Statoils Realfagspris Rebekka Frøystad, Lea Sjurine Starck og Simon Stava

Transkript

1 Statoils Realfagspris 2013 Rebekka Frøystad, Lea Sjurine Starck og Simon Stava Februar 2013

2 1 Den største testen av menneskets samvittighet, vil være villigheten til å ofre noe for fremtidige generasjoner, hvis takk ikke vil bli hørt. Gaylord Nelson, grunnlegger av Earth Day.

3 2 Innhold Oppgave 1 a) Klimautslipp dersom hele Norges kraftproduksjon ble produsert ved hjelp av kull...3 b) Hvor og hva er verdens største kullforbruk?...4 c) Klimagassutslipp ved vannkraft og naturgass...4 Oppgave 2 a) En balansert ligning for omdannelse av sukker til etanol...6 b) Hvor effektivt er egentlig forbrenning av etanol?...6 c) Hvor mye sukkertare må dyrkes for å erstatte Norges drivstofforbruk?...8 d) Hvor stort areal trengs for å dekke Norges drivstofforbruk?...8 Oppgave 3 a) Hvorfor er ikke fusjonsteknologien på plass ennå?...10 b) Protonprotonsyklusen...12 c) Hva går den frigjorte energien til?...13 d) Beregn den frigjorte energien i protonprotonsyklusen...14 e) Finn den ukjente partikkelen...15 Oppgave 4 a) Argumenter for og mot kjernekraft...16 b) Hvilken energi bør Japan satse på?...17 c) Hvordan kan Japan legge om elektrisitetsproduksjonen, og samtidig redusere klimagassutslipp?...17 Kilder Oppgave Oppgave Oppgave Oppgave Oppgave

4 3 Oppgave 1 a) Klimautslipp dersom hele Norges kraftproduksjon ble produsert ved hjelp av kull. Klimautslippene fra kullkraftverk består stort sett av CO 2. De få prosentene med andre klimagasser blir filtrert bort eller fanget opp i kraftverket. Derfor har vi valgt å kun ta for oss CO 2 utslippene i denne oppgaven. Vi har grunnet oppgavebesvarelsen på kullsorter som ble gjort rede for i Journal of the Air & Waste Management Association. [1] Utregningene er basert på de kullsortene det er gjort flest forsøk med i rapporten. Dette var høyvolatilt bitument kull fra Vest-Virginia og lignitt (brunkull) fra Nord Dakota. For hver av kullsortene har vi også valgt de verdiene som gir størst CO 2 utslipp. i) Beregninger for bitument kull Kullet gir 219 lbs CO 2/MMBtu Noen konstanter: 1lbs (pound) = 0, kg 1MMBtu = 10! 0, kWh 1 TWh = kwh Finner kg CO 2 per kwh 219lbs CO 2 MMBtu 0, , = 0, kg CO2/kWh For 129 TWh, som er Norges totale kraftproduksjon, vil det slippes ut: kg/kwh kwh = 4, kg Utregning 1.1 Ved forbrenning av bitument kull som tilsvarer 129 TWh vil man altså få et CO 2 -utslipp på om lag 43,7 millioner tonn.

5 4 ii) Beregninger for brunkull Kullet gir 237,2 lbs CO 2/MMBtu Noen konstanter: 1lbs (pound) = 0, kg 1MMBtu = 10! 0, kWh 1 TWh = kwh Finner kg CO 2 per kwh 237,2lbs CO 2 MMBtu 0, , For Norges totale kraftproduksjon vil dette tilsvare: = 0, kg CO2/kWh kg/kwh kg kwh = kg Utregning 1.2 Ved forbrenning av brunkull som tilsvarer hele Norges kraftproduksjon, får man et utslipp på om lag 47,4 millioner tonn CO 2. b) Hvor og hva er verdens største kullforbruk? Kina og USA er de to landene som har størst kullforbruk i verden [2]. Kinas kullforbruk var i 2011 på 3 471,7 millioner tonn, mens USA brukte 910,0 millioner tonn kull. Samlet var kullforbruket i disse to landene 4 381,6 millioner tonn. Når man forbrenner kull vil massen av det produserte CO 2 -et være omtrent dobbelt så stor som massen til kullet. Årsaken til at man får så mye CO 2 er at karbonatomene binder seg til oksygen i luften. Dermed blir massen til CO 2 -et som slippes ut større enn massen til kullet man hadde i utgangspunktet. Det betyr at de sammenfattete CO 2 utslippene fra USA og Kina var på 8 931,3 millioner tonn i c) Klimagassutslipp ved vannkraft og naturgass Verdens menneskeskapte CO 2 -utslipp i 2010 var på omtrent millioner tonn [3]. Dersom hele USA og Kinas kullbaserte kraftproduksjon kom fra vannkraft ville CO 2 -utslippene fra USA og Kina blitt redusert med 89 31,3 millioner tonn CO 2. Vi ser da bort fra CO 2 -utslippene ved utbygning, vedlikehold og drift av vannkraftverk. Det ville ført til at verdens totale klimagassutslipp ville blitt redusert med 8931,3 millioner tonn CO 2. Dette tilsvarer omtrent 27% av verdens CO 2 -utslipp. Verdens totale menneskeskapte CO 2 -utslipp er omtrent 60% av de totale klimautslippene. [4] Det betyr at USAs og Kinas CO 2 -utslipp fra kullkraftverk tilsvarer ca. 16,2% av verdens totale menneskeskapte klimautslipp. Med andre ord ville verdens totale klimagassutslipp være på 83,8% av det den opprinnelig er om all energien som blir produsert av kullkraft i Kina og USA ville blitt produsert av vannkraft. (Se figur 1.1)

