1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
Kernefysik
Indholdsfortegnelse
Indledning side 2
Energibehov i fremtiden side
Historie side
Nutidens problematik side
Atomkraftværkers virkemåder side
Fusionsforsøg på jorden side
Konklusion side
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
Indledning
Jeg vil i denne opgave komme igennem nogle problemer som verden er havnet i og hvilken
brandstoffer er det nødvendigt at tænke over i fremtiden. Jeg starter med at fortælle om
verdensbefolknings energiforbrug og derefter kommer igennem de energikilder som er mest
venlige for naturen. Efterfølgende vil jeg kort fortælle om problemer sammenhængen mellem
udviklingen og energibehovet. Til sidst vil jeg give en lille overblik over hvorfor det er godt at tænke
på kerneenergi.
Energibehov i fremtiden
Verdensbefolknings energiforbrug
Bilag 1
Afbrændingen af en ton olie frigøres der ca. 1 toe
Figuren viser at siden år 1950 så er befolkningstallet vokset
væsentligt meget og energiforbruget har ligeledes også vokset
næsten i den samme takt. Ved årtusindeskift er energiforbruget
nået til ca. 10 Gtoe dvs. 100 milliarder toe pr. år., mens jordens
befolkning er knap nok fem milliarder mennesker, så hver af os
bruger i gennemsnit 2 toe om året, det svarer til at afbrænde ca.
to tons olie. I den store kurve er der vist 3 forestillinger, der kan
ske i fremtiden: A forstiller det maksimale energiforbrug, der kan ske i fremtiden, B det normale
energiforbrug dvs. stiger i takt med befolkningsvæksten og C er det mindste energiforbrug, man
kan forestille sig, under 1 toe hver person pr. år.
På baggrund af globaliseringen og den stigende udvikling i de fattige lande samtidig at de er blevet
væsentligt bedre til at ernære sig selv, som vi, så er deres levestandard voksende i de få år og
Figuren er fra bogen
”fusionsenergi”
Den lille kurve viser
jordens
befolkningsudvikling de
næste 100 år
Den store kurve viser
jordens energiforbrug
de næste 100 år
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
eftersom landene er blevet rigere og befolkningerne leve længere. Sandsynligheden for at
befolkningerne i ulandene bestræber efter behovet på en væsentlig bedre hverdag er ganske
muligt dvs. på samme niveau som i Vesten. Behovet vokser og vokser, og da vi ikke kan standse
behovet, er vi nødt til at finde på alternative løsninger, som kan dække befolkningernes behov
uden at til skade naturen. Vi kan ikke forsætte med at forbruge de fossile brændsler, olie, kul og
naturgas, da man udmærket ved at de fossile brændsler er blevet skabt gennem mange millioner
af år i jorden, samtidig med at de kulstoffer som kommer ud ved afbrændingen af de fossile
brændsler kan muligvis give en ekstra effekt til drivhuseffekten, og dermed forøger verdens
temperaturen, det betyder at alle de steder med sne og is vil smelte til vand og flyde ud til havet.
Pessimisme mener, hvis alt is og sne på Grønland smelter, så vil vandstanden stige, hvilken
betyder at der vil være et hav af katastrofer såsom oversvømmelser. Det betyder at flere millioner
af mennesker mister deres, mennesker flygter fra det ene sted til det andet sted. Optimisme mener
at Grønland har været varmt før i tiden og verdenen har haft gennem tiderne både de varme
perioder og de kolde perioder og sådan vil verdenen forsætte med at forholde sig i fremtiden,
dermed har drivhuseffekten ikke noget med at jorden er blevet varmere. Desuden har vandstanden
været meget regulerende i løbet af flere hundrede tusinde år. Ud fra de forskellige undersøgelser,
så har jorden vandstanden været højere og lavere mange gange gennem tiderne. Kigger man
tilbage i tiden, så lå Danmark og Finland under isen for mange tusinde år tilbage og flere andre
steder i Skandinavien, da isen blev smeltet dannes der bl.a. Danmark og Finland dvs. at isen var
med til at danne flere kontinenter. Hvad mon kan Isen på Grønland være med til at skabe, flere
kontinenter eller øer?
