Vísindi
Mörg okkar hafa þá hugmynd um visindamenn að þeir séu eins og á myndinni hér til hliðar. Fólk sem hrærir varlega saman einhverjum dularfullum vökvum í mismunandi litum og svo allt í einu gerist eitthvað og ................ Í raun líkist þessi ímynd mikið frekar einhverskonar seiðgerðalist úr einhverri af Harry Potter myndunum og virðist eiga mikið meira sameiginlegt með göldrum en raunveruleikanum.
Undir þessa ímynd er ýtt af allskonar kvikmyndum, teiknimyndum o.s.fr. þannig að það er engin furða þó okkur finnist flestum að þetta hljóti að vera raunveruleikinn auk þess sem okkur vex flestum í augum hversu óskaplega gáfað þetta fólk hlýtur að vera til að geta unnið þessa vinnu.
Sannleikurinn er hinsvegar sá að vísindamenn vinna í dag flestir hverjir meira við tölvur en við tilraunaglös og þó sumir þeirra séu auðvitað mjög vel gefnir þá er þetta flest ósköp venjulegt fólk, það sem heldur þeim gangandi er löngunin til að öðlast betri skilning á heiminum í kring um okkur og það er líka það sem er líkt með þeim flestum.
Í raun er það þessi leit að útskýringum á hinum ýmsu málum sem bindur allt þetta fólk saman frá upphafi, frá því löngu fyrir byrjun okkar tímatals. Það er þessi þrá eftir útskýringum sem tengir gullgerðarmenn og græðara fyrri tíma við vísindamenn og lækna samtímans.
Og þessu fólki hefur orðið mikið úr verki. Við skiljum í dag mjög mikið af því sem lætur heiminn virka, á þann hátt sem hann gerir. Eins skiljum við nokkuð vel hvernig efni hegða sér jafnvel þó að við skijum langt því frá allt. Hér að neðan er einfallt myndband á ensku sem útskýrir hvað efni er.
Það er hinsvegar enginn ástæða til að halda að þetta sé allt svo flókið að maður hafi ekkert að gera í að reyna að skilja það. Þvert á móti þá kemur í ljós að flest það sem virðist vera flókið er í raun einfalt ef maður leggur sig fram við að skilja það. Þess vegna ætlum við að ráðast í það hér á þessari síðu að útskýra kjarnorku, en það er einmitt sá hluti efna og eðlisfræði sem flestir telja að sé hvað flóknast.
Kjarninn - Frumeindin - Atómið
Eins og þið vitið þá er ALLT efni gert úr frumeindum. Við erum líka búin að fara yfir það hvernig frumeinda kenningin er og hvernig John Dalton sem setti hana fram byggði hana á verkum gríska heimspekingsins Demokrítusar, sem var uppi fyrir meira en 2500 árum. Við skulum samt aðeins rifja Frumeindakenninguna upp:
- Allt efni er gert úr litlum ögnum, frueindum.
- Frumeind er ekki hægt að búa til og frumeind getur ekki eyðst. ( Nú vitum við að frumeindir eru gerðar úr öreindum og öreindirnar úr kvörkum, þannig að þó við getum ekki enn búið þær til þá er ekki ólíklegt að það verði einhverntíman hægt.) Í dag er líka hægt að breyta kjörnum frumeindar úr einni gerð frumeindar í aðra með því aðskjóta öreind - róteind eða nifteind að kjarnanum.
- Frumeindir tiltekins frumefnis eru eins, til dæmis allar jafnstórar og jafnþungar.
- Frumeindir mismunandi frumefna eru ólíkar, til dæmis misstórar og misþungar.
- Frumeindir geta tengst saman í stærri einingar og myndað sameindir
En hvað kemur þetta kjarnorku við ? Jú til að átta okkur á kjarnorku verðum við að skilja frumeindina og ekki hvað síst kjarna hennar en þaðan kemur þessi orka sem um er rætt. Svo áfram með smjörið, leggjumst aðeins yfir það hvernig frumeindin virkar.
Eins og kom fram hér að ofan þá er frumeindin samsett úr ögnum sem við köllum öreindir. Í hverri frumeind geta komið fyrir þrjár gerðir öreinda: Róteindir og nifteindir sem saman mynda kjarnann og svo rafeindum sem svífa í kringum kjarnann í rafeindaskýi eftir ákveðnum reglum. Ástæðan fyrir því að rafeindirnar svífa í kring um kjarnann en fljóta ekki bara eitthvað út í buskann er sú að róteindirnar í kjarnanum hafa örlítinn jákvæðann rafstraum oft táknað með +, en rafeindirnar hafa örlítinn neikvæðan rafstraum, oft táknað með -. Jákvæður og neikvæður rafstraumur verkar með aðdráttarkrafti á hvorn annan og þannig halda róteindirnar í kjarnanum rafeindunum á sveimi í kring um sig.