6 5 Verdens totale klimautslipp Resten av verdens klimautslipp 40 % Verdens totale CO 2 - utslipp 60 % Verdens totale CO 2 - uslipp 73% 27 % CO 2 - utslipp fra USAs og Kinas kullforbruk. Figur 1.1 Beregninger for CO 2 - utslipp ved naturgass. Finner hvor mye utslipp vi får av mengden naturgass vi trenger for å dekke energien som blir generert av 8931,3 millioner tonn kull: Forhold mellom energi generert av 1kg kull og 1kg naturgass: [5] kwh kg naturgass kwh kg kull = 14,00 6,814 = 0, , 3 0,4857 = 1137,16941 Vi trenger 1137,16941 Millioner tonn naturgass. Vi får 2,34 kg CO 2 per kg naturgass (5] 1137, ,34 = 2, [5] kg CO 2 Forhold mellom CO 2 utslipp fra kullkraft og CO 2 utslipp fra naturgass med tilsvarende energi: 2, , Utregning = 0, % Dersom USA og Kina hadde erstattet energien de får fra kullkraft med naturgass, ville utslippene blitt 47% av det de er i dag. Siden alle disse tallene er svært store og forholdsvis usikre, kan vi si at Verdens totale CO 2 -utslipp ville sunket med omtrent 8,1% (50% av 16,2%).

7 6 Oppgave 2 a) En balansert likning for omdannelse av sukker til etanol. [1] C 6 H 12 O 6 (aq) 2 CH 3 CH 2 OH (aq) + CO 2 (g) Det må være seks oksygenatomer på høyre side for at likningen skal bli balansert. Det er allerede to i etanolmolekylene, og to i karbondioksid-molekylet. Da mangler vi to atomer. Siden det skal være to etanolmolekyler er det stoffmengden karbondioksid vi må øke. Vi trenger dobbelt så mye karbondioksid som vi har for å øke antall oksygenatomer i karbondioksid til fire. C 6 H (aq) 2 CH 3 CH 2 OH (aq) + 2 CO 2 (g) Nå ser vi at det er tolv hydrogenatomer, seks karbonatomer og seks oksygenatomer på hver side, og likningen er balansert. Den balanserte likningen for sukker som brytes ned til alkohol og karbondioksid er denne: C 6 H (aq) 2 CH 3 CH 2 OH (aq) + 2 CO 2 (g) b) Hvor effektiv er egentlig forbrenning av etanol? I følge US Department of Energy, vil forbrenningen av etanol og bensin ha verdiene nedenfor: [2] Energi frigitt ved forbrenning av drivstoff: Drivstoff Bruttoforbrenning Nettoforbrenning Bensin (vanlige typer) 125,000 BTU/gal 115,400 BTU/gal Etanol 84,600 BTU/gal 75,700 BTU/gal Tabell 2.1 Bruttoverdiene er hva vi maksimalt kan oppnå ved forbrenning. Nettoverdiene er hva som vil være et realistisk utbytte og vi har derfor har vi valgt å regne med disse verdiene. Rapporten oppgav ikke hvilke typer bensin departementet regner som vanlig. I USA har vanlig bensin oktantall på 87 og 89. Derfor regner vi med at det er disse bensintypene rapporten omhandler. [2]