Hvad det bringer ved man det ikke endnu, men katastroferne har man set en del af. Det er
uforudsigeligt, hvilket forhold menneskerne skal være i, når jorden er tilstrækkeligt opvarmet.
Umiddelbart, så er verdenen blevet en del varmere i løbet af 50 år (
3
ifølge bogen ”alverdens
geografi”, så er jorden blevet 0,7 grader varmere i løbet af 50 år), og vi ved ikke med sikkerheden
hvad der vil ske, når jorden er varmt nok og hvad det vil ske, når vandstanden når på det højeste
niveau. Vi må konstatere at de fossile brændsler har været med til at øge den globale opvarmning,
derfor skal der sættes en dæmning i forbruget af de fossile brændsler.
Det er derfor nødvendigt at vi skal finde andre løsningerne, der både kan give befolkningerne nok
energi samtidig med at være ”grønt”. Vi kan eventuelt ud over de naturlige energistrømme dvs.
vandkraft, vindenergi, bølgeenergi, bioenergi og solenergi, men kigge på kerneenergi.
Vandkraft: Vandmøller, som er meget kendt i mange år og teknikken anvendes stadigt i de fattige
lande mens i de moderne vandkraftværker såsom elturbiner anvendes i ilandene.
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
Vindenergi: Danmark er kendt som en af de førende lande inden for udviklingen og salg af
vindmøller. Vindmøller producerer elektricitet og er forureningsfri, men ulemperne er at
vindmøllerne kun virker, når vinden blæser.
Bølgeenergi: Man bygger bølgeenergianlæg ved kysterne, herfra udnytter man vandet fra havets
bevægelser, tidevandet og bølgerne, til at lede gennem turbiner deraf produceres strøm. Man kan
åbenlyst se at fordelen ved bølgeenergi er at man skal bo nær kysterne.
Bioenergi: udnyttelserne ved at afbrænde fx træer, gødning, affald fra
landbrugsproduktionen(halm) og noget ikke til at handel med, idet man får energien i formen af
varme ud af det. Ulemper ved at afbrænde træer er at kan medføre katastrofer i nogle steder fx
ved bjergområder, pga. manglende på træer til at optage nedbør, dette medfører at vandet vil
erodere i overfladejorden og transportere muddermængder da der mangler rødder til at optage
vand.
Solenergi: princippet er at udnytte solenergi til rumopvarmningen, opvarmningen af brugsvand og
elektriciteten. Ulemper er indlysende. Vi får kun energi når solen skinner.
Energienhed
Joule
J
Kilowattime
kWh
Terawattår
TWy
Tons
olieækvivalent
/ toe
Elektronvolt
eV
1 J
1
2,78 · 10
-7
3,17 · 10
-20
2,4 · 10
-11
-
1 kWh
3,6 · 10
6
1
1,14 · 10
-13
8,6 · 10
-5
-
1 TWy
3,16 · 10
19
8,77 · 10
12
1
7,5 · 10
8
-
1 toe
4,2 · 10
10
1,17 · 10
4
1,33 · 10
-9
1
-
1 eV
-
-
-
-
1
Bilag 2
Energikilde
Aktuel udnyttelse omkring
År 2000 (Gtoe/år)
Maksimal realistisk udnyttelse
omkring år 2020 (Gtoe/år)
Direkte opfangning af
solenergi
0,02
0,36
Vindenergi
0,006
0,2
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
Bølgeenergi
Forsvindende
0,05
Vandkraft
0,6
0,9
Bioenergi
1,2
1,6
Tabellen er fra fusionsenergi – et billede af hvor høj grad vi udnytter de naturlige energistrømme og en vurdering af den
maksimale realistisk udnyttelse vi kan nå i år 2020.
