6 YDINFYSIIKKAA 6.1 YTIMEN RAKENTEESTA Atomin elektronirakenne tunnettiin paljon ennen ytimen rakenteen tuntemista: elektronien irrottamiseen atomista tarvitaan paljon pienempiä energioita (muutamia ev) kuin ytimen hajottamiseen (MeV luokkaa). Vetyatomin ydin koostuu vain yhdestä protonista, jonka varaus on +e. Kaikkien muiden alkuaineiden ytimissä on sekä protoneja että neutroneja. Neutroni on sähköisesti neutraali, sen massa on vähän suurempi kuin protonin massa. Nukleoni = yhteisnimitys protonille ja neutronille Atomiluku = atomin järjestysluku = protonien määrä atomin ytimessä Isotooppi = saman alkuaineen atomeja, joiden ytimissä eri määrä neutroneja Nuklidi = atomiydinlaji, jossa tietty määrä protoneja ja neutroneja 1
A Z X X= alkuaineen kemiallinen merkki Z= protonien lukumäärä, atomiluku A= nukleonien lukumäärä = protonit + neutronit Esimerkkeinä vedyn isotoopit: vety deuterium tritium 35 17 37 17 Cl Cl Kloorin kaksi isotooppia (18 tai 20 neutronia). Yleensä atomiluku jätetään merkinnästä pois, koska kemiallinen merkki kertoo alkuaineen. 35 Cl, 37 Cl 2
Atomimassa = koko atomin massa, ydin + elektronit Atomimassayksikkö = 1 u = 1/12 hiilen 12 C massasta = 1.66054x10-27 kg (atomimassayksikköä vastaava energia 931.49 MeV) Esimerkkejä atomimassoista: Protoni 1.6726x10-27 kg = 1.007276 u Neutroni 1.6750 x10-27 kg = 1.008665 u Elektroni 9.1095x10-31 kg = 5.486x10-4 u Vetyatomi 1.6736x10-27 kg = 1.007825 u Saman alkuaineen eri isotooppeja esiintyy luonnossa eri määrä. Atomiluku Protonien määrä Neutronien määrä Massaluku Suhteellinen osuus Vety 1 1 0 1 99.985 Deuterium 1 1 1 2 0.015 Tritium 1 1 2 3 Hyvin pieni Kloori 17 17 18 35 75.53 Kloori 17 17 20 37 24.27 3
Suhteellinen atomimassa lasketaan alkuaineen isotooppien esiintyvyyden mukaan painotettuna keskiarvona. Eri isotoopeilla on lähes identtinen elektronirakenne, joten ne: reagoivat ympäristöön samalla tavalla. sulamis- ja kiehumispisteet poikkeavat vain hieman toisistaan. Isotooppien muut fysikaaliset ominaisuudet, esim. radioaktiivisuus, voivat poiketa paljonkin toisistaan. 4
6.2. YTIMEN OMINAISUUKSIA Ytimen säde Ytimen kokoa voidaan mitata pommittamalla atomeita hiukkasilla (ensimmäinen oli Rutherfordin koe): Elektronien avulla saadaan selville ytimen varauksen jakautumista (sähköinen vuorovaikutus ytimen kanssa). Neutronien avulla saadaan selville ytimen materiaalin jakautumista (vuorovaikutus erityisten ydinvoimien välityksellä). Molemmissa tilanteissa hiukkasen de Broglie aallonpituus tulee olla pienempi kuin ytimen säde ts. pommituksessa käytettävien hiukkasten tulee olla hyvin nopeita. Ytimen tilavuus on suoraan verrannollinen siinä olevien nukleonien määrään (eli massalukuun A). 5
Toisaalta tilavuus V riippuu ytimen säteestä R 3, joten R=R 0 A 1/3, missä R 0 1,2x10-15 m V 4R 3 3 (efektiivinen ytimen säde, ytimen varauksen ja materiaalin jakautuminen poikkeavat hieman toisistaan) Ytimen tiheys Ytimen massa on noin Au ja ytimen tilavuus on noin 3 4R 4R V 3 3 3 0 A Joten ytimen tiheys on suurin piirtein sama kaikille alkuaineille: m V 3Au 4R 3 0A 4 3u R 3 0 6