8 7 Beregninger for bensin: Noen konstanter: 1 US gallon = liter 1 British Termal Unit = joule 115,400BTU 1055, US gallon 3, ,4451 Joule 3,78541 liter 32163,87263 Joule 1 liter Utregning 2.1 Beregninger for etanol: Noen konstanter: 1 US gallon = liter 1 British Termal Unit = joule 75,700BTU 1055, US gallon 3, ,72785 Joule 3,78541 liter 21098,83153 Joule 1 liter Utregning 2.2 Vi ser altså at vi på en liter drivstoff frigjør 32,2 kj ved forbrenning av vanlig bensin, mens 21,1 kj blir frigjort ved forbrenning av etanol. Vi finner forholdet mellom disse verdiene.!",!!"!",!!"!! Det blir frigjort omtrent to tredjedeler av energien ved forbrenning av etanol som ved forbrenning av bensin. I en forbrenningsmotor bruker vi energien som blir frigitt til å presse stemplene fremover, slik at motoren går i gang. Dette vil si at vi trenger mer etanol for å få samme effekten av drivstoffet, enn vi trenger bensin. 32,2 kj - 21,1 kj = 11,1 Man får 11,1 kj mer per liter ved forbrenning av bensin enn ved forbrenning av etanol, dette tilsvarer en tredel av hvor mye energi man får ved forbrenning av én liter bensin.

9 8 c) Hvor mye sukkertare må dyrkes for å erstatte Norges drivstofforbruk? Vi bruker drivstoff for å få drivakselen i en motor til å virke. Dette skjer ved at drivstoffet i sylinderen blandes med luft og denne blandingen antennes. [3] Det oppstår da en mengde små eksplosjoner som får stempelet i sylinderen til å bli presset utover i sylinderen sånn at drivakselen går rundt. Vanligvis brukes drivstoff basert på petroleumsindustrien til dette, bioetanol virker på samme måte. Bioetanol fremstilles ved fermentering av sukker og når dette brukes som drivstoffet, får vi både naturlige CO 2 -utslipp (som er en del av jordens kretsløp) og drivstoff fra en fornybar kilde. [4] Det forskes derfor på hvordan vi kan utnytte ressursene våre bedre og erstatte mer av de forurensende, ikke-fornybare drivstoffene med bioetanol. Det er også her at sukkertare kommer inn i bildet. Vanligvis utvinnes bioetanol av karbohydrater fra sukkerrør som dyrkes i Brasil og Europa. [5] Dette presenterer et etisk dilemma ettersom sukkerrør er en næringskilde for mennesker. Sukkertare brukes ikke som mat, og derfor fører den ingen slike dilemma med seg og organisasjoner som blant annet Statoil og SINTEF satser på forskning innen dette feltet. [6] Taren består av mellom 8-25% tørrstoff. [7] I dette tørrstoffet ligger karbohydratene. En viktig karbohydrat av disse er glukose, det er også den vi bruker til å fermentere til etanol. Karbohydratene utgjør 30-40% av tørrstoffet i taren. SINTEFs forsiktige estimater til hvor mye tare vi trenger baseres på antakelsen av at tørrstoffet utgjør 20% av den totale tørrvekten, og karbohydratene utgjør 30-40% av tørrstoffet. Vi trenger 245 millioner liter etanol for å dekke 5% av Norges omsatte drivstoff. Dette utgjør omtrent tonn karbohydrater, som vi får fra 5,2 7,0 millioner tonn tare i våtvekt. For å finne hvor mye våtvekt sukkertare vi trenger utfører vi dette regnestykket: 5,2 20 = 104 millioner tonn 7,0 20 = 140 millioner tonn For å dekke hele Norges forbruk av drivstoff vil mellom 104 millioner og 140 millioner tonn våtvekt sukkertare være en god antakelse av hva vi trenger. d) Hvor stort areal trengs for å dekke Norges drivstofforbruk? Norges havoverflate strekker seg over et areal på km². [8] I dag vokser tare over et område på km 2 [9]. Dersom vi vil unngå å overhøsting, kan vi ikke høste mer av denne enn vi gjør, og er derfor avhengige av å bygge anlegg hvor sukkertaren kan dyrkes. Et forsiktig, men realistisk estimat er at vi kan dyrke 75 tonn våtvekt tare per hektar. Dersom vi da trenger å høste mellom 104 og 140 millioner våtvekt tare utfører vi regnestykket på neste side for å finne arealet.

10 9 Beregninger for dyrkingsareal av sukkertaren: Noen konstanter: 1 hektar = m2 1 m2 = 1, km2 Areal med 104 millioner tonn sukkertare:!"#!!!!!!!"##!"!"## = , ,667 = 1, m2 1, m2 1, = ,66667 km2 Areal med 140 millioner tonn sukkertare:!"#!!!!!!!"##!"!"## = , ,667 = 1, m2 1, m2 1, = ,66667 km2 Utegning 2.3 Vi trenger altså mellom og km2 areal havoverflate for å kunne dyrke tare som dekker hele Norges behov for drivstoff. Det er viktig å huske på at Norges tareskog allerede dekker rundt km2 av norskekysten, og at vi ikke kan høste mer av dem enn vi gjør i frykt for å forstyrre økosystemene. Selv om høsting av sukkertare har potensiale til å dekke mye mer av drivstofforbruket vårt enn den gjør, vil vi fortsatt være avhengig av andre ressurser til dette. Det er fordi det vil være umulig å lage anlegg for taredyrking som er så store over områder hvor sukkertaren faktisk kan vokse. Nedenfor (Figur 2.1) viser vi med kart hvor stort område vi trenger for å dyrke tare nok til å dekke Norges drivstofforbruk. Figur 2.1