Tabellen viser hvor høj verden har udnyttet de fem energikilder og hvordan udnyttelsen vil se ud i
fremtiden. Kigger vi på bilag 1, så vil de fem energikilder langt fra at dække verdens energibehov.
Kerneenergi: Fusion og fission
Fission: vha. atomkraftværker kan man spalte tunge atomkerner, dermed frigøres energien. Denne
energiform har man kunnet udnyttet i de sidste 50 år.
Problemer med fissionsprocessen er at kraftværket nedsmelter, når processen løber løbsk og
affaldsstoffer er farlige radioaktive strålinger. Fx i Tjernobyl, natten mellem d.25 og 26. april.
Reaktorer var ved at afprøve nye turbiner. Ulykken skete da vicechef, Anatoli Dyatlov, krævede at
reaktorer skulle køre på den maksimale speed, på trods af at han var blevet advaret af en række
eksperter. Kort efter udførelsen var kernen i reaktoren ud af kontrol, derefter smeltede kernen
sammen, medførte at alle mennesker i en omkreds af 30 km blev evakueret og dermed svævede
en sky af farlige radioaktive partikler hen mod norden. Ulykken Tjernobyl medfører store
konsekvenser til atomkraft. Mange mennesker både dengang lige efter Tjernobyl ulykken og i dag,
har negative holdninger til atomkraft. Mange mener at atomkraftværker skal forbydes, og en del
synes at Barsebäck i Sverige skal lukkes.
Fig 3 billeder er fra ”Indyamedia Danmark”
Fusion: fusionsprocessen er den modsatte proces i forhold til fissionsprocessen. Det er den
tilsvarende proces i Solen. Lette atomkerner smelter sammen til et tungere atom samtidig med at
der frigøres en stor mængde energi. Til forskel fra fissionsprocessen er, hvis fusionsprocessen
løber løbsk, så stopper det, fordi temperaturen falder. Det største problem er nok at få processen
til at forløbe, da den kræver en uhyrlig høj temperatur og tæthed.
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
Med denne befolkningsvækst og befolknings energiforbrug, så vil kernekraft være en af de mest
effektive energikilder i fremtiden, da den ikke forurener naturen desuden leverer den en stor
mængde energi og ressourcerne har vi rigeligt meget af.
Historie
Det starter med den russiske kemiker, Dmitrij Ivanovitj Mendelejev, som udvikler det periodiske
system. I 1911 udgiver den engelske, Ernest Rutherfords (1871 – 1937), sin atom-model, den
fortæller om massen og den positive elektricitet koncentreret i atomets kerne og omkring kernen
bevæger elektronerne sig.
4
bilag 4
Straks efter udgiver Niels Bohr sin atommodel, som baseret på Ernest Rutherfords atommodel.
Bohrs atommodel bygger på to påstande 1. Stationære tilstand, dvs. på hver stationær tilstand har
et atom en bestemt energi og 2. Frekvensbetingelsen, dvs. ved overgange mellem to stationære
tilstande kan atomet optage eller udsende en foton med
energien.
Først omkring 1930 kommer frem til at atomkernerne
består af to byggestene neutroner og protoner, tilsammen
kaldes de nukleoner. De er bundet sammen af
kernekræfter og ved hjælp af Einsteins formel for
ækvivalensen mellem energi og massen:
kan
man regne massen af grundstoffer og bindingsenergi,
dvs. den energi der binder dem sammen.
1
bilag 5
Billedet er fra Ernest Rutherford –
kernefysikkens grundlægger
Figuren viser
Bindingsenergi pr.
nukleon for de stabile
atomkerner samt for
tritium.
1
”fra
fusionsenergi”
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
I bilag 5 viser den gennemsnitlige bindingsenergi pr. nukleon afhænger af nukleontallet A og den
maksimale størrelse ligger omkring A = 50. Dermed er der to muligheder for at frigøre energien.
Fissionsprocessen eller fusionsprocessen.
Ud fra tabellen kan man aflæse at
har en bindingsenergi pr. nukleon på omkring 7,8 MeV.
