Morgunblaðið - 06.10.1955, Blaðsíða 1

.
Fimmtudagur 6. október 1955
Kjarnorka getur losnad úr /æð/ng/ bædi v/ð
klofnun og samruna kjarnanna
I 1. GREIN Magnúsar
. Magnússonar um kjarnorku-
fræði var einkum sagt frá
alþjóða kjarnorku-ráðstefn-
unni í Genf og frá því hvaða
þýðingu kjarnorkan hefur
sem ný orkulind. Hér hefst
skýring á grundvallaratriðum
kjarnorkuvísindanna.
Atóm og kjaroar
ATÓM má hugsa sér sem ö'r-
smá áólkérfi. í miðju er
kjarninn og kringum hann
sveima elektrónUr eins og reiki-
stjörnur kringum sólina. Þver-
mál atómsins, þ. e. brauta elek-
trónanna, er um hundrað mill-
jönasti hluti úr sentimeter,
Kjarnakraftar og önnur
undirstöðuatriði kjarnorku-
vísindanna skýrð
Isótópar
.Efnafræðilegir eiginleikar at-
óma fara eftir fjölda prótónanna
í kjarnanum, þ. e. hleðslu kjarn-
nevtrónu. Kjarninn mundi því
splundrast, ef ekki væru aðrir
kraftar.
- Þeir kraftar, sem halda
kjarnanum saman, kjarnakraft-
arnir eru . frábrugðnir rafkröft-
, ans eða atómtölu. Tveir eða fleiri ura- Kjarnakraftarnir milli pró-
kjarnar geta haft sama fjölda tóna °g prótóna, prótóna og nev-
prótóna, en mismunandi fjölda tróná, nevtróna og nevtróna eru
nevtrójia. Atóm með slíka kjarna allir aðdráttarkraftar og nærri
hafa sömu efnafræðilega en mis- jafnstórir. Rafkraftar milli hlað-
munandi eðlisfræðilega eigin- inna a8na minnka með vaxandi
leika, t. d. massa eða þunga. Þau fjariasgð milli agnanna, en til-
eru nefnd ísótópar. Af vetni eru tölulega hægt. Hins vegar
til 3 ísótópar, venjulegt vetni minnka kjarnakraftarnir milli
með einni prótónu og engri nev- kjarnaagnanna mjög ört með
kjarninn er um einn billjónasti
úr sentimeter í þvermál og elek-
trónan svipuð (ein billjón er
milljón milljónir). Langmest af
massa (eða þunga) atómsins felst
í kjarnanum, þar sem elektrón-
urnar hafa um tvö þúsund sinn-
um minni massa en léttasti kjarn
inn. Kjarnorka byggist á breyt-
ingum, sem verða á kjarnanum,
svo að við skulum líta nánar á
hann.
Kjarninn er samsettur úr
tvenns konar ögnum, prótónum
og nevtrónum. Þær hafa hver
um sig nærri sama massa, sem
er um 2000 sinnum meiri en
massi eletrónunnar.
Prótónan hefur pósitífa raf-
hleðslu, en nevtrónan hefur
enga hleðslu. Elektrónan hefur
hins vegar negatífa rafhleðslu.
Prótónan hefur jafr.mikla pósi-
tífa hleðslu og elektrónan hefur
negatífa. Það hleðslumagn er
tekið sem eining, svo að prótón-
an hefur hleðsluna + 1 og elek-
trónan hleðsluna -4- 1.
Massahlutföll Hleðsla
Elektróna 1 -4-1
Prótóna 2000 + 1
Nevtróna 2000 0
Einfaldasti og léttasti kjarn-
inn er vetniskjarninn, en hann er
bara ein prótóna. Vetnisatómið
er svo sett saman úr vetniskjarna
og einni elektrónu, sem sveimar
í kringum hann. í súrefniskjarn-
anum eru 8 prótónur og 8 nev-
trónur, 16 agnir í allt, svo að
hann er um 16 sinnum þyngri en
vetniskjarninn. Þar sem prótón-
urnar eru 8, hefur hann hleðsl-
una + 8. Þegar 8 elektrónur eru
komnar kringum kjamann er
komið súrefnisatóm. Úraníum-
atómið hefur kjarna með 146
r.evtrónum, 92 prótónum og þá
hleðsluna + 92. Kringum þann
kjarna eru svo 92 elektrónur.
Samanlagður fjöldi agnanna,
sem í kjarna eru, er kallaður
massatala hans, og hleðslan er
kölluð atómtala. Vetni hefur
massatöluna 1 og atómtöluna 1,
. súrefni massatöluna 16 og.atóm-
töluna 8,0 og úraníum massatöl-
una 238 og atómtöluna 92.
trónu, svokallað þungt vetni með
einni prótónu og einni nevtrónu,
þ. e. tvisvar sinnum þyngra en
venjulegt vetni, og þríþungt
vetni með einni prótónu og
tveim nevtrónum.