ESIMERKKI 6.1 Puisen pöytälevyn paino on 50 kg. Jos levyn atomit luhistuisivat kasaan, mikä olisi levyn tilavuus? Vertaa tätä tilavuutta levyn todelliseen tilavuuteen, jos puun tiheys on 0.95g/cm 3. 7
Ytimen magneettiset ominaisuudet Ytimen magneettinen momentti ilmaistaan ydinmagnetonin μ N avulla: N e 2m p 5.05110 J/T 3.15210 27 8 ev/t Ytimen, jonka magneettisen momentin z-komponentti on μ z, ollessa magneettikentässä B, ytimen magneettinen potentiaalienergia on U M = -μ z B ytimen energiatasot jakautuvat magneettikentässä spin-ylös ja spin-alas-tiloihin 8
Magneettiset momentit protonille ja neutronille ovat 2.793 pz nz 1.913 N N Ydin voi absorboida fotonin, jonka energia on energiatasojen välisen erotuksen suuruinen ja siirtyä energiatasolta toiselle (tai päinvastoin eli emittoida fotonin) Fotonin taajuus (Larmor taajuus) f L E h 2 h pz B Jos ydin on magneettikentässä, ytimet ovat yleensä spin-ylös- tilassa, koska se on matalampi energiatila. Jos kohdistetaan näytteeseen säteilyä Larmortaajuudella, ytimet siirtyvät spin-alas-tilaan = ydinmagneettinen resonanssi (NMR) Ytimen magneettinen momentti voidaan määrittää esim. pitämällä säteilyn taajuus vakiona ja muuttamalla magneettikenttää. Kun energiaa absorboituu eniten (resonanssi), voidaan laskea magneettisen momentin arvo. 9
Sovelluksia ydinmagneettisesta resonanssista: Kemiallinen analyysi Ydin haluaa palata virityksen jälkeen takaisin alempaan energiatilaan. Tämä ns. relaksaatioaika riippuu ytimen ympärillä olevasta elektroni-- verhosta. Elektroniverho myös varjostaa ydintä ympärillä olevalta magneettikentältä. Resonanssitaajuudet riippuvat ytimen ympäristöstä NMR spektroskopiaa voidaan käyttää aineiden kemialliseen analyysiin. NMR-kuvaus Kuvausmenetelmä, jolla on korkeampi resoluutio kuin röntgenkuvauksella. NMR-kuvaus ei ole niin vahingollista eläville kudoksille kuin röngenkuvaus. Menetelmässä mitataan vety-ytimien magneettikentässä lähettämää radiotaajuista signaalia. Se soveltuukin runsaasti vetyä sisältävien kudosten (rasva- ja vesipitoiset kudokset, myös luuydin) tutkimiseen. 10
Magneettikuvauksessa kuvattava kohde sijoitetaan voimakkaaseen magneettikenttään, jonka suuruus on hieman eri paikasta riippuen. Laitteistoon kuuluu lisäksi radiolähetin ja -vastaanotin, jonka avulla resonanssi synnytetään ja havaitaan. Resonanssisignaalin voimakkuus magneettikuvassa riippuu paitsi magneettisten ytimien määrästä myös niiden vuorovaikutuksesta ympäristönsä kanssa. Kuvan muodostamiseksi tulokset yhdistetään tietokoneella ja tuloksena saadaan kaksi- tai kolmiulotteinen magneettikuva. 11
ESIMERKKI 6.2 Oulun yliopiston NMR-laboratoriossa on käytössä kolme NMRspektrometriä. Yhdessä näistä protonin resonanssitaajuus on 300 MHz. Kuinka suuri on magneettivuon tiheys B spektrometrin sisällä? 12
6.3. STABIILIT YTIMET Ydin ei ole stabiili kaikilla mahdollisilla neutroni-protoni-kombinaatioilla. Nykyisin tunnetuista 2500 nuklidista vain alle 300 on pysyviä, loput hajoavat emittoimalla hiukkasia ja sähkömagneettista säteilyä (radioaktiivisuus). Yleisesti kevyillä alkuaineilla on yhtä monta neutronia ja protonia, raskaimmilla alkuaineilla neutronien määrä kasvaa suhteessa protonien määrään. Yksi selitys tälle on, että protonien välinen sähköinen poistovoima kasvaa, kun A kasvaa ja tarvitaan ylimääräisiä neutroneja, jotta ydin voi pysyä kasassa. Kaikki ytimet, joilla Z > 83 tai A > 209, ovat epästabiileja ja hajoavat toisiksi nuklideiksi emittoiden tavallisesti alfa- tai beetahiukkasia. 13
