Sönderfallsvärme

Sönderfallsvärme är den värme som frigörs till följd av radioaktivt sönderfall. Denna värme uppstår när instabila isotoper spontant sönderfaller under utsändande av alfa-, beta- eller gammastrålning, vilket får atomerna i omgivande material att röra på sig, vilket genererar värme.

Sönderfallsvärme uppstår naturligt från sönderfall av långlivade radioisotoper som har funnits i jorden sedan den bildades, samt från antropogent skapade radioisotoper i till exempel kärnreaktorer.

I en kärnreaktor fortsätter restvärme att genereras även efter att reaktorn har stängts av och kraftproduktionen har avbrutits. Sönderfallet av de kortlivade radioisotoperna, som till exempel jod-131 som skapas vid fission, fortsätter vid hög effekt under en tid efter avstängningen. Den huvudsakliga värmekällan i en nyligen avstängd reaktor beror på betasönderfall av radioaktiva grundämnen som nyligen producerats från fissionsfragment i fissionsprocessen.

Omedelbart efter att en reaktor stängts av är resteffekten från dessa fissionsprodukter cirka 6,5% av den tidigare härdeffekten. Ungefär en timme efter avstängningen kommer den att vara cirka 1,5%, efter en dag sjunker den till 0,4%, och efter en vecka kommer den att vara 0,2%. Efter denna inledande förhållandevis snabba minskning av resteffekt går det sedan betydligt långsammare, och använda bränslestavar måste tillbringa många månader i vattenfylld bassäng innan de kan transporteras och bearbetas vidare.

Om en nyligen avstängd reaktor förlorar sina kylsystem kommer resteffekten obetvingligt att öka bränslets temperatur och till slut orsaka en härdsmälta inom timmar eller dagar. De extrema temperaturerna kan leda till större eller mindre bränsleskador och även större eller mindre strukturella skador på reaktor och reaktorinneslutning. Kemiska reaktioner till exempel mellan kapslingsmaterial (zirconium) och kylmedel kan leda till vätgasexplosioner som kan orsaka ytterligare skador på reaktorn.

Naturlig förekomst

Naturligt förekommande sönderfallsvärme är ett betydande bidrag till jordens interna värmebudget. Radioaktiva isotoper av uran, torium och kalium är de främsta bidragsgivarna till denna sönderfallsvärme, och detta radioaktiva sönderfall är den primära värmekällan från vilken geotermisk energi härrör.

Sönderfallsvärme har betydelse i astrofysiska fenomen. Till exempel tros ljuskurvorna för typ Ia-supernovor allmänt drivas av uppvärmningen från radioaktiva produkter från sönderfallet av nickel och kobolt till järn (typ Ia-ljuskurva).

Reaktorer ur drift

I en typisk kärnklyvningsreaktion frigörs 187 MeV energi omedelbart i form av kinetisk energi från fissionsprodukterna, kinetisk energi från fissionsneutronerna, momentana gammastrålar eller gammastrålar från infångning av neutroner. Ytterligare 23 MeV energi frigörs någon gång efter fission från betasönderfallet av fissionsprodukter. Cirka 10 MeV av den energi som frigörs från betasönderfallet av fissionsprodukter är i form av neutriner, och eftersom neutriner växelverkar mycket svagt kommer dessa 10 MeV energi inte att deponeras i reaktorhärden. Detta resulterar i att 13 MeV (6,5% av den totala fissionsenergin) avsätts i reaktorhärden från fördröjt betasönderfall hos fissionsprodukter, någon gång efter att en given fissionsreaktion har inträffat. I ett stationärt tillstånd bidrar denna värme från fördröjd fissionsprodukters betasönderfall med 6,5% av reaktorns normala värmeproduktion.

När en kärnreaktor har stängts av och kärnklyvning inte sker i stor skala, kommer den huvudsakliga värmekällan att bero på det fördröjda betasönderfallet av dessa fissionsprodukter. Detta är orsaken till att resteffekten vid reaktorns avstängning att vara cirka 6,5% av den tidigare härdeffekten, om reaktorn har haft en lång och stabil effekthistorik. Ungefär en timme efter avstängning kommer resteffekten att vara cirka 1,5% av den tidigare kärneffekten. Efter en dag sjunker restvärmen till 0,4%, och efter en vecka kommer den bara att vara 0,2%. Storleken på sönderfallsvärmet kommer att fortsätta att minska långsamt över tid; sönderfallskurvan beror på proportionerna av de olika fissionsprodukterna i kärnan och på deras respektive halveringstider.

En approximation för sönderfallskurvan giltig från 10 sekunder till 100 dagar efter avstängning är

${\displaystyle {\frac {P(\tau )}{P_{0}}}=0.066\left(\left(\tau -\tau _{s}\right)^{-0.2}-\tau ^{-0.2}\right)}$

där ${\displaystyle \tau }$ är tiden sedan reaktorn startade, ${\displaystyle P(\tau )}$ är kraften vid den tidpunkten ${\displaystyle \tau }$, ${\displaystyle P_{0}}$ är reaktorns effekt före avstängning, och ${\displaystyle \tau _{s}}$ är tiden för reaktorns avstängning mätt från starttidpunkten (i sekunder), så att ${\displaystyle (\tau -\tau _{s})}$ är den tid som förflutit sedan avstängningen.

För en metod med en mer direkt fysikalisk grund använder vissa modeller det grundläggande konceptet radioaktivt sönderfall. Använt kärnbränsle innehåller ett stort antal olika isotoper som bidrar till sönderfallsvärme, vilka alla omfattas av den radioaktiva sönderfallslagen, så vissa modeller betraktar sönderfallsvärme som en summa av exponentialfunktioner med olika sönderfallskonstanter och initialt bidrag till värmehastigheten. En mer exakt modell skulle beakta effekterna av prekursorer, eftersom många isotoper följer flera steg i sin radioaktiva sönderfallskedja, och sönderfallet av dotterprodukter kommer att ha en större effekt längre efter avstängningen.

${\displaystyle {\frac {P}{P_{0}}}=\sum _{i=1}^{11}P_{i}e^{-\lambda t}.}$

Avlägsnandet av resteffekten är en betydande säkerhetsrisk för reaktorn, särskilt kort efter normal avstängning eller efter en olycka med kylmedelsförlust. Underlåtenhet att avlägsna restvärme kan leda till att reaktorkärnans temperatur stiger till farliga nivåer och har orsakat kärnkraftsolyckor, inklusive kärnkraftsolyckorna vid Three Mile Island och Fukushima I.

Bortförsel av värme sker genom flera olika kylsystem, som i sin tur lämnar av sin värme via värmeväxlare för att slutligen nå en slutlig värmesänka (UHS - Ultimate Heat Sink) som kan vara ett hav, en flod eller en stor sjö. På platser utan lämplig vattenmassa avleds värmen till luften genom att vattnet recirkuleras via ett kyltorn.

Använt bränsle

Efter ett år genererar typiskt använt kärnbränsle cirka 10 kW resteffekt per ton, vilket minskar till cirka 1 kW/t efter tio år. Därför krävs effektiv aktiv eller passiv kylning av använt kärnbränsle under ett antal år.

Se även

• Sönderfallsenergi
• Radioisotop termoelektrisk generator

Referenser

Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material från engelskspråkiga Wikipedia, Decay heat, 28 juni 2025.

Externa länkar

• DOE fundamentals handbook - Decay heat, Nuclear physics and reactor theory - volym 2 av 2, modul 4, sida 61
• Decay Heat Estimates for MNR, sidan 2.
• Spent Nuclear Fuel Explorer Java-applet som visar aktivitet och sönderfallsvärme som funktion av tid