Nú vitum við líka að öreindirnar eru gerðar úr enn minni eindum, svokölluðum kvörkum. En hvað í ósköpunum er það? Hér að neðan er skemmtilegt myndband sem skýrir það á einfaldan hátt.
Þessi samsetning skýrir líka hleðslu róteindar og hleðsluleysi nifteindar því hver Upp kvarki er með 2/3 af + hleðslu og hver Niður kvarki með 1/3 af - hleðslu. 2/3 + 2/3 - 1/3 = +1 ekki satt og +2/3 - 1/3 - 1/3 = 0
En snúum okkur nú að aðal málefninu, Kjarnorkunni. Fyrst skulum við kíkja aðeins á tímalínuna sem leiðir til notkunar kjarnorku bæði í daglegu lífi og í vopnakapphlaupi.
Þegar Ernest Rutherford var að gera sína frægu gulltilraun árið 1911, sem þið getið skoðað í myndbandinu hér að neðan, gerði hann auðvitað sína frægustu uppgötvun þ.e.a.s. að stærstur hluti frumeindar er tómarúm og að kjarninn er agnar lítill en utan um hann sveima rafeindirnar í rafeindaskýi.
Þegar hann endurtók þessa tilraun en notaði nitur í stað gulls þá gerðist nokkuð allt annað. Alfa eindin sem hann skaut að nitrinu sameinaðist kjarnanum og myndaði verulega óstöðugan nýjan kjarna úr allt öðru efni. Rutherford hafði þar með tekist alveg óvart að gera það sem gullgerðamönnum fyrri alda hafði aldrei tekist þ.e.a.s. að breyta einu efni í annað.
Um og eftir 1930 byrjuðu nokkrir vísindamenn að gera tilraunir með að skjóta nifteindum á frumeindakjarna. Árið 1939 birtu þau Lisa Meitner og systursonur hennar Otto Frisch, útskýringu á því hvernig hægt væri að kljúfa kjarna Úrans - 235 og losa þannig orku.
Út frá þessum hugmyndum varð mikið kapphlaup milli vísindamanna hinna stríðandi fylkinga í seinni heimstyrjöldinni. Það fór síðan þannig að hópur vísindamanna Bandamanna, með blessun Alberts Einsteins, urðu fyrstir til að smíða sprengju byggða á þessum hugmyndum. Slíkri sprengju með eldsneytinu Úran-235 var síðan sleppt yfir Hiroshima og þremur dögum síðar var annarri sprengju með eldsneytinu Plútóníum sleppt yfir borginni Nagasaki.
Í dag ráða a.m.k. 8 ríki yfir kjarnavopnum og Norður- Kórea hefur verið að færa sig upp á skaftið með tilraunum á slíkum vopnum.
Kjarnorkuver
Hugmyndin um að láta þessa nýju orkuuppsprettu knýja orkuver þar sem raforka væri framleidd á ódýran og hagkvæmann hátt varð til fljótlega eftir að Lisa Meitner og Otto frændi hennar settu fram hugmyndir sínar. Teikningarnar að fyrstu slíku verunum voru byggðar á orkuverum knúnum áfram af olíu og kolum.
Orkan sem losnaði við kjarnaklofnunina var notuð til að hita vatn yfir í gufu og gufan síðan látin snúa hverflum sem framleiddu raforku.
Stærsta vandamálið var að ná tökum á keðjuverkuninni við kjarnaklofnunina. Það gengur ekki að hún sé hömlulaus því þá fáum við bara sprengingu. Eftir miklar rannsóknir tókst loks að finna lausnir á þessu vandamáli.
Byggðir eru sérstakir kjarnaofnar þar sem klofnunin á sér stað og er stjórnað. Eldsneytið sem notað er er oftast auðgað Úran - 235, eins og notað var í sprengjuna yfir Hirnoshima.
Til að ekki verði keðjuverkun er stöngum úr Kadmíni komið fyrir í ofninum. Þetta eru svokallaðar stýrisstangir, þær stýra hraða kjarnaklofnananna með því að draga í sig nifteindirnar sem annars myndu kljúfa Úrankjarnana. Hraðanum er stýrt með því að draga stangirnar út úr ofninum til að auka hraða kjarnaklofnunarinnar eða ýta þeim lengra inn í ofninn til að gleypa meira af nifteindum og hægja þannig á. Ef eitthvað kemur upp á er hægt að skjóta öllum stöngunum inn í ofninn en þá hægist á klofnuninni og hún stöðvast að lokum alveg vegna þess að allar nifteindirnar dragast inn í stýrisstangirnar.