11 10 Oppgave 3 a) Hvorfor er ikke fusjonsteknologien på plass ennå? Prosessen der to atomer med stor nukleonmasse danner tyngre atomer med lettere atomkjerner kalles fusjon. Det blir frigjort energi ved massesvinn. Fusjon skjer konstant i solen og andre stjerner, og frigjør enorme mengder energi. Trass i at massesvinnet er lite, blir energien som frigjøres stor på grunn av at det i solen skjer så mange som 100 billioner reaksjoner i sekundet. [1] Når vi beregner energien i en fusjonsreaksjon bruker vi Einsteins relativitetsteori (E = mc 2 ) der c står for lysets hastighet. Og lysets hastighet er høy (3, m/s). c er altså et stort tall. Figur 3.1 Viser hvordan energi frigjøres ved massesvinn når atomer med tunge nukleoner fusjonerer til tyngre atomer, men med lettere nukleoner. I utgangspunktet vil protoner frastøte hverandre på grunn av lik ladning. Men for at en fusjon skal kunne skje må protonene komme så nært hverandre at den sterke kjernekraften begynner å virke mellom dem. Dette kalles Coulombbarrieren og det trengs et enormt trykk for å bryte den. Ingen maskiner på jorden klarer å generere et så stort trykk. Derfor må man kompensere med ekstremt høye temperaturer. Temperaturer som er mange ganger høyere enn det man finner i solen. I solens kjerne kommer temperaturen opp i hele 15 millioner C. Men ved Max-Planck-Institut für Plasmaphysik [2] i München i Tyskland blir elektrisk ladd hydrogengass (plasma) varmet opp til over 100 millioner C. [3] Fusjon finner sted i plasma, den fjerde aggregattilstanden; etter tilstandene fast form, flytende form og gassform. Plasma oppstår når en gass blir varmet opp til høye temperaturer og ioniserer. Da blir partiklene i gassen elektrisk ladd. Tettheten til plasmaet som brukes i Tokamak-reaktoren er en milliondel av luften ved havnivå. Det gjør at plasmaet blir svært vanskelig å kontrollere. Det må holdes i sjakk med sterke magnetfelt. Så snart plasmaet kommer i kontakt med veggene i reaksjonskammeret kjøles den kraftig ned på grunn av alle urenhetene den tar opp. Da stanses fusjonsreaksjonene. Riktignok har man funnet ut at dersom man tilsetter nitrogen i plasmaet vil temperaturen øke. Men man forstår ikke hvorfor temperaturen øker. Dette understreker hvor lite man vet og hvor lite kunnskap man har til å utvikle fusjonsteknologien.

12 11 Ved å, i løpet av sekunder, varme opp hydrogenplasma til temperaturer mange ganger høyere enn i solen, kan man få hydrogenfusjon til å skje i laboratoriet. Men reaksjonene i fusjonsprosessen frigjør ikke nok energi til at den kan opprettholde seg selv. En konstant strøm av varme må tilføres utenfra. Forskere mener at man kan løse dette problemet ved å blant annet bygge større reaktorer. Hvis plasmavolumet økes, vil varmetapet bli mindre. På grunn av at man har forsket mye på fusjon, og likevel ikke har fått mange gode resultater har allmenheten begynt å miste interessen for fusjonsenergi som en alternativ energikilde. Likevel har Europa, Russland, USA, Kina, India, Japan og Sør-Korea gått sammen om å finansiere et større forskningssenter med en større fusjonsreaktor ved Marseille i Frankrike. Men allerede nå er det klart at prosjektet vil koste minst 30% mer enn først antatt. Anlegget vil koste rundt 5 milliarder Euro og kommer ikke til å stå klart før om cirka 10 år. Dersom vi er heldige vil forskningen bidra til at mye fusjonsteknologi er på plass til allment bruk i [4] Grunner til at fusjonsteknologien enda ikke er på plass er at teknologien er svært kompleks og krever mye ny kunnskap. Dessuten har man til nå hatt manglende vilje til å investere stort nok til at man kan opparbeide seg kunnskapen som trengs. Figur 3.2 En fusjonsreaktor ved Max-Planck Institutt for plasmafysikk.

