Ydinfissio – määritelmä, ketjureaktio ja ydinvoiman käyttö

Mikä on ydinfissio?

Ydinfissio on eräänlainen ydinreaktio, jossa raskas atomi hajoaa kahdeksi tai useammaksi kevyemmäksi ytimeksi. Joissakin fissioreaktioissa vapautuu erittäin paljon energiaa, ja tätä ilmiötä hyödynnetään sekä ydinaseissa että ydinreaktoreissa. Fission ilmiön kokeellisen havaitsemisen mainitaan usein liittyvän saksalaiseen kemistiin Otto Hahn ja hänen avustajaansa Fritz Strassmanniin Berliinissä (Berliinissä), kun taas Lise Meitner ja Otto Frisch selittivät löydöksen fysiikan näkökulmasta.

Atomin rakenne ja fissiota aiheuttavat isotoopit

Atomi on pienin hiukkanen, joka muodostaa kemiallisen alkuaineen (esim. vety, happi, magnesium). Atomit koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista: protonit ja neutronit muodostavat ytimen, jota toisinaan kutsutaan ytimeksi, ja elektronit kiertävät ytimen ympärillä "elektronipilvessä". Raskaat alkuaineet, kuten uraani ja plutonium, sisältävät suuria ytimiä, jotka voivat haljeta eli fissioitua tietyissä olosuhteissa. Lisäksi eri isotoopeilla — eli atomeilla, joilla on sama määrä protoneja mutta eri määrä neutroneja (isotoopin) — on erilainen taipumus fissioitua.

Miten fissio tapahtuu ja mikä vapautuu?

Kun hitaasti liikkuva neutroni osuu suhteellisen suureen atomiytimeen, ydin voi muuttua epävakaaksi ja hajoaa kahdeksi ytimeksi. Fission seurauksena vapautuu energiaa pääosin lämpönä ja korkeenergisinä fotoneina (gammasäteinä). Samalla ytimestä irtoaa yleensä yksi tai useampi neutroneista. Näitä vapautuneita neutroneita kutsutaan vapautetuiksi neutroneiksi ja ne voivat osua toisiin ytimiin, aiheuttaen uusia fissioita.

Ketjureaktio ja energian määrä

Jos yhdestä fissioitumisesta vapautuneet neutronit aiheuttavat uusia halkeamisia, tapahtuu ydinketjureaktioksi, kutsuttu prosessi. Ketjureaktio voi olla:

• subkriittinen — reaktio ei yllä uusiin fissioihin ja sammuu;
• kriittinen — yksi fissio aiheuttaa keskimäärin yhden uuden fissioin, jolloin reaktio pysyy tasaisena (tätä tilaa pyritään ylläpitämään laitosreaktoreissa);
• superkriittinen — keskimäärin yksi fissio aiheuttaa yli yhden uuden fissioin, jolloin nopea kasvu johtaa räjähdykseen (ydinaseissa).

Yhden fissioituneen uraani-235-ytimen energia on noin 200 MeV (noin 3,2 × 10^−11 joulea). Tämä tarkoittaa, että massiivinen energiatiheys on valtava: esimerkiksi 1 kg rikastettua uraania tai puhdasta plutoni-239:ää voi teoriassa tuottaa kymmeniä tuhansia megawattitunteja energiaa, riippuen hyötysuhteesta ja polttoaineen enrichoinnista. Ketjureaktion vapauttama energiamäärä mitataan myös sodankäyntikontekstissa kilotonneina; yksi kilotonni vastaa tuhannen tonnin TNT:n energiaa.

Ydinvoiman hyödyntäminen

Ydintekniikassa ketjureaktiota hallitaan siten, että reaktori pysyy kriittisenä mutta ei superkriittisenä. Ydinreaktorissa ketjureaktio pidetään hallinnassa käyttämällä moderaattoreita (esim. kevyt vesi, raskas vesi tai grafiitti), jotka hidastavat neutroneita ja lisäävät todennäköisyyttä, että ne aiheuttavat fissioita, sekä säätösauvoja, jotka absorboivat neutroneita (tyypillisesti materiaaleina boori, kadmium tai grafiitti). Reaktorissa syntyvä lämpö keitetään usein veden höyryksi, joka pyörittää höyryturbiinia ja tuottaa sähköä.

Ydinvoimaa käytetään myös laivastossa (ydinvoimalla toimivat sota-alukset ja jäänmurtajat), tutkimusreaktoreissa ja lääketieteellisten isotooppien tuotannossa.

Ydinaset ja räjähdys

Ydinpommissa ketjureaktion on tapahduttava erittäin nopeasti ja kontrolloimattomasti, jotta vapautuva energia johtaa suurvolyymiseen räjähdykseen. Tämän vuoksi ydinaseet käyttävät erityisiä mekaniikkoja saadakseen polttoaineen nopeasti superkriittiseen tilaan.

Turvallisuus, riskit ja ydinjäte

Ydinvoiman turvallisuus perustuu monikerroksiseen suojaukseen: reaktorin sisäinen säätö, paineastia, biologinen suoja, ja ulkoinen säiliö tai suojakuori. Vakavia onnettomuuksia ovat olleet esimerkiksi Three Mile Island, Tšernobyl ja Fukushiman tapaukset, jotka korostavat suunnittelun, huollon ja hätävalmiuden merkitystä. Fission sivutuotteina syntyy radioaktiivisia fissiotuotteita ja neutronien aktivoimaa materiaalia, jotka muodostavat ydinjätteen. Jätteiden pitkäaikainen hallinta — erityisesti korkea-aktiivisten ja pitkäikäisten radionuklidien loppusijoitus — on keskeinen haaste niin teknisesti kuin yhteiskunnallisestikin.

Hyödyt ja haitat

• Hyödyt: erittäin suuri energiatiheys polttoainetta kohden, pieni hiilidioksidipäästö tuotannossa, pitkäaikainen ja luotettava sähköntuotanto.
• Haitat: radioaktiivinen jäte, onnettomuusriski, korkeat rakentamis- ja purkukustannukset sekä turvallisuus- ja proliferointikysymykset (ydinmateriaalin leviäminen).

Lyhyt historiateksti

Ydinfission kokeellinen havaitseminen joulukuussa 1938 liittyy usein saksalaisen kemistin Otto Hahn ja Fritz Strassmannin työhön Berliinissä. He havaitsivat, että raskaat ytimet saattoivat haljeta kevyeen ytimeen, mikä johti nopeasti teoreettisiin selityksiin ja käytännön sovelluksiin seuraavina vuosina.

Ydinfissio on monipuolinen ilmiö: se on sekä voimakas energianlähde että vakava turvallisuushaaste. Tekniikan, säätelyn ja yhteiskunnallisen päätöksenteon kehitys vaikuttaa ratkaisevasti siihen, miten turvallisesti ja vastuullisesti tätä energiaa voidaan hyödyntää tulevaisuudessa.

Kysymyksiä ja vastauksia

Q: Mitä on ydinfissio?

K: Kuka löysi ydinfission?

K: Mistä atomit koostuvat?

Kysymys: Mitkä alkuaineet voidaan saada halkeamaan?

K: Miten ydinfissiossa tapahtuu ketjureaktio?

K: Miten ydinfissiossa syntyvää lämpöä käytetään?

Hae kirjaimella