Vad är en kärnkedjereaktion?

En kärnklyvningsreaktion äger rum när atomerna i ett instabilt element bombarderas med neutroner och delar kärnan i varje atom i mindre delar. Om delningen av varje kärna släpper ut flera höghastighetsneutroner som sedan kan dela upp fler 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 styrs genom att ta bort några av de extra neutronerna frigörs fortfarande energi i form av värme, men en explosion kan undvikas. Kärnkedjereaktionen är en av tre typer av kärnreaktioner som har olika egenskaper och kan användas på olika sätt.

TL; DR (för lång; Läste inte)

En kärnkedjereaktion är en fissionsreaktion som släpper ut extra neutroner. Neutronerna delar upp ytterligare atomer som släpper ut ännu fler neutroner. Eftersom antalet neutroner som släpps ut och antalet atomer delas exponentiellt ökar kan en kärnexplosion resultera.

Kärnan i en atom lagrar mycket energi som kan tjäna användbara syften. De tre typerna av kärnreaktioner som använder kärnenergi är strålning, klyvning 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. Kärnfusion 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.

Nyckeln till en kärnkedjereaktion är att säkerställa att reaktionen genererar extra neutroner och att neutronerna delar fler atomer. Eftersom grundämnet uran-235 producerar flera neutroner för varje splittrad atom används denna isotop i uranreaktorer och i kärnvapen.

Urans form och massa påverkar huruvida en kedjereaktion kan äga rum. Om uranmassan är för liten släpps för många av neutronerna utanför uranet och förloras till reaktionen. Om uran har fel form, till exempel ett platt ark, förloras också för många neutroner. Den idealiska formen är en solid massa som är tillräckligt stor för att starta kedjereaktionen. I det här fallet träffar de extra neutronerna andra atomer, och multiplikationseffekten leder till kedjereaktionen.

Det enda sättet att kontrollera eller stoppa en kärnkedjereaktion är att stoppa neutronerna från att dela upp fler atomer. Kontrollstavar gjorda av ett neutronabsorberande element som 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 styrstängerna och sänks ner i uranbränslet. När de är helt sänkta är alla stavar omgivna av bränsle och absorberar de flesta neutronerna. I så fall stannar kedjereaktionen. När stavarna lyfts upp absorberar mindre av varje stav neutroner och kedjereaktionen påskyndas. På detta sätt kan kärnkraftverkets operatörer kontrollera och stoppa kärnkedjereaktionen.

Även om kärnkedjereaktioner i kraftverk runt om i världen levererar stora mängder elkraft, har kärnkraftverk två huvudproblem. För det första finns det alltid en risk att styrsystemet baserat på styrstänger inte fungerar på grund av tekniska fel, mänskliga fel eller sabotage. I så fall kan det finnas en explosion eller en utsläpp av strålning. För det andra är använt bränsle mycket radioaktivt och måste lagras säkert under tusentals år. Problemet är fortfarande inte löst och använt bränsle finns kvar i olika kärnkraftverk i de flesta fall. Som ett resultat har praktiska användningsområden för kärnkedjereaktioner minskat i många länder, inklusive i USA.