13 12 b) Protonprotonsyklusen[5][6] Den viktigste energiproduksjonsprosessen i solen er protonprotonsyklusen. Det finnes tre forskjellige protonprotonsykluser. Her skal vi forklare den mest vanlige protonprotonsyklusen, kjedereaksjonen som skjer i 69% av tilfellene av protonprotonsyklusene i solen. Reaksjonene skjer i plasma, ionisert gass. En hydrogenkjerne er det samme som et proton. Derfor er det egentlig protoner som reagerer med hverandre. Derav navnet protonprotonsyklus. Syklusen er enklest å forklare ved hjelp av bilder og reaksjonsligninger. Vi forklarer modellen vi har tatt bilde av nedenfor. (Figur 3.3 og Figur 3.4) Figur 3.3 Protonprotonsyklusen!!𝐻 +!!𝐻!!𝐻! + 𝛽 + 𝜐! Først kolliderer to protoner og danner et deuteriumatom, et positron og et neutrino.!!𝐻 +!!𝐻!!𝐻𝑒 + 𝛾 Deuteriumet går videre og kolliderer med et proton og danner He4 og frigjør energi i form av gammastråling.!!𝐻 +!!𝐻!!𝐻 + 𝛽! + 𝜐!!!𝐻 +!!𝐻!!𝐻𝑒 + 𝛾 For at neste steg i syklusen skal kunne finne sted, trenger vi to He3. Derfor Må prosessen som allerede er beskrevet skje en gang Zl.!!𝐻𝑒 +!!𝐻𝑒!!𝐻𝑒 +!!𝐻 +!!𝐻 De to He3 kolliderer og danner He4 og to proton. Figur 3.4 Forklaring av protonprotonsyklusen Vi ser nå at vi har brukt seks protoner til å danne ett He4, to protoner to positron, to neutrino og to enheter gammastråling. De andre partiklene som ble skapt i løpet av prosessen ble brukt videre og eksisterer altså ikke lenger. Underveis har det også blitt frigjort energi, som følge av massesvinn. Derfor kan vi skrive nettoproduksjonen per syklus slik: 6!!𝐻!!𝐻𝑒 + 2!!𝐻 + 2𝛽! + 2𝛾 + 2𝜐! + energi

14 13 c) Hva går den frigjorte energien til? Solens overflate har en temperatur på 6000 C. Enhver overflate med en slik temperatur vil gi fra seg lys og varme. Vi har sett at energien i solen blir frigjort som følge av massesvinn. Denne energien kan deles inn i to kategorier, nemlig den kinetiske energien til partiklene i solen og elektromagnetisk stråling. Fra energien blir frigjort i kjernen av solen og frem til den når ut til overflaten av solen tar det år. [7] Til sammenligning tar det åtte minutter for energien, i form av elektromagnetisk stråling, å nå fra solens overflate og til jorden. På vei ut av solen forhindrer energien at solen kollapser på grunn av sin egen masse. Partikler i solen blir satt i bevegelse og temperaturene blir opprettholdt som følge av den kinetiske energien til partiklene. Men noe av temperaturene i solen skyldes også det enorme trykket som er der, på grunn av stor masse. Den elektromagnetiske strålingen forsvinner ut i verdensrommet når energien passerer solens overflate. Grunnen til at universet ikke varmes opp er at det er vakuum. Med andre ord finnes det ikke partikler der som kan få tilført kinetisk energi. [8] Som nevnt forlater energien solen i form av elektromagnetisk stråling. Det er slik at jo varmere et objekt er dess høyere frekvens vil den elektromagnetiske strålingen fra objektet få. [8] Da solens overflate har en temperatur på omlag 6000 C sender den ut svært mye stråling som ligger innenfor det synlige spekteret, nær infrarød stråling. Dette gir lys på jorden. Men den sender også ut en del gamma- og røntgenstråling. Det meste av den ioniserende strålingen blir enten reflektert eller absorbert av atmosfæren rundt jorden, slik at den ikke når oss. Av de 340 Watt per kvadratmeter, som treffer atmosfæren, blir 29% reflektert ut i verdensrommet. [9] 23% blir absorbert i atmosfæren. Det betyr at landjorden i gjennomsnitt absorberer 168 Watt per kvadratmeter. Totalt blir terrawatt absorbert. Watt er definert som energienheten Joule per sekund. Gjennom drivhuseffekten fører energien fra solen også til varme på jorden. Enkelt forklart kan man si at drivhuseffekten består av energi som kommer inn fra solen, der mye blir reflektert eller absorbert av atmosfæren, men mye også når overflaten og enten absorberes eller reflekteres der. [10] Den reflekterte strålingen får lengre bølgelengde og blir gjerne reflektert fra atmosfæren og ned på jorden igjen. Noe av den langbølgede, infrarøde strålingen slipper imidlertid også ut i verdensrommet igjen. Denne prosessen gjør at temperaturen holdes jevn på jorden. På grunn av at jorden er formet som en kule vil energikonsentrasjonen per kvadratmeter være høyere ved ekvator enn ved polene. [9] Det medfører temperaturforskjeller, både i luften og i havet. Temperaturforskjellene fører til at vi får sirkulasjon både av luft og av vannet i verdenshavene slik at varmen blir bedre fordelt utover jorden. Disse kretsløpene har alt å bety for vær- og klimaforholdene på jorden. Fenomenene fordamping, kondensasjon, regnfall, vinder og havstrømninger, for å nevne noen, avhenger av denne sirkulasjonen. Vi ser altså at energien fra solen er med på å varme opp og å bevare solen, slik at den ikke kollapser. Mye energi forsvinner ut i verdensrommet, mens en liten del av solens energi gir lys og varme på jorden. Dette bidrar til at globale klimasystemer holdes i gang.

