Kategori: Fysik

Kategorier
Fysik The light side

Mina Grundämnen – Aluminium

Aluminium är idag en självklarhet i vardagen och ett relativt billigt material. Samtidigt är det inge länge sedan aluminium var mycket exklusivt. Napoleon III lät tillverka en för den tiden exklusiv servis i aluminium som på den tiden likställdes med guld och silver.

Samtidigt som aluminium är ett bra material i många sammanhang är det något problematiskt i andra. Aluminium är ofta poröst och därför inte lämpligt i vakuum-sammanhang. När jag jobbade med spektroskopi hade vi «kuber» i aluminium som hade eloxerats svarta, något som på pappret är bra för laser-spektroskopi, enda problemat var att färgen i eloxeringen fluoreserade när vi använde UV lasrar och detekterade i det synliga området. Lösningen var att få bort färgen, något som kan göras med natriumhydroxid, men det ta även en del aluminium. Så jag ägnade 3 dagar år att tvätta kuberna i lut för att få bort färgen utan att skada kuberna i onödan. Det fungerade, men kuberna måste gasas ut för att få bort vatten i porerna innan vi kunde få ner trycket i vakuum kammaren till rätt nivå.

Förutom tillverkning av delar i aluminium har jag inte studerat grundämnet med spektroskopi eller teoretiskt, men det är ändå ett av mina grundämnen.

Kategorier
Fysik Kärnenergi

Kärnenergi – talar tiden mot den?

Med målet att uppnå ett noll utsläppsmål för växthus gaser innan 2050, har en utbyggnad av kärnenergi sett som en möjlighet och något som ske. Här talar man då om en tre-dubbling (3x) av världen samlade kärnenergi kapacitet.
Frågan är om detta är möjligt. Det finns idag ungefär 440 kärnenergi reaktorer i drift, som står för cirka 9% av el-produktionen globalt. I dag är det Kina som bygger flest nya reaktorer och snabbast, medan Ryssland är den största exportören av reaktorer. I USA och Europa byggs få reaktorer och dessa karaktäriseras av förseningar och ökade kostnader.

En lösning som lyfts fram är små modulära reaktorer (SMR) som kan produceras med en löpande-band princip och därigenom få ner kostnaderna. Dessa kommer då produceras på ett fåtal platser och transporteras till uppkopplingspunkterna till el-nätet.

Det man inte får glömma i dagen situation med krig är att kärnenergi rektorer är möjliga mål, både för terrorister och fientliga makter. Även om det inte förekommit direkta attacker på reaktorerna i Zaporizhzhya har omgivande infrastruktur varit ett mål.

I diskussionen om kärnenergi handlar debatten mycket om att det skall byggas och att det finns både plats och finansiella resurser. Men, det som inte lyfts fram är det fakum att det behövs utbildad personal för att bygga och operera kärnenergiverk! Speciellt i de länder som inte har teknologin på ett praktiskt plan, forskningsreaktorer är inte samma som en kommersiell reaktor. I tillägg tillkommer personer inom statliga övervakningsmyndigheter och personer som skall utarbeta lagar och förordningar. Dessa måste även utbildas och undervisningspersoner måste finnas. Det är en hel ny industri som skall skapas och troligen flera tusen som skall utbildas.

Det är frågor som måste besvaras och inte minst måste en utbildningsstrategi tas fram i god tid, då det tar minst 5 år att utbilda en första kull (på hur många? 30? 100?).

Men även när det gäller SMR finns det frågor. I dag är SMRs «Vaporware» de existerar inte. Det finns många designer men ingen i drift. Det finns två ryska som har stora problem och relativt dåligt drifttid (<40% av tiden).
Här finns också en del påståenden som inte validerats, att de skulle vara mer ekonomiska, något som historien inte bekräftar där ju större en kraftverk är desto mer ekonomiskt när det gäller produktionen av el. Att NuScale gick i konkurs visar på att det finns problem.

Även om kärnenergi har en stor potential är den stora frågan mer av ekonomisk och resursmässing karaktär. Vi vet hur vi kan hantera och bränna högaktivt avfall både i teorin och med små mängder, men det kommer med en kostnad. I tillägg är nuvarande komersiell teknologi baserad på uran, en resurs som är begränsad och dyr att utvinna i de låga koncentrationer som finns i många möjliga resurser. Det kommer kosta mer energi än man kan få ut. Thorium är ett alternativ men kräver uran eller plutonium för att fungera fram till processen kan nå en break-even och bli själv-försörjande genom transmutation eller tills vi kan producera fissila kärnor från thorium med acceleratorer i stor mängd till låg kostnad.