Vha. Einsteins teori E = m x c
2
, kan man beregne frem til hvor meget bindingsenergien pr. nukleon.
= ((
= ( ) - ))
Fission:
fig. 6 ”billedet er fra ”Nuclear Energy”
Denne proces kaldes for fission. Billedet viser at for at spalte fx
, så skal man tilføre en
neutron i processen.
1
Man kan ved hjælp af Einsteins teori finde frem til for meget energi der frigøres i en proces.
1,6u + 235,0439299u =
= 88,91763u + 143,922953u + 3 x 1,6u = 235,867u
tabet = - 235,867u = 0,u
=
J pr. proces
Fusion:
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
fig. 7 fra ”Nuclear Energy”
Fusionsproces er ved at smelte lette atomkerner til en tung atomkerne. Der er en del muligheder i
fusionsprocesser, men de vigtigste processer er: Dette 5 processer er fra
6
1.
- Antændes ved ca. 0
o
C
2.
- Antændes ved ca. 00
o
C
3.
4. D +
3
He
- Processen danner ikke neutroner, dette betyder at radioaktive materiale vil være
væsentligt mindre
5.
4
He
- Denne proces foregår i vores sol
Processer som ligner den proces som foregår i solen vil være umuligt at opnå, hvilke betyder at
processer D + D anses som uopnåelig. Hvorimod processen
vil være meget interessant,
da den ikke danner radioaktie materiale samtidig med at processen giver en væsentlig stor
energimængde. Men problemet er at
3
He findes på Månen.
Fig. Viser processen som man regner med at starte med at benytte
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
= 2,8u + 3,8u = 5,6u
= 4,4u + 1,6u = 5,u
= 5,6u - 5,u = 0,6u
= 0,6u x 931,494043 MeV
= 17,6 MeV x
=
pr. proces
Nutidens problematik
Land
Gennemsnitsforbrug
pr. person i W
Land
Gennemsnitsforbrug
pr. person i W
USA
11.200
Tidl. Sovjetunionen
4.000
Japan
5.700
Kina
990
Danmark
5.100
Indien
170
Hele Europa
4.800
verdensgennemsnit
2.100
Det gennemsnitlige energiforbrug pr. person i 1995 i forskellige lande. Tabellen er fra ”FUSIONSENERGI”
Det store problem i dag er som tidligere nævn, at menneskerne i ulandene er blevet rigere. Mange
af dem forventes at have det samme energiforbrug som i Vesten. Da man udmærket ved at Kina
og Indien er de lande, der har udviklet sig uhyrlig meget inden for det sidste og tilsammen er deres
befolkning nået til ca. ½ del af klodens befolkning. Problemet er indlysende, når det går godt for et
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
land, så stiger levestandard samtidig med at energiforbruget stiger. Hvad vil der ske, hvis
udviklingen forsætter med at stige dramatisk? Fordelen ved udviklingen er at landet formindskes
fattigdommen, men ulemper vil selvfølgelig være det modsatte. Den gennemsnitlige befolknings
energiforbrug vil stige, i det følgende vil kapitalisterne sætte farten op på udviklingen. Frabrikkerne
sætter på fuldtryk, og konsekvenserne vil være at man øger drivhuseffekten. Efter at der ikke har
fået nogen aftaler ud af COP 15, så vil der ikke være nogen form for kontrol mht. udviklingen. Man
kan konkludere at hvis Kinas og Indiens befolknings gennemsnitsforbrug inden for ikke mange år
når stiger til omkring 5000 W pr. person uden at de tager hensyn til miljøet, så vil konsekvenserne
ikke til at forudsige. Tabeller viser at verden ikke har så meget brændstof til rådighed, derfor er det
nødvendigt at forbruge de fornuftigt.
1
Tabeller er fra ”fusionsenergi”
Energikilde
Andel af det
globale
energiforbrug
Kul
Råolie
Naturgas
Atomkraft
(fission)
Vandkraft
Biomasse
(mest træ)
Sol, vind,
bølger m.v.