6.4. SIDOSENERGIA Stabiilin ytimen hajottaminen erillisiksi protoneiksi ja neutroneiksi vaatii energiaa. Ytimen kokonaismassa on aina pienempi kuin sen muodostamien protonien ja neutronien yhteenlaskettu massa. Energia, joka vaaditaan nukleonien erottamiseksi toisistaan, on sidosenergia: E B (ZM Sulkujen sisältämä osuus on massakato A ZM = neutraalin atomin massa (sis. elektronit) ja M H = neutraalin vetyatomin massa (sis. elektronin) Kerroin c 2 voidaan esittää muodossa c 2 931.5 MeV/u H Nm n A Z M)c 2 14
ESIMERKKI 6.3 Määritä deuteriumin sidosenergia. 15
ESIMERKKI 6.4 Sidosenergia neonin atomimassa? 20 10 Ne isotoopille on 160.647 MeV. Mikä on sen 16
Sidososuus E B /A on sidosenergia nukleonia kohti. Se on mitta sille, miten tiukasti nukleonit ovat sitoutuneet toisiinsa. Deuteronilla sidososuus on E B /A=1.112 MeV, mikä on pienin luonnossa havaituista sidososuuksista. Sidososuudet massaluvun funktiona: Alussa sidososuus kasvaa massaluvun funktiona. Sidososuus on maksimissaan 8.8 MeV. 56 26Fe on stabiilein ydin Raskailla (ja hyvin kevyillä) ytimillä nukleonit ovat heikommin sitoutuneita toisiinsa kuin keskiraskailla ytimillä. Tätä ominaisuutta käytetään hyväksi kun tuotetaan energiaa fissiolla ja fuusiolla. 17
ESIMERKKI 6.5 42 Kuinka paljon energiaa tarvitaan poistamaan neutroni ytimestä? 20Ca Entä protonin poistamiseen? Miksi energiat eroavat toisistaan? 18
6.5. YDINVOIMISTA Protonien keskinäisen sähköisen poistovoiman takia nukleonit eivät voi muodostaa pysyvää rakennelmaa ilman niiden välillä vaikuttavaa vahvaa vuorovaikutusta. Vahva vuorovaikutus vetovoima nukleonien välillä vaikuttaa samalla tavalla protoneihin ja neutroneihin kantama on lyhyt hyvin vahva kun etäisyys <10-15 m, kauempana käytännössä nolla yksityiskohtaista matemaattista muotoa ei tunneta Nukleonit ovat vuorovaikutuksessa vain muutamien lähimpien naapureidensa kanssa (osoituksena ydinten lähes vakio tiheys ja raskaampien ydinten lähes vakio sidososuus) = kyllästymisilmiö Voima suosii vastakkaissuuntaisen spinin omaavien protonien ja neutronien parien muodostumista ja myös protoni-protoni sekä neutronineutroni-parien muodostumista, siksi alfahiukkanen (kaksi protonia + kaksi neutronia) on massalukuunsa nähden poikkeuksellisen stabiili. 19
ESIMERKKI 6.6 Kuinka suuri on kahden protonin välinen sähköinen poistovoima ytimessä, kun oletetaan, että varaus on pallomaisesti jakautunut? Protonien välinen etäisyys on 2.4 fm. 20
6.6. RADIOAKTIIVISUUS Vaikka ytimessä vaikuttavat suuret voimat, monet ytimet ovat epästabiileja ja hajoavat spontaanisti toisiksi ytimiksi. Lisäksi kaikki ytimet voivat hajota hiukkastörmäyksen seurauksena. Marie ja Pierre Curie, Ernest Rutherford ja useat muut tutkijat osoittivat, että radioaktiivisista aineista emittoituu positiivisesti ja negatiivisesti varattuja hiukkasia sekä neutraalia säteilyä (alfa-, beeta- ja gamma-säteily). Myöhemmin radioaktiivisuuden listaan on lisätty myös elektronikaappaus ja positroniemissio. Alkuaineella voi olla sekä stabiileja että radioaktiivisia isotooppeja. Esimerkiksi natriumilla on molempia, mutta uraanilla vain radioaktiivisia isotooppeja. 21
Radioaktiivinen hajoaminen on tilastollinen prosessi tietyn ytimen hajoamishetkeä on mahdoton ennustaa. Todennäköisyys sille, että ydin hajoaa lyhyessä ajassa dt on dp dt, missä λ= ajasta riippumaton hajoamisvakio. N kappaleesta ytimiä hajoaa ajan dt kuluessa λndt kappaletta (kun N on suuri). Hajoamattomien ydinten lukumäärän muutos on siis dn N dt Hajoamisten lukumäärä aikayksikössä eli näytteen aktiivisuus on R dn dt N Tämän differentiaaliyhtälön ratkaisu on tuttu hajoamislaki N( t) N0e t, missä N 0 on hajoamattomien ydinten lukumäärä ajanhetkellä t=0. 22
Aktiivisuuden SI-yksikkö on becquerel (Bq), joka on yksi hajoaminen sekunnissa. Yleisesti käytetään myös yksikköä curie (Ci), joka vastaa suurin piirtein yhden radium gramman aktiivisuutta: 1 Ci = 3.7 10 10 Bq = 3.7 10 10 hajoamista sekunnissa. Puoliintumisajan T 1/2 kuluttua alkuperäisen näytteen ytimistä on jäljellä puolet: N( T 1/ 2 ) N 2 0 N 2 0 N 0 e T 1/ 2 Ratkaistaan tästä T 1/2 ja saadaan: T 1 / 2 ln 2 Epästabiilin nuklidin keskimääräinen elinaika on hajoamisvakion käänteisarvo: 1 2 T mean T 1/ ln 2 23
ESIMERKKI 6.7 Kuinka kauan kestää, että radon näytteestä hajoaa 60%? 24
Radioaktiivisen näytteen aktiivisuus oli määritelty: dn R dt Derivoimalla N( t) N 0 e aktiivisuus ajan funktiona t ajan t suhteen, saadaan määritettyä R N0e t Esimerkkejä puoliintumisajoista: Ydin Radium 222 Ra Neutroni n Hiili 14 C Puoliintumisaika 38 s 14.93 min 5730 vuotta 25
ESIMERKKI 6.8 Mikä on 1.00 mg 222 Rn näytteen aktiivisuus? Mikä on saman näytteen aktiivisuus viikon kuluttua? 26
6.7. ALFA-HAJOAMINEN Alfahiukkanen on He-ydin (kaksi protonia + kaksi neutronia). Alfa-hiukkasen emissio tapahtuu, kun ydin on liian suuri ollakseen stabiili A Z X A-4 Z-2 Y 4 2 He missä X= emoydin, Y= tytärydin Hajoaminen on mahdollinen, jos alkuperäisen neutraalin atomin X massa on suurempi kuin syntyneen neutraalin atomin Y ja neutraalin helium-atomin massojen summa. Tällaista alkuaineen muuttumista toiseksi sanotaan transmutaatioksi. Esimerkki: Radium hajoaa radoniksi 222 88Ra 86Rn 226 4 2 He Hajoaminen tapahtuu spontaanisti alfa-hiukkasen tunneloituessa ydintä ympäröivän potentiaalivallin läpi. 27
Alfahajoamisen yhteydessä esiintyy usein myös gammasäteilyä, koska tytärydin jää usein virittyneeseen tilaan, joka purkautuu gammakvantilla perustilaan. Esimerkki: 234 92U 90Th 238 4 2 He 28
6.8. BEETA-HAJOAMINEN Beeta-hajoamista on kolmea erilaista tyyppiä: n p p 0 p n 0 n 0 e e e Elektroniemissio Positroniemissio Elektronikaappaus β - -hiukkanen on elektroni ja β + -hiukkanen on positroni. ν e on elektronin neutriino, joka tarvitaan varmistamaan energian ja liikemäärän säilyminen. Neutriino on varaukseton ja lähes massaton hiukkanen. Ytimen ulkopuolella oleva neutroni hajoaa β - -hajoamisella noin 15 minuutissa. Ydin voi hajota elektroniemissiolla silloin, kun sen ytimessä on liikaa neutroneja suhteessa protoneihin: A Z X A Y Z 1 e Esimerkki: 14 14-6C 7N e 29
ESIMERKKI 6.9 Osoita, että β - -hajoaminen voi tapahtua, jos neutraalin tytäratomin massa on pienempi kuin neutraalin emoatomin massa. 30
ESIMERKKI 6.10 Vapaa neutroni on epästabiili (radioaktiivinen) eli se hajoaa spontaanisti elektroniemissiolla. Miksi? Miksi protoni on stabiili? 31
Ydin voi hajota positroniemissiolla silloin, kun sen ytimessä on liikaa protoneja suhteessa neutroneihin: A Z X A Y Z 1 e β + -hajoaminen voi tapahtua, jos neutraalin emoatomin massa on vähintään kaksi elektronin massaa suurempi kuin neutraalin tytäratomin massa (esimerkki 6.11) Esimerkki: 64 64 Cu Ni e 29 28 Ydin voi hajota elektronikaappauksella silloin kun β + emissio ei ole energeettisesti mahdollinen (ja ytimessä on protoneja liikaa suhteessa neutroneihin). Yksi ytimen protoni muuttuu silloin neutroniksi ja emittoituu neutriino p n 0 e Esimerkki: 64 29Cu e 64 28 Ni 32
ESIMERKKI 6.11 Osoita, että β + -hajoaminen voi tapahtua, jos neutraalin emoatomin massa on vähintään kaksi elektronin massaa suurempi kuin neutraalin tytäratomin massa. 33
6.9. GAMMA-HAJOAMINEN Gammasäteily on hyvin lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä, jota syntyy ytimen viritystilojen purkautuessa. Gammasäteilyä syntyy kun ytimessä on liikaa energiaa: A Z X* A X Z Ydinvoiman vahvuuden takia ydinten viritysenergiatkin ovat suuria, noin 1 MeV:n luokkaa. Ydin voi virittyä esimerkiksi törmäyksessä hyvin suurienergisen hiukkasen kanssa. Tavallisempaa on, että ydin jää virittyneeseen tilaan jo syntyessään radioaktiivisen hajoamisen kautta. Esimerkki: 87 38 Sr* 87 Sr 38 34
Sovellus: Radioaktiivinen iänmääritys eli hiiliajoitus Kosmisen säteilyn vaikutuksesta ilmakehässä syntyy hiilen epästabiilia isotooppia 14 C. Elävä kasvi saa hiiltä hiilidioksidista, joka sisältää isotooppia 14 C samassa suhteessa kuin ilmakehä. Kun kasvi kuolee, siihen ei tule enää hiiltä ja isotoopin 14 C pitoisuus kasvissa alkaa pienentyä 14 C:n muuttuessa 14 N:ksi puoliintumisajalla 5740 vuotta. Mittaamalla kasvin jäännösten 14 C-pitoisuus, voidaan selvittää, milloin kasvi on kuollut. 35
ESIMERKKI 6.12 Palassa antiikin asumuksesta löytynyttä puuta havaitaan 14 C-aktiivisuus 13 hajoamista minuutissa 1 grammassa hiiltä. Elävän puun 14 C aktiivisuus on 16 hajoamista minuutissa. Kuinka kauan sitten puu kuoli? 36
6.10. RADIOAKTIIVISET SARJAT Radioaktiivisen ytimen hajoamisen tuloksena syntyvä tytärydin voi olla itsekin radioaktiivinen. Sen hajotessa voi syntyä uusi radioaktiivinen ydin ja niin edelleen. Syntyy peräkkäisten hajoamisten ketju eli hajoamissarja. Hajoamissarja alkaa pitkäikäisestä nuklidista ja päättyy peräkkäisten alfaja beetahajoamisten kautta stabiiliin nuklidiin. Luonnossa runsaimmin esiintyvä radioaktiivinen nuklidi on uraanin isotooppi 238 U, joka hajoamisten jälkeen päätyy stabiiliksi isotoopiksi 206 Pb: 14 hajoamista (8 alfa- ja 6 betahajoamista) Muut radioaktiiviset sarjat: Thorium 232 Th 208 Pb Neptunium 237 Np 209 Bi Actinium 235 U 207 Pb 37
6.11. YDINREAKTIOITA Jos kaksi ydintä tulevat lähelle toisiaan, voi tapahtua ydinreaktio, jonka seurauksena syntyy uusi ydin. Sama ydin voi syntyä useamman prosessin kautta (ja myös hajota eri prosesseilla): 38
6.12. FISSIO Jos raskas ydin hajotetaan, vapautuu yleensä paljon energiaa. Ongelma on vain saada hajotettua ydin viemättä siihen enemmän energiaa, mitä vapautuu ytimen hajoamisessa. V. 1938 Lise Meitner huomasi, että uraanin isotooppi 235 U hajoaa, kun sitä pommitetaan neutronilla. Neutronipommituksessa syntyy uraanin isotooppia 236 U, joka on niin epästabiili, että se hajoaa nopeasti. Myöhemmin löydettiin muitakin vastaavalla tavalla käyttäytyviä ytimiä. Koska raskailla ytimillä on suurempi neutroni-protonisuhde, fission lopputuotteina saadaan yleensä myös neutroneja. Tyypillinen esimerkki fissiosta: 1 236 140 94 1 92U0n 92U* 54Xe38Sr 0n 235 1 0 n Fissio voi tapahtua myös sen jälkeen, kun ydintä on pommitettu gammasäteilyllä tai protoneilla (eli neutronipommitus ei ole ainoa mahdollinen tapa aiheuttaa ytimen hajoaminen). 39
Fissiossa syntyvä neutroni voi aiheuttaa uuden fission ja syntyy ketjureaktio: Jos vain harva neutroni (vähemmän kuin yksi tapahtunutta fissiota kohden) aiheuttaa uuden fission, ketju sammuu. Jos keskimäärin yksi syntyvä neutroni aiheuttaa uuden fission, energiaa vapautuu vakionopeudella (ydinreaktori). Jos fissioiden syntynopeus kasvaa (enemmän kuin yksi neutroni aiheuttaa uuden fission), energiaa voi vapautua niin nopeasti, että syntyy räjähdys (atomipommi). 40
6.13. YDINVOIMA ENERGIAN TUOTANNOSSA Ydinreaktori on hyvin tehokas tapa tuottaa energiaa: 1 g 235 U atomin fissioreaktiossa syntyy saman verran energiaa kuin poltettaessa 2.6 tonnia hiiltä. 33.7 % Suomen sähköntuotannosta saatiin ydinvoimasta vuonna 2013. 41
Suomessa on neljä ydinreaktoria: 2 Loviisassa 2 Eurajoen Olkiluodossa, Olkiluoto 3 on ollut rakenteilla vuodesta 2005, piti valmistua 2009, 02/2016 arvio, että toimintaan 2018. Hanhikivi 1 Pyhäjoelle? Toimintaperiaate: Ydinreaktorin sydän muodostuu uraanipolttoaineesta ja fissioreaktiota säätelevistä säätösauvoista. Polttoaine, rikastettu uraani 3-5% 235 U, on pieninä uraanioksidista kuumapuristettuina nappeina ohuissa putkimaisissa suojakuorissa. Säätösauvat ovat voimakkaasti neutroneja absorboivaa ainetta (esim. kadmium, boori tai hafnium), joiden määrää reaktorisydämessä voidaan säätää ja samalla säädellä reaktorin toimintaa. 42
Reaktorisydän on paineastian sisällä, jossa kiertävä jäähdytysvesi kuljettaa syntyvän lämmön pois reaktorista. Jäähdytysvesi myös hidastaa fissiossa syntyviä neutroneja, jotta ne voivat aiheuttaa uusia fissioita. Käytössä on myös grafiittihidasteisia sekä kaasujäähdytteisiä reaktoreita (esim. hiilidioksidi tai helium). Syntynyt lämpö hyödynnetään höyryturbiinissa, joka pyörittää generaattoria. Kiehutusvesireaktorissa kiehuvasta jäähdytysvedestä syntyvä höyry johdetaan suoraan turbiinille (kuten Olkiluodon 1 ja 2 reaktoreissa). Painevesireaktorissa kova paine estää veden kiehumisen n. 300 asteessa ja turbiinia pyörittävä höyry kehitetään erillisissä lämmönvaihtimissa (kuten Loviisan ensimmäinen ja toinen laitosyksikkö sekä Olkiluodossa rakenteilla oleva kolmas yksikkö). 43
Ydinvoiman ongelmia: Onnettomuusriski hyvin pieni, mutta olemassa 1986 Tsernobyl, Ukraina, historian pahin ydinvoimalaonnettomuus, jossa runsaasti radioaktiivista ainetta levisi ympäristöön. 2011 Fukushima, Japani, maanjäristys hajotti ydinvoimalan jäähdytysjärjestelmän ja korkeita säteilyannoksia pääsi ydinvoimalan ympäristöön. Haitat pienemmät kuin Tsernobylin onnettomuudessa. Lisäksi paljon muita pienempiä onnettomuuksia, joissa vähemmän henkilö/säteilyvahinkoja. Ydinjäte loppusijoitus? Ydinjäte kuuluu vaarallisimpiin ihmiskunnan tuottamiin materiaaleihin. Suomessa syntyy 70 tonnia ydinjätettä joka vuosi Suomessa syntyneet ydinjätteet käsitellään, varastoidaan ja loppusijoitetaan Suomen omalla alueella Suomen ydinvoimalaitosten käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitus Olkiluotoon ONKALOon (syvälle kallioperään) raskaisiin 44 kuparikapseleihin suljettuna v. 2020 alkaen. Hanhikivi?
Uraanin tuotanto Uraanin tuotannossa syntyy paljon radioaktiivista ja kemiallisesti myrkyllistä jätettä, joka saastuttaa vesistöjä ja maa-alueita ja altistaa ihmisiä säteilylle ja raskasmetalleille. Suomessa käytettävä uraani Kanadasta, Venäjältä, Australiasta ja Nigeristä (Talvivaaran juttu). Ydinaseet Ydinvoimalan polttoaineen tuotantoketju soveltuu sellaisenaan ydinasemateriaalin tuotantoon. Asialla on aina kaksi puolta: Millä muulla tavalla voitaisiin tuottaa maailman tarvitsema energia? Jokaisella energian tuotantotavalla on omat ongelmansa. 45
6.14. FUUSIO Fuusiossa kaksi kevyttä atomiydintä yhtyy yhdeksi raskaammaksi ytimeksi ja samalla vapautuu energiaa (sekä usein yksi tai useampi neutroni tai protoni). Auringon ja muiden tähtien energia on peräisin niiden sisäosissa tapahtuvista fuusioreaktioista. Kun kaksi kevyttä ydintä pääsee hyvin lähelle toisiaan, vahva ydinvoima vetäisee ne yhteen. Päästäkseen riittävän lähekkäin niiden on ensin ylitettävä sähkömagneettisen voiman aiheuttama Coulombin valli eli tarvitaan ytimille suuri liike-energia ja riittävä tiheys. Coulombin valli on pienin vety-ytimille; helpoimmin fuusioituvia ytimiä ovat vedyn raskaat isotoopit deuterium ja tritium: 2 1 2 1 H H 2 1 2 1 H H 3 1 3 2 H 1 1 He H 4.0 MeV 1 0 n 3.3 MeV 46
Deuteriumin ja tritiumin seosta suunnitellaan käytettäväksi fuusiovoimalan polttoaineena koska fuusioreaktio voi tapahtua matalammissa lämpötiloissa. Deuteriumia voidaan saada merivedestä 33g/kuutio, tritiumia pommittamalla litiumia neutroneilla: 6 3 7 3 Li Li 1 0 3 2 4 1 1H 1H2He0n 17.6 MeV, 1 0 n n 3 1 3 1 H H 4 2 4 2 He He 1 0 n Fuusioreaktio vaatii käynnistyäkseen erittäin korkean lämpötilan (10 8 kelviniä), jotta ytimillä olisi tarpeeksi liike-energiaa ylittämään Coulombin valli (vaaditaan vetyplasma). Ongelmia: tarvittavan lämpötilan synnyttäminen suuressa lämpötilassa olevan plasman koossapito (ja pitäminen irti reaktorin seinistä) 47
Etuja olisi nykyiseen ydinvoimaan verrattuna: Polttoainetta paljon enemmän ja helpommin hankittavissa. Reaktiotuotos harmitonta heliumia. Reaktio sammuu hyvin nopeasti kun laite sammutetaan. 48