Algengasti úraníumísótóp-
urinn hefur 92 prótónur og
146 nevtrónur, en sá ísótópur af
úraníum, sem mesta þýðingu hef-
ur í kjarnorku hefur 92 prótónur
og 143 nevtrónur. ísótópar eru
aðgreindir með því að gefa
massatölu kjarnans, þ. e. saman-
lagðan fjölda agnanna (prótóna
og og nevtróna) í kjarnanum,
t. d. úraníum ísótóparnir U-238
og U-235.
Kjarnageislun
(radioacticity)
Margir kjarnar senda frá sér
geisla, sem geta verið þrenns
konar, alfa-, beta- og gamma-
' geislar.
I Alfageislarnir eru helium
! kjarnar, þ. e. agnir settar
1 saman úr tveim prótónum og
I tveim nevtrónum, og hafa því
I massatöluna 4 og hleðsluna + 2
eða atómtöluna 2.
| Betageislarnir eru elektrón-
j ur og gammageislarnir eru
r'afsegulbylgjur eins og Rönt-
gengeislar, en sterkari. Ef
kjarni sendir frá sér alfaögn,
I minnkar massatala hans um 4 og
• atómtalan um 2. Radíum hefur
massatöluna 226 og atómtöluna
88. Það sendir frá sér alfageisla,
og þá verður eftir kjarni með
massatölu 222 og atómtölu 86.
Þetta er kjarni annars efnis, sem
heitir radon. Þannig hefur radí-
um breytzt í radon með alfa-
geislun.
1 Við betageislun breytist
kjarni í annan með sömu massa-
tölu, en atómtalan lækkar um
einn. Við gammageislun breytist
, kjarni ekki í annan, en gefur frá
; sér orku. Margir ísótópar eru
hverfulir, þ. e. senda frá sér
geisla og geta þá breytzt í ísótópa
fffjpf _

, 4
Þessi litli úraníum-teningur getur gefið eins mikla orku og et
1500 smálestum af kolum væri brennt.
vaxandi fjarlægð, svo að agnirn-
ar verða nærri því að snertast til
að þeir hafi áhrif.
Kjarnckfafoim
cg kjareasamnii
(fission og fusion)
Kjarnakröftunum svipar til
krafta þeirra, sem halda vökva
saman, nema eru miklu sterkari.
Það má því líta á kjarnann sem
dropa af „kjarnavökva", sem
haldið er saman af yfirborðs-
spennu. Þéttleiki þess kjarna-
vökva er geysilegur, um 240 billj-
ón grömm í rúmsentimeter, og
yfirborðsspennan er samsvar- í
andi.
Vegna yfirborðsspennunnar
leitast vökvi alltaf við að hafa
sem minnzt yfirborð. Yfirborðs-
orkan, sem er í hlutfalli við yfir-
borðið, verður þá minnst, en í
náttúrunni stefnir allt að því að
komast í eins lágt orkustig og
mögulegt er. Þess vegna delta
hlutir niður á jörðina, því að
þar hafa þeir minni orku. Þann-
ig tekur dropi á sig kúlulögun,
þegar engir ytri kraftar verka á
hann, vegna þess að kúla hefur
minnst yfirborð fyrir ákveðið
rúmmál. Ef tveir jafnstórir drop-
ar snertast, renna þeir saman í
einn, því að yfirborð dropans er
um 20% minna en samanlagt yf-
irborð dropanna tveggja, og því
yfirborðsorkan 20% minni. Við
þennan samruna losnar því mjög
mikil orka, og á honum byggist
vetnissprengj an.
Ef ekki væri aðrir kraftar en
kjarnakraftarnir, rynnu allir
kjarnar saman. Þar sem kjarnarn
ir eru hlaðnir pósitífu rafmagni
vegna prótónanna, sem í þeim eru,
hrinda þeir hvor öðrum frá sér,
og mikla orku þarf til að koma
tveim kjörnum svo nálægt hvor
öðrum, að kjarnakraftarnir fari
að verka milli kjarnanna og
kjarnarnir renni saman. Við
venjulegt' hitastig er hreyfiorka
kjarnanna vegna hitahreyfing-
arinnar alltof lítil, og fyrst við
nokkur hundruð þúsunda gráðu
hitastig á Celsíus er hitaorkan
nægileg til að samruni geti orð-
ið milli hleðsluminnstu og létt-
ustu kjarnanna, t. d. tveggja
þungavetnis kjarna.
Hver kjarni hefur hleðslu og
þess vegna raforku. Ef kjarni
skiptist í tvo jafna kjarna með
jafnmikilli hleðslu (þ. e. hvor
með helming af massa og hleðslu
upphaflega kjarnans), þá er sam-
anlögð raforka tveggja kjarn-
anna tæp 40% minni en raforka
og nevtróna eða nevtrónu og ipphaflega kjarnans. Við þessa
skiptingu eykst yfirborðsorkan,
þar sem yfirborðið eykst, og það
fer eftir hlutfallinu milli raf- og
yfirborðsorku, hvort öll orkan
minnkar við þessa skiptingu. í
léttum kjörnum með litla
hleðslu gætir yfírborðskraftanna
meira, en í þungum og hleðslu-
miklum kjörnum, eins og uraní-
umkjörnum, gætir rafkraftanna
meira.