34 %
23 %
20 %
5 %
6 %
12 %
under 1%
Brændstof
Kendte og tilgængelige
energireserver, målt i det
antal år, de kan dække Jordens
nuværende forbrug
Kul
Råolie
Naturgas
Uran
Deuterium
270
40-50
60-70
40-50
(i nuværende reaktortyper)
(i formeringsreaktorer)
Mere end 1 mia.
(i fusionsreaktorer)
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
Kernekraftværkers virkemåder
Fission:
Opbygningen af trykvandsreaktor
Trykvandsreaktorer indeholder en afskærmning til at beskytte omgivelserne mod radioaktiv stråling
fra reaktoren. Brændselselementerne fx
ligger i reaktorkernen. Kontrolstave består af et stof,
der absorberer neutroner, ved at skyde op og ned kan man styre kædereaktionen. Kølemidlet(let
vand) sørger for at transportere varmeenergien væk fra brændselselementerne til dampgenerator.
Neutronreflektor sørger for at formindske antallet neutroner som forsvinder ud af reaktorkernen.
Fusion:
Fig. Det skematiske oversigt over en fusionsreaktor. Denne form for fusionskraftværker er en
mulighed, som eventuelt bliver til virkeligheden i fremtiden. Man regner med at det først bliver
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
anvendt om ca. 30 – 40 år. fig. Viser ca. 80% af den kinetiskenergi kommer fra den hurtige
neutron, der dannes ved D +T reaktioner og den resterende energi kommer fra den kinetiske
energi fra helium-partikler. Når neutroner har afgivet energien til at opvarme dampgenerator
reagerer de med litium i litiumkappen, så dannes processerne tritium og helium. Tritium sendes
tilbage i plasma som plasmabrændsel.
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
Konklusion:
Jeg kan konkludere at kerneenergi vil være de mest effektive energikilder i fremtiden, da
den ikke skader naturen samtidig med at der frigøres en masse energi ud af processen.
Problemet i øjeblikket er nærmest at få store opbakninger i processer. Hvis det lykkes i
fremtiden at udnytte andre processer end D + T, så verdenens energi være uudtømmelig.
Hvis det lykkedes, så vil menneskerne ikke være bekymret over energiforbruget, på den
anden side, så vil verden ikke bekæmpe hinanden pga. de fossile brændsler.
Fusionsforsøg på jorden
- E = m
- m er masseenergi i hvile, og hvis den går i bevægelse er dens samlede energi lig med
masseenergi og den kinetiske energi
- for at splitte kernen ad, så skal vi tilføre energi til kernen,
, bindingsenergi
-
Fusi
http://www.laesoeskole.dk/Atomkraft/Atomkraft.htm#links
http://www.ooa.dk/interna/inter.htm
http://ing.dk/artikel/105300-frankrig-satser-milliarder-paa-naeste-generation-a-kraft
http://www.dr.dk/Nyheder/Temaer/Oevrige_temaer/2006/Tjernobyl20/artikler/13261
9.htm
http://www.dfi.dk/nyheder/filmupdate/2009/radioaktive-kroppe---dox-tema.aspx
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
(side 16 i fusionsenergi)
(jordens befolkning side 9)
1 -Fusionsenergi
2- fysikbogen – [navn fjernet]
3- Alverdens geografi
4 -Ernest Rutherford – kernefysikkens grundlægger
5 – energi der aldrig slipper op
6 – atomkraft og elproduktion
7-kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
Kilder:
- Fusionsenergi (på nettet under risoe.dk)
- Alverdens geografi (lærebog)
- Atomkraft og elproduktion
- Energi der aldrig slipper op (på nettet)
- Fysikbogen
- Eernest Rutherford
- Kernekraft og nuklear sikkerhed 2008
http://www.lmfk.dk/fysikforlaget/fusion/kap4.pdf
http://www.akraft.dk/fusion.htm#f4