År $1938$ lyckades den tyske kemisten Otto Hahn att klyva den sällsynta uranisotopen $_{\;92}^{235}{\text{U}}$ genom att skjuta långsamma neutroner mot urankärnan. Att långsamma neutroner med liten kinetisk energi kunde klyva en atomkärna, verkade helt otroligt. Han kontaktade $\sin$ medarbetare, den österrikiska fysikern Lise Meitner, och bad henne förklara fenomenet. På kort tid lyckades hon förklara uranfissionen teoretiskt. Hahn och Meitner skrev en rapport om upptäckten, som väckte uppseende bland fysiker världen över. Tyvärr fick Otto Hahn ensam nobelpriset för upptäckten, något som på senare år har blivit mycket omdebatterat.

Det mest uppseendeväckande var den stora energimängd som frigjordes vid fissionen. Om det dessutom frigjordes ytterligare neutroner vid klyvningen, så kunde de frigjorda neutronerna klyva ännu fler urankärnor, som i $\sin$ tur skulle sända ut neutroner, och så vidare. Då skulle det bli en kedjereaktion. Om så var fallet, så kunde uranfissionen frigöra enorma energimängder.

$11.18$ Lise Meitner $(1878-1968) v$ ar en österrikisk-svensk fysiker. Efter sina studier i Wien och Berlin arbetade hon tillsammans med tyske kemisten Otto Hahn. $1926-1933 v$ ar hon professor vid Berlins Universitet. Lise, som var av judisk börd, flydde $1938$ i all hast undan naziregimen till Sverige.

Svaret lät inte vänta på sig. När en långsam neutron tränger in i uran­kärnan, MATHUty $5$ olXh $0$ Z kan kärnan dela sig i två delar A och B som tillsammans har $92$ protoner. Samtidigt utsänds två eller tre neutroner. En kedjereaktion var möjlig. Se figur $11.19.$

Men för att kedjereaktionen verkligen ska äga rum måste uranstycket utgöra en kritisk massa. De frigjorda neutronerna går i genomsnitt ett stycke innan de klyver nästa kärna. Om uranstycket är för litet kommer de flesta neutronerna att passera ut ur stycket innan de har hunnit klyva en urankärna. Kritisk massa för ett sfäriskt stycke MATHwPK $1k$ frn $4$ M är $15 k$ g. Med samma densitet som guld blir det mindre än en liter.

$11.19$ En kedjereaktion. En neutron träffar en urankärna. Urankärnan klyvs, och det frigörs tre neutroner. Dessa neutroner träffar andra urankärnor, och det uppstår en kedjereaktion.

$11.20$ Fission av en urankärna. När en neutron tränger in i en urankärna, delar kärnan sig i två delar A och B som tillsammans har $142$ eller $141$ neutroner. De två delarna kan till exempel vara en bariumkärna och en kryptonkärna. Samtidigt utsänds två eller tre neutroner.

Fissionsenergin kan utnyttjas i reaktorer. En fissionsreaktor innehåller en mängd bränsleelement som är uppbyggda av stavar av urandioxid, UO $_{2}.$ Se figur $11.21.$ Bränsleelementen är omgivna av ett flertal barriärer för att öka säkerheten mot omgivningen. Genom att använda långsamma neutroner blir klyvningen av bränslet effektivare. Därför måste neutronerna som är mycket snabba bromsas upp. Det bästa sättet att bromsa neutronerna är att låta dem kollidera med en annan partikel med samma massa. Sådana partiklar finns i vätekärnorna i vanligt vatten. Vi säger att vattnet fungerar som moderator. För att hålla kedjereaktionen på en konstant nivå finns så kallade styrstavar som absorberar neutroner. Genom att dra ur eller skjuta in styrstavarna kan man styra processen. I en kokarreaktor, som är den vanligaste typen i Sverige, låter man värmen från bränslet förånga en del av moderatorvattnet. Ångan driver sedan en ångturbin som i $\sin$ tur driver en elektrisk generator.

Det är stora mängder energi som frigörs vid kärnreaktioner. Fission av ett gram uran ger ungefär $10^{11}$ J. Det är lika mycket energi som när tre ton olja förbränns, eller när $100 000$ ton vatten faller $100$ meter. Kärnkraftverken svarar för mer än $17$ % av världsproduktionen av elektrisk energi men i Norden är det bara Sverige och Finland som har kärnkraftverk. Ända sedan vi började använda kärnreaktorer i Sverige har debatten varit livlig om och när kärnkraften ska avvecklas.

$11.21$ Kärnreaktorer, schematiskt.

I en energihungrande värld är kärnenergi ett lockande alternativ. Kärnenergi ger ungefär samma energipris som olja, gas och kol. Men kärnenergin förorenar inte luften, som fossilt bränsle gör. Luft­föroreningarna från kol och olja sprids i atmosfären och medför att tusentals människor dör varje år och bidrar till växthuseffekten. Men kärnkraftverken ger radioaktivt avfall. Som du vet kan joniserande strålning vara hälsovådlig. Strålningen från förbrukade element varar i tusentals år. Hur kan de lagras på ett säkert sätt, både mot läckage och mot terrorister? Det säkraste sättet är förmodligen att lagra avfallet i geologiskt stabila bergformationer långt ner i jorden. Men är det tillräckligt säkert?

$11.22$ Säkring av reaktorer. Västliga reaktorer innehåller en rad oberoende inkapslingar av reaktorn. Vad som än går fel, får radioaktiviteten inte läcka ut i omgivningen. Ändå kan mänskliga misstag och en rad mindre missöden samverka och leda till en större olycka.

$11.23$ Flygfoto av resterna av reaktorn och reaktorbyggnaden i Tjernobyl. Bilden är tagen i maj $1986.$

$11.24$ Datorsimulerad bild som visar spridningen av radioaktivitet på norra halvklotet tio dagar efter olyckan i Tjernobyl. Simuleringen visar att radioaktivitet i de övre luftlagren spreds över Mellanöstern och Asien medan radioaktivitet i de lägre luftlagren spreds över Skandinavien.

Att ta risker

Alla komplicerade system medför risker. Båtar, flyg, bilar och broar. Städer. Riskanalys ska tala om för oss hur stor risken är vid olika missöden eller olyckor. I moderna kraftverk är olyckor så sällsynta att de inte gett mycket erfarenhet. Därför spelar datasimulering en stor roll. Risken för en olycka är aldrig lika med noll. Vad är en acceptabel risknivå, och hur mycket är vi villiga att betala för att hålla den nivån?

Skulle terrorist $-$ eller bombangrepp på ett av världens kärnkraftverk kunna skapa en värre situation än den i Fukushima eller Tjernobyl? Det vet vi inte. Historien har visat oss att fred och stabilitet inte är något varaktigt. Är vinsten värd riskerna?

Den $16$ juli $1945$ provsprängdes den första fissionsbomben i närheten av Los Alamos i New Mexico i USA. Den $6$ augusti $1945$ släpptes en fissionsbomb över den japanska staden Hiroshima. Tre dagar senare släpptes en fissionsbomb över staden Nagasaki. Totalt dödades $100 000$ människor och $110 000$ blev svårt skadade i de två städerna. $14$ augusti kapitulerade Japan, och det andra världskriget var över.

Bomberna var resultatet av ett intensivt forskningsarbete av fysiker och ingenjörer i USA, lett av fysikern Robert Oppenheimer. Initiativet till projektet togs av Einstein och andra fysiker som hade flytt från Tyskland. De fruktade att Tyskland kunde bli först med det fruktansvärda vapnet. Senare visade det sig att Tyskland inte hade något motsvarande projekt.

Utvecklingen av vapen reser allvarliga etiska frågor. Hur kan det komma sig att intelligenta och trevliga fysiker vill utveckla mass­förstörelsevapen? Vissa forskare säger att det är deras bidrag till fred: Med sådana vapen har inte stormakterna råd att föra krig, och vi får en fred baserad på terrorbalans. Andra forskare säger att de söker efter ny kunskap. Det är upp till politikerna att bestämma vad forskningen ska användas till.

När vi ser oss omkring i världen, ser vi att konventionella vapen dödar tusentals människor varje år. Skickliga vapenforskare har konstruerat minor som ska lemlästa människor som trampar på dem. Vapen som dessa drabbar civilbefolkningen och ödelägger närings­underlaget i stora områden. Bör en ingenjör på ett sprängämnes­företag sluta när han får veta att sprängmedlet används i minor? Svaret är inte givet, men det är vår skyldighet att engagera oss. Fredspristagaren Elie Wiesel har sagt: Motsatsen till godhet är inte ondska, utan likgiltighet. Ungefär hälften av världens forsknings­resurser kommer från försvarsbudgetar. Det betyder inte att hälften av forskningen är inriktad mot vapenutveckling. En stor del av resurserna används till "fredlig" forskning, till exempel till laserteknik eller flygteknik. Men mycket av forskningen kan användas för militära ändamål. Är då alla militära ändamål etiskt förkastliga? Det finns många som hävdar att de är det. Å andra sidan: Om det bara är skurkarna i världen som bedriver militär forskning, blir ju vi andra värnlösa offer för andra nationers övermakt.

Också i vårt dagliga liv möter vi etiska utmaningar, ofta i form av konflikter mellan det som är bäst för oss själva och det som är bäst för andra. Vad är miljövänligt val i affären eller miljövänligt val av livsstil? Om miljövänliga val är etiskt riktiga val, väljer du alltid etiskt riktigt?

$11.25$ Minexpert i Bosnien.