Nifteindirnar mega heldur ekki fara of hratt en eftir því sem meiri orka losnar er hætta á að þær fari hraðar. Til að hægja á þeim er notað svokallað Hemilefni, í flestum tilfellum er notað þungt vatn til að hægja á nifteindunum. Nifteindir sem fara of hratt kljúfa ekki Úrankjarnana heldur bjróta þá eða skoppa af þeim þannig að orkan losnar ekki eins og hún á að gera.
Þó við Íslendingar þekkjum kjarnorkuver helst sem vinnustað Hómers Simpsons þar sem allt er alltaf að fara úrskeiðis. Þá eru kjarnorkuver daglegt brauð allt í kring um okkur. Flest lönd Evrópu, bandaríkjamenn og stór ríki í Asíu sjá sér fyrir stórum hluta orku sinnar með kjarnorkuverum. Í Evrópu eru nú rekin tæplega 200 kjarnorkuver. Mörg þeirra eru orðin gömul, jafnvel frá því um miðja síðustu öld og þarfnast mikils viðhalds eða endurbyggingar.
Ástandið er því sumstaðar ekki gott því þetta er afar viðkvæmir staðir og slys eða óhöpp í svona veri eru ekki staðbundin þar sem geislavirkni berst bæði með loftstraumum og vatni. Það eru því stórar spurningar sem þarf að svara þegar ákveðið er hvort eigi að leggja fé í viðhald slíkra vera en sumstaðar mun viðhald þeirra kosta gríðarlega fjármuni.
Framhaldið
Eins og áður sagði er gríðarlega mikið sem liggur undir því að varlega sé farið þegar verið er að taka ákvarðanir um kjarnorku og kjarnorkuver.
Við þekkjum það af biturri reynslu að slys í svona verium eru skelfileg. Ég hvet ykkur til að kynna ykkur slysin í Tsjernobil verinu í Úkrainu og í Fukushima verinu í Japan, en það eru tvö stærstu slysin sem orðið hafa.
Hvað hefur gerst á þessu svæði í Úkraínu síðan ? Leitaðu þér upplýsinga á netinu en passaðu að falla ekki í þá gryfju að trúa öllu sem þú sérð. Á netinu er mikið af upphrópunum um hvað allt hafi orðið hræðilegt en ekki alveg jafn mikið af gæða upplýsingum.
En hvað er þá til bragðs að taka ? Það er auðvelt fyrir okkur að segja að það eigi bara að loka öllum kjarnorkuverum, við eigum nægilega mikið af orku fyrir okkur Íslendinga í fyrirsjáanlegri framtíð. Þannig er það hinsvegar ekki í öðrum löndum Evrópu og við verðum að hafa í huga að einn kjarnaofn framleiðir jafn mikla orku og 500 vindmillur. Miðað við þann lífsmáta sem við vesturlandabúar höfum tamið okkur þarf að auka orkuframleiðslu en ekki minnka hana. Svo stóra spurningin er; Hvernig gerum við það án þess að nota jarðefnaeldsneyti eða kjarnorku ?
Annar slæmur flötur á kjarnorkuverum er úrgangurinn sem þar myndast. Þegar Úran-235 er klofið þá myndast kjarnar af Baríni og Kriptoni en bæði þessi efni eru geislavirk. Þetta er svokallaður geislavirkur úrgangur en hann inniheldur einnig geislavirkt kælivatn. Þennan úrgang þarf að geyma á öruggan hátt í þúsundir ára þar sem helmingunartími þessara efna er mjög langur. (Sjá útreikninga á helmingunartíma)
Í upphafi kjarnorkutímabilsins höfðu menn litlar áhyggjur af þessum hluta. Úrgangurinn er ekki svo mjög mikill og menn söfnuðu honum bara í tunnur. Til eru frásagnir af því að slíkum tunnum hafi verið varpað í hafið en eins og gefur að skilja er það skelfileg leið. Þetta gerðist fyrir 60 - 80 árum og nú ættu tunnurnar að vera farnar að ryðga í gegn og þá mun úrgangurinn flæða út í hafið og menga hugsanlega stór svæði.