15 14 d) Beregn den frigjorte energien i protonprotonsyklusen. Vi har følgende reaksjonsligning:!!! 6! H! He + 2! H + 2β! + 2γ + 2υ! Tabell 3.1 Når vi skal beregne energien som blir frigjort tar vi hensyn til at: Positron (β! ) har samme masse som elektron. [11] Gammastrålingen (γ) er en del av energien som frigjøres. Gammastråling er jo elektromagnetisk stråling. [12] Det er fremdeles uvisst om det energirike nøytrinoet (υ! ) har masse. Derfor kan vi ikke ta med nøytrinoet i utregningene. Nøytrinoene vil altså blir regnet som en del av energien som frigjøres. [12] Utregning: [11][13] Finner massesvinn: Δm = m før - m etter Δm = 6m!! (m!!" + 2m!! + 2m! Δm = 0, u!! ) Gjør om til kg: 0, u 1, = 4, kg Bruker Einsteins formel: E r = m s c 2 E r = (4, kg)(3, m/s) 2 E r = 4, J Gjør om til ev: 2, J = 13,62 ev 13,61 ev 1J = = 6, ,18 10! ev 4, J 6, eV = 25,8MeV Utregning 3.1

16 15 e) Finn den ukjente partikkelen [13] Når vi gjennom nukleonbetraktninger skal finne ut hva den ukjente partikkelen er i en reaksjonsligning, bruker vi en bevaringslov som sier at nukleontallet må være det samme både før og etter reaksjonen. I følge definisjonen er et nukleon enten et proton eller et nøytron. A- indeksen står for nukleontallet. Vi bruker også en annen bevaringslov som sier at protontallet må være det samme før og etter at reaksjonen har funnet sted. Z- indeksen står for protontallet. (Se reaksjonsligningen nedenfor).!!!! Vi har reaksjonsligningen! H +! H! He +! X + 17,6MeV For A- indeksen gir dette ligningen: For Z- indeksen gir dette ligningen: 2+3 = 4+A A = = 2+Z Z = 0 Tabell 3.2 Vi vet altså at den ukjente partikkelen ikke har et proton. Men vi ser at der er ett nukleon. Altså må den ukjente partikkelen være et nøytron.!!!x =! n Det finnes også en bevaringslov som sier at den totale energien, før og etter en reaksjon, skal være bevart. Det betyr at vi må ta hensyn både til hvileenergien til partiklene og til energien som blir frigjort som følge av massesvinnet i reaksjonen. Ved å bruke Einsteins relativitetsteori (E = mc 2 ) starter vi med å beregne hvileenergien til alle kjente partikler i reaksjonsligningen. Vi bruker benevningen Joule. Vi finner ut at: [11] Hvileenergien til deuterium er 3, J Hvileenergien til tritium er 4, J Hvileenergien til He 4 er E = 5, J Tabell 3.3 Siden vi kjenner hvileenergien til de kjente partiklene regner vi ut at hvileenergien til den ukjente partikkelen er 1, J. 1eV = 1, J 17,6 MeV = 2, J Ved E = mc 2 finner vi at massen til den ukjente partikkelen er 1, kg. Vi gjør om til atommasseenheten og sammenligner med atommassene listet i Gyldendals formelsamling i fysikk. [11] I følge utregningene våre har den ukjente partikkelen en masse på 1,00868u. Nøytronet har massen 1,00866u. Vi ser at utregningen vår stemmer frem til den femte desimalen. Det er altså svært sannsynlig at den ukjente partikkelen er et nøytron, da vi ikke har funnet andre partikler med lignende masse. Dette stemmer også med det vi fant da vi skulle finne den ukjente partikkelen gjennom nukleonbetraktninger. Det var ved lignende utregninger at gruppen vår fant ut og gjorde dere oppmerksomme på at den frigjorte energien er 17,6 MeV.