Af þessu sjáum við, að léttir
kjarnar geta gefið orku frá sér
við samruna, en þungir kjarnar
við kjarnklofnun. Við skulum
nú líta nánar á kjarnaklofnun.
Þó að það sé hagkvæmt frá
orkusjónarmiði fyrir þunga
kjarna að skipta sér, gera þeir
það ekki af sjálfu sér. Skýringar-
myndin sýnir, hvernig á því
stendur. Það er eins ástatt með
af öðru efni.
Kjarnakraftar
Milli hlaðinni agna verka raf-
kraftar, þannig að tvær agnir
með sams konar rafhleðslu
hrinda hvor annarri frá sér, en
tvær með gagnstæðum rafhleðsl-
um dragast hvor að annarri. Ef
við tökum t. d. helíumkjarna
með tveim prótónum og tveim
nevtrónum, þá verka fráhrind-
andi rafkraftar milli prótónanna,
en engir rafkraftar milli prótóna
kjarnann og kúlu, sem er í dæld-
inni á hæðartoppi. Kúlan hefði
minni orku, ef hún væri í C í
stað A, en hún kemsí það ekki
af sjálfsdáðum. Til þess að koma
kúlunni yfir brúnina B þarf
orku, sem samsvarar hæðinni a.
Þegar hún er komin yfir brún-
ina, rennur hún niður til C, og
við það losnar orka, sem sam-
svarar b og er miklu meiri en
orkan, sem þurfti að leggja kúl-
unni til. Við getum nú notað
þetta við kjarnann. Ef kjarninn
© *
er í sínu venjulega ástandi, kúlu*
laga, samsvarar það, að kúlan
sé í A, en ef orka er íyrir hendi
til að breyta lögun hans og gera
hann ílangan, er hann kominn í
aðstöðu, sem svarar til B. Nú
geta hleðslurnar í endanum
hjálpað til, helmingarnir hrinda
hvor öðrum frá sér og kjarninn
klofnar. Við það losnar miklu
meiri orka en þurfti til að breyta
lögun kjarnans, þar til rafkraft-
arnir gátu tekið við og skilið
helmingana.
Þegar nevtrónu er skotið á
kjarna, samlagast hún kjarnan-
um. Orkan, sem kjarninn fær,
fer í að breyta lögun kjarnans,
og ef orkan er nægileg, klofnar
kjarninn. Einn kjarni, sem til er
í náttúrunni, hefur sérstaka til-
hneigingu til kjarnaklofnunar.
Það er úraníum ísótópurinn
U-235. Hægfara og orkulítil
nevtróna veldur nægilegri röskun
á honum, þegar hún samlagast
honum, til að lögun hans breytist,
svo, að hann klofni. Hinn úraní-
um ísótópurinn, U-238, þarf
mjög hraðar nevtrónur til að
framkalla kjarnaklofnun.
Klofniinarkeðja
(chain reaction)
Þegar kjarni klofnar, koma
fram tveir kjarnar, hvor
um sig um helmingi léttari
en upphaflegi kjarninn og
auk : þess nevtrónur, 2—3 við
hverjá klofnun. Þessar nevtrón-
ur geta svo hitt nýja kjarna, svo
að þeir klofni. Við þær klofn-
anir koma svo fram nýjar nev-
trónur, sem geta klofið enn aðra
| kjarna o. s. frv. Þannig er hægt
að fá klofnunarkeðju, sem getur
farið ört vaxandi. Ein nevtróna
klýfur úraníum 235 kjarna í tvo
minni kjarna (dökku depplarmr.
Sjá mynd á bls. 4.) Við
það koma fram tvær nevtrónur,
sem kljúfa tvo nýja úraníum
kjarna. Frá hvorum koma tvær
j nevtrónur, þ. e. fjórar í allt, sem
geta kloíið fjóra úraníum kjarna,
og svo koll af kolli. Þannig vex
klofnunarkeðjan.
! Þær nevtrónur, sem fram
koma við klofnun, rekast þó ekki
aliar á úraníum kjarna. Sumar
1 þeirra komast út um yfirborð
; úraníumklumpsins, og 'því minni
| sem klumpurinn er, þeim mun
j fleiri sleppa. Það er eins með
; nevtrónu í úraníumklump og
byssukúlu, sem skotið er inni í
skógi. Því minni, sem skógurinn
er, þeim mun meiri líkindi eru
til, að kúlan komist út úr skóg-
inum, þ. e. lendi ekki í tré. Ef
100 nevtrónur valda klofnun í
einu, koma fram við klofnunina
Frh. á bls. 20.