköisyydellä.



Tuolla saattaa olla seassa arvokkaitakin aineita, kuten kultaa ja platinaa, mutta pitoisuus on pieni ja "malmi" on radioaktiivista. Luultavasti kultakin olisi radioaktiivista isotooppia.

Vapautuva energia

Yhdessä fissiossa vapautuu n. 200 MeV energiaa eikä se paljoa riipu isotoopista. 100 miljardia fissiota sekunnissa on 10 wattia lämpöä, eli yksittäistä fissiota ei kuule pamauksena, vaikka olisi miten herkät aistit. 83% energiasta on puoliskojen liike-energiassa ja loput 17% gammasäteilyssä ja neutronien liike-energiassa. Jos reaktorin sähköteho on 1000 MW niin lämpöteho on 3000 MW. Siitä 17% on 510 MW eli aivan hirvittävä teho edelleen. On ihmeellistä että reaktorit ja polttoainesauvat ylipäätään kestävät semmoisessa säteilypommituksessa.

Jälkilämpö

Monet fissiotuotteet ovat radioaktiivisia. Ne tuottavat hajotessaan lämpöä senkin jälkeen kun reaktori on sammutettu. Tämä lämpö täytyy siirtää pois polttoaineesta ettei polttoaine sula. Ei riitä että lämpö siirtyy veteen, vaan veden kiehuminen pitää myös estää, eli lämpö täytyy siirtää ilmaan tai mereen. Oheisesta kuvasta näkee että suurin osa jälkilämmöstä katoaa aika nopeasti, mutta on muistettava että 1% lämpötehosta voi tarkoittaa 30 MW lämmitystä.



Jälkilämmön tuotto ei ole tasaisesti laskevaa koska fissiotuotteita on kymmeniä ja kaikilla on omanlaisensa puoliintumisaika. Hajoamistuotteet ovat yleensä myös radioaktiivisia. Ydinreaktori on kuin pata mihin on sotkettu satoja erilaisia isotooppeja. Siellä syntyy ja tuhoutuu hyvin erilaisia aineita koko ajan. Lopputulos on se, että sitä pitäisi käyttää vakioteholla. Tosin kaikkea tehoa ei ole pakko tehdä sähköksi, jos kysyntää ei ole tarpeeksi.

Tähän loppuun vielä kuva kaikista tunnetuista isotoopeista, ja niiden hajoamistavoista. Mustat neliöt ovat vakaita. Olemme aika onnekkaita että niitä on edes tuon verran. Tosin monien aineiden puoliintumisaika on miljoonia vuosia, käytännössä stabiilia ainetta. Mutta on paljon isotooppeja, jotka pysyy kasassa vain milli- tai mikrosekunnin.

Lähteet: Stuk:n materiaalit, Stuk/Riku Mattila, VTT materiaalit, Aalto-yliopisto, Lappeenrannan tekn. yliopisto, TVO, Fortum, Fennovoima