17 16 Oppgave 4 a) Argumenter for og mot kjernekraft. I enhver diskusjon som handler om energiutbygging vil det bli diskutert hvor nyttig prosjektet vil være. Dette må bli diskutert med tanke på hvilke risikoer man tar og hvor mye man ønsker å investere i prosjektet. I en slik diskusjon er det vanskelig å skille mellom fakta og propaganda. Det er på grunn av at det er så mange forskjellige interesseorganer som blander seg inn i diskusjonen. [1][2] Miljøaktivister har lenge vært imot kjernekraftverk på grunn av at det ikke regnes som en bærekraftig energikilde. Dette er på grunn av det radioaktive avfallet som blir til overs ved en slik energiproduksjon. Det radioaktive materialet kan potensielt være farlig i flere tusen år. [3] Fremtidens generasjoner må altså ta seg av det farlige avfallet vårt. Selv om det finnes mye uran, er dette en ikke-fornybar ressurs, og er dermed begrenset. Dessuten er det mange som argumenterer med at miljøet ved utvinningsstedene til uranet og ved reaktorene blir forgiftet. Mange miljøaktivister har imidlertid skiftet mening fordi man gjerne prioriterer å stanse den globale oppvarmingen. En stor fordel med kjernekraftverkene er at CO 2 -utslippene er forholdsvis lave, sammenlignet med energien som blir produsert. [4] En annen klar fordel med kjernekraftverk er at de gir tilgang til mye forutsigbar energi. Det er grunn til å tro at kjernekraftverk kan stå for opp til 25% av fremtidens energiproduksjon. [5] I tillegg er kjernekraftteknologien tilgjengelig. Det betyr at den ikke nødvendigvis må bli utviklet før nye kjernekraftverk tas i bruk. Ulykker ved kjernekraftverk, som for eksempel ved Fukushima og Tsjernobyl, kaster en svart skygge over kjernekraftdebatten. Faren for ødeleggende bestråling er tilstede både for mennesker og naturen. Selv om det stilles høye krav til sikkerhet er det umulig å sikre seg fullstendig mot en eventuell katastrofe. Jo flere avfallsstasjoner og kjernekraftverk som blir bygget, jo større vil risikoen være for at det går galt et sted i verden. Når man ser på folkeopinionen er det en klar trend at interessen for kjernekraftverk synker kraftig etter en slik ulykke. I Japan, som ble sterkest berørt av Fukushimaulykken, førte dette til at man stengte reaktorer og ønsket å avskaffe kjernekraftverkene i løpet av 2030-tallet. [6] Man har imidlertid revurdert denne beslutningen i senere tid. Nå ønsker man kun å redusere den utstrakte kjernekraftverkbruken. Også Sveits og Tyskland begynt å vurdere nedbygging av kjernekraftverkene sine. Frankrike derimot er verdens største eksportør av kjerneenergi. [7] Siden 1970-tallet har man vært positiv til utbyggingen av kjernekraftverk, og i dag stammer 75% av den franskproduserte energien fra kjernekraftverk. Rundt 17% av energien stammer fra gjenvunnet brensel. På den måten får atomavfallet mindre volum og blir også mindre giftig. Det er ikke bare hendelige uhell som truer sikkerheten ved kjernereaktorer. Slike installasjoner vil nemlig være terrormål. Se for deg et radioaktivt 9/11. Dessuten kan det radioaktive avfallet, dersom det havner i feil hender, misbrukes. Bare ved Sellafield anlegget i England finnes det nok plutonium til å fabrikkere 4000 atombomber. [8] Dersom 1% av det radioaktive avfallet som blir lagret her skulle lekke ut ville strålingsnivået i Norge bli syv ganger høyere enn etter Tsjernobylulykken. Mer kunnskap om radioaktivitet kan altså misbrukes. I tillegg kommer de økonomiske betraktningene. Argumenterer i favør av kjernekraftverkene er at de tar liten plass og er billige og drive. Det kan være nyttig i utviklingsland der man gjerne ikke har råd til å kjøpe store mengder av gass eller olje. Men igjen må man tenke på sikkerhet. Det er langt billigere å fortsette å drive et kjernekraftverk enn å bygge et fullstendig nytt kraftverk. Det kan gå på sikkerheten løs når kjernekraftverket går mot slutten av levetiden sin. [9] Den første som bygger kan selge energien.