Det som behövs är en helt öppen debatt och en ordentlig genomgång av förutsättningarna. Tyvärr prägas debatten alltför ofta av ofullständiga argument och försök att «äga» debatten och bestämma vad som är rätt. Av rapporter och debatt som jag sett, finner jag allför ofta att man inte tar med alla aspekter utan bara de som passar sin egen agenda. Det har blivit för polariserat.

Tiden är på väg att rinna ut både för kärnenergi och för att nå 1.5 graders målet….

Kategorier
Examen Fysik Lärande Undervisning

Kan ChatGPT få godkänt på en fysikexamen?

ChatGPT har sedan introduktionen skapat en debatt om dess potential för bruk i undervisning. Frågan är om den kan få godkänt på en fysik-examen. Jag visar att det är teoretiskt möjligt men inte praktiskt på en skriftlig examen. Dock erbjuder ChatGPT möjligheter att kunna användas som ett hjälpmedel i examenskonstruktion.

År 2022 lanserade OpenAI ChatGPT-3.5 (Generative Pre-Trained Transformer) vilket har väckt en intensiv debatt om dess potentiella påverkan på utbildning och examination både på gymnasial och universitetsnivå. Denna diskussion är särskilt motiverad med tanke på OpenAIs tekniska rapport om GPT-4 som visade att den presterare på samma nivå som de 10% bästa mänskliga examinanderna på en simulerad advokatexamen. OpenAI hävdar att GPT-4 har förmågan att lösa svåra problem med högre noggrannhet, tack vare dess breda allmänna kunskap och problemlösningsförmåga. Det finns redan artiklar som (Rudolph et al. 2023) har bidragit till den övergripande diskussionen genom att ge en tidig recension och rekommendationer till studenter, undervisare och universitet om lämpliga strategier för bruk av ChatGPT.

Det bör noteras att ChatGPT bygger på ett neuralt nätverk som genererar resultat baserat på sannolikheter från inmatad information, vilket ofta kallas för en «Large Language Model (LLG)». Det innebär att ChatGPT är främst inriktad mot textbaserade tillämpningar och inte har faktisk kognition bakom de producerade svaren; de är helt beroende av den information som den tränats på. Följaktligen kan ChatGPTs påverkan vara särskilt tydlig inom textbaserade vetenskaper där den fått uppläring. Däremot uppstår frågor om hur ChatGPT presterar inom ämnen som fysik, där förmågan att lösa problem värderas högt. Exempelvis kan man fråga sig om ChatGPT kan klara en fysikexamen på universitetsnivå. Detta är av intresse då fysik i huvudsak inte handlar om att ge textbaserade svar utan handlar mer om problemlösning och att applicera fysiska principer på ett matematiskt sätt. Det vill säga att en ren språkmodell inte borde ha möjlighet att producera resultat som är giltiga i ett fysikperspektiv. Dock kan den ha tränats på utarbetade lösningar och kan generera svar som är korrekta.

Det har i två nyliga studier (Xuan-Quy et al., 2023), för Vietnamiska Nationella High School examen, och i en fysikkurs (Kortemeyer, 2023), undersökts hur en AI som ChatGPT klarar dessa. Båda visade att det var fullt möjligt.

Det är viktigt att notera att fysikkursen baserades på användning av mer formativa metoder som hemuppgifter, «klicker»-frågor, en mitt-terminsexamen och en slutlig examen.

Även om frågorna i den Vietnamiska examen motsvarar frågor på gymnasienivå och examinationen i fysikkursen skiljer sig från examinationsformerna i Skandinavien är dessa resultat inte direkt överförbara till en skandinavisk kontext, där formativ värdering är mer sällsynt. Frågan blir då om en mer summativ examen i form av en slutexamen, gör det svårare för ChatGTP att få godkänt.