Í dag eru öruggustu geymslurnar í Noregi og Svíþjóð. Þar er að finna elsta berggrunn á jörðinni með lang þéttasta berginu. Þar hafa verið sprengd mikil göng og stórar hvelfingar þar sem úrgangi er safnað og síðan lokað þar inni. Gallinn við þetta er að það er langt og dýrt að flytja úrganginn þangað og á leiðinni geta komið upp á slys, eins og gerðist í Þýskalandi fyrir meira en 20 árum þegar járnbrautalest sem flutti geislavirkan úrgang fór út af teinunum og valt. Þar fór þó betur en á horfðist. Auk þess getum við ekki spáð fyrir um framtíðina og getum því ekki giskað á allt það sem getur farið úrskeiðis á þúsundum ára í geymslum sem þessum.
Geislavirkni
Hvort sem efni eru náttúrulega geislavirk eða verða það af mannavöldum, þýðir geislavirkni að kjarni efnisins er óstöðugur og mun brotna niður eða breytast á annan hátt.
Samfara geislavirkni í náttúrunni verður oftast efnabreyting sem þýðir að þegar frumefnakjarninn breytist þá breytist efnið úr einu efni í annað. Þessi breyting kallast sundrun.
Geislavirkni er þrennskonar og er kölluð í höfuðið á bókstöfum í gríska stafrófinu; alfasundrun, betasundrun og gammasundrun
Alfasundrun
Geislavirk efni sem sundrast með þessari aðferð losa sig við svokallaða Alfaögn úr kjarnanum. Í ögninni eru 2 nifteindir og 2 róteindir ( í raun kjarni helíns He). Við það verður kjarni frumeindarinnar eins og gefur að skilja með 2 færri róteindir og því lækkar sætistala hennar um 2 og þessi nýja frumeind tilheyrir því efninu sem situr 2 sætum neðar í Lotukerfinu.
Í stuttu máli: Geislavirkur frumeindakjarni losar frá sér alfaögn sem inniheldur 2 nifteindir og 2 róteindir (helíumkjarna), við það lækkar sætistala frumeindarinnar um 2 og hún breytist í frumeind efnis sem hefur 2 róteindum minna í kjarna en upprunalega frumeindin hafði.
Betasundrun
Við betasundrun tekur ein nifteind upp á því að breytast í róteind og við það losnar einnig rafeind. Rafeindin kallast Betaögn.
Þegar nifteind breytist í róteind hefur róteindum frumeindarinnar fjölgað um 1 þó massatalan haldist hin sama þá hefur frumeindin breyst í frumeind efnisins sem situr einu sæti ofar í Lotukerfinu.
Í stuttu máli: Nifteind breytist í róteind og losar frá sér rafeind. Við það færist frumeindin upp um eitt sæti í Lotukerfinu.
Gamma sundrun
Við gammasundrun losna engar agnir og frumeindakjarninn breytist ekki efnislega. Frumeindin lætur hinsvegar frá sér orku í formi afar orkuríkra gammageisla. Gammageislarnir hafa svo stutta byrlgjulengd að þeir smjúga í gegn um flesta hluti
Engin frumefnabreyting verður í efninu en kjarnar frumeindanna verða stöðugri eftir að hafa losað sig við gammageislana.
Algengast er að gammasundrun eigi sér stað um leið og annað hvort alfa eða beta sundrun og sé í raun aukaafleiðing þeirra. Þó getur gammageislun átt sér stað eingöngu.
Helmingunartími
Helmingurnartími efnis er sá tími sem það tekur helminginn af frumeindakjörnum geislavirks efnis að breytast og verða stöðugir.
Á myndinni hér að ofan er hægt að skoða og reikna út helmingunartíma efnis.
Við gefum okkur að við byrjum með 100 frumeindir af geislavirku efni og til að hafa dæmið þægilegt þá höfum við helmingunartímann 10 mínútur.
Þetta þýðir að eftir 10 mínútur eru 50 frumeindakjarnar enn geislavirkir. Eftir 20 mínútur eru þeir 25. Eftir 30 mínútur eru þeir 12,5. Eftir 40 mínútur eru þeir 6,25, eftir 50 mínútur eru þeir nærri 3,13 og eftir klukkutíma eru þeir tæplega 2.
Á þessum klukkutíma hefur efnið náð að helminga sig 6 sinnum og á þá aðeins eftir 2 frumeindir af 100. Það tekur hinsvegar 10 mínútur í að verða 1 o.s.fr.
Þið verðið að hafa í huga að hér er alltaf um meðalhraða að ræða. Það er auðvitað ekki raunverulegt að fara út í að helminga 1 frumeind, eða brot úr frumeind.
Sumum finnst sjálfsagt auðveldara að skila þetta samkvæmt myndinni hér að ofan. Hvað líður langur tími frá því að efnið er komið niður í 6.2% og þar til það er alveg breytt ?
Flest geislavirk efni hafa mjög langan helmingunartíma, oft mælist hann í hundruðum eða jafnvel þúsundum ára.