18 17 b) Hvilken energi bør Japan satse på? Etter ulykken i Fukushima gikk Japan ut og sa at de ville fjerne kjernekraftproduksjonen sin helt eller delvis. Det er en krevende oppgave å legge om energiproduksjonen, og diskusjonen raser om hvilke energikilder man skal bruke for å erstatte kjernekraftverkene. En rask og enkel løsning på problemet er å importere kull, olje og gass for å erstatte kjernekraften. Dette er en korttidsløsning som verken er gunstig økonomisk eller med tanke på utslipp. Likevel er det nødvendig å benytte seg av fossilt brennstoff for å gradvis kunne skifte ut kjernekraften. Men på lang sikt burde Japan satse på andre bærekraftige og varige løsninger. I og med at Japan har lang kystlinje, er energikilder fra havet et godt alternativ. Østkysten til Japan ligger i et svært beleilig område for bølgekraft, [10] spesielt i nord. Her har bølgene stor tetthet og mye energi. [11] Sør i Japan ved Koreastredet har man dessuten store muligheter for utnyttelse av tidevannskraft. [12] Dette skyldes en stor forskjell på flo og fjære og sterke havstrømmer mellom Stillehavet og Japanhavet. Problemet med disse energikildene er at det er svært vanskelig å vedlikeholde kraftverkene på grunn de konstante, kraftige bevegelsene i havet. Det finnes eksempler på at bølgekraftverk blir knust av bølger, som for eksempel i Øygarden, hvor man har prøvd å drive et bølgekraftverk, men hvor det endte med at hele kraftverket ble lagt i ruiner etter en storm. [13] Til tross for utfordringene som energiutvinning fra havet fører med seg, kan denne typen kraft være en del av løsningen for Japan. Men også solkraft, vindkraft og vannkraft kan være energikilder det er fornuftig for Japan å investere i. Selv om Japan allerede har en del energiproduksjon basert på disse energikildene vil energiproduksjonen kunne økes atskillig ved større satsing på utbygging og utvikling av denne typen kraftverk. En annen energikilde som Japan kan ta i betraktning, er fusjonsenergi. Teknologien for denne typen kraftverk er ikke på plass ennå. Det finnes flere årsaker til dette (se oppgave 3a). Men når denne teknologien etter hvert er utviklet er dette en type energi med mange fordeler. Slik vi ser det i dag er fusjonsteknologien ikke knyttet til store risikoer. Dessuten vil den være kilde til mye, forutsigbar energi. Siden Japan er en nasjon som er generelt gode på ny teknologi er et sannsynlig at dette er noe Japan vil investere i. c) Hvordan kan Japan legge om elektrisitetsproduksjonen, og samtidig redusere klimagassutslipp? Dersom Japan ønsker å redusere klimagassutslipp ved en omlegging av elektrisitetsproduksjon må de nye energikildene være fornybare. Selv om mesteparten av Japans klimagassutslipp kommer fra olje, kull og gass, og ikke fra kjernekraft, vil satsingen på fornybare energikilder som erstatning for kjernekraft også etterhvert kunne erstatte noe av kraftproduksjonen fra fossilt brensel. Med et langsiktig perspektiv kan man se for seg at ved satsing på utvikling av teknologi rettet mot fornybare energikilder, eksempler kan være kraft fra bølger, tidevann, vannkraft, eller solenergi, kan man utvinne så mye av disse energikildene at man etter hvert ikke bare kan erstatte kjernekraftverkene, men også minske forbruket av olje, kull og gass.

19 18 Kildeliste: Nedlastningsdato: Oppgave 1 [1] [2] [3] [4] [5] Oppgave 2 [1] - Table B4, Heat Content for Various Fuels [2] grades [3] skjer/64- statoils- realfagspris- for- videregaende- skole [4] videoer/biodrivstoff- produksjon- av- mat- eller- energi [5] [6] [7] rapport% pdf - side 17 (3.4.3) [8] st /6/2.html?id= [9] no Oppgave 3 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]Per Jerstad et al, Rom, stoff, tid Fysikk1. Oslo: Cappelens Forlag AS, 2007 [12]Kjartan Jh Olafsson, Førstemanuensis ved UiB [13]John Haugan et al, Gyldendals tabeller og former i fysikk Fysikk1 og Fysikk 2. Oslo: GyldendalNorsk Forlag AS, 2009

20 19 Oppgave 4 [1] news/latest/nuclear- power- pro- con [2] nuclear.org/info/inf04.html [3] england- cumbria [4] and- cons- of- nuclear- power- and- sustainability [5] pros- and- cons- of- nuclear- power- energy- is- there- room- for- compromise/?replytocom= [6] japan- nuclear- idusbre88d [7] [8] ikke- kvitt- atomavfallet html [9] power- phase- out- pros- and- cons [10] eng.com/articles/2012/10/opt- to- help- develop- japanese- wave- energy- plans.html [11] fra- havet/havet- som- energikilde/ressursgrunnlaget [12] er/1998/nou /24/6.html?id= [13] ved- toftestallen- pa- tide- a- rydda- opp/ Oppgave energies.com/energy- saving_ideas/tips/101tips.htm energy- electricity- consumption- per- capita Musikk: Musikken tilhører Metro Trains Melbourne, som la ut melodien vi har brukt til filmen på soundcloud.com til allment bruk. kitty- dumb- ways- to