För att undersöka detta har jag använt ChatGPT-3.5 (version July 20, 2023 och May 24, 2023) för att undersöka om den kan klara en fysikexamen. När jag förfrågade ChatGPT svarade den: När man ställer denna fråga till ChatGPT blir svaret: «Som en AI-språkmodell utan medvetande eller förståelse på samma nivå som en människa, kan jag inte genomföra en fysikexamen på universitetsnivå eller någon annan form av examen. Jag har inte förmågan att lösa komplexa uppgifter eller tillämpa fysiska principer på samma sätt som människor.

Vad jag kan göra är att ge information, förklara fysikaliska koncept och svara på fysikrelaterade frågor baserat på den kunskap jag har tränats med. Jag kan även hjälpa till med att lösa enklare problem inom fysik, men min prestation och förmåga har sina begränsningar.

Fysikexamen på universitetsnivå kräver djup förståelse, analytiskt tänkande och förmåga att tillämpa koncepten på avancerade problem. Det är utmaningar som en AI som jag ännu inte kan möta på samma nivå som en kvalificerad mänsklig student.«

Då ChatGPT har en sannolikhetsbaserad generering av svar, innebär det att den kan generera olika svar för identiska inmatningar. Så samma fråga matades in flera gånger och se om svaren var konsekventa och om den kunde ge rätt svar vid upprepade försök.

Den simulerade examen som jag använde var baserad på en skriftlig examen som gavs under den första fysikkursen i en fysikutbildning och omfattade ämnen som mekanik (kinematik och dynamik), grundläggande vågrörelselära och relativitetsteori. Examen bestod av 40 flervalsfrågor med 5 svarsalternativ. För att bli godkänd krävdes 41% rätta svar (ca 17 rätta svar). Medelbetyget på examen för studenterna var ett D (53-64%).

Eftersom fysikexamina ofta inkluderar figurer, syntolkades dessa för att ChatGPT skulle kunna lösa uppgifterna relaterade till respektive figur. Uppgifter som byggde på varandra gavs samtidigt i serie. Frågorna formulerades så att ChatGPT skulle ge svaret som ett av de givna svarsalternativen (A-E). Genom chat-funktionen möjliggjordes en dialogliknande diskussion, vilket gjorde det möjligt att se resonemanget och stegen i beräkningarna när sådana utfördes.

Vid första inmatningen gavs rätt svar för 15 frågor med 24 maj-versionen och 18 frågor med 20 juli-versionen. Vid på följande inmatningar gavs både nya rätta och felaktiga svar. Om man endast räknar med det första tillfället skulle ChatGPT (24 maj) få 37,5% och därmed inte bli godkänd, medan ChatGPT (20 juli) skulle få 45% och därmed bli godkänd.

Om man i stället summerar alla rätta svar, vilket har en sannolikhet att inträffa med slumpvis genererade svar, visar det sig att ChatGPT (24 maj) skulle få 25 rätta svar eller 62,5%, medan ChatGPT (20 juli) skulle få 22 rätta svar eller 55%. Båda versionerna skulle därmed kunna få betyget D.

Detta indikerar att en språkmodell-AI som ChatGPT kan få godkänt på en fysikexamen utan att ha någon reell förståelse för fysiska principer. Detta kan förklaras av flera faktorer. För det första använder ChatGPT en databas med inlärd information och sannolikhetsberäkningar för att generera svar, vilket gör att det är möjligt för den att hitta liknande frågor och svar om formuleringarna liknar de som finns där. För det andra kan examensuppgifterna vara utformade så att de inte testar en högre grad av komplex problemlösning, där flera fysiska principer och ekvationer måste användas på ett kreativt sätt. Frågor som testar mer komplex problemlösning är troligtvis inte vanligt det inlärda materialet än.

Även om studenter inte kan använda ChatGPT under en skriftlig examen visar studien på en svaghet i validiteten för tolkningen av resultatet på examen. Med andra ord, vad är det examen skall mäta och mäter examen det som den skall göra? Resultatet på en examen tolkas så att det omvandlas till ett betyg, som bör vara kopplat till lärandemål eller någon form av uppställda kriterier. Om ChatGPT kan få godkänt innebär detta att studenter potentiellt kan få godkänt utan en verklig förståelse av kursinnehållet. Då ChatGPT:s problemlösningsstrategi liknar en receptliknande metod, där man listar givna storheter, den sökta storheten och försöker hitta en passande ekvation med dessa storheter för att beräkna svaret, betyder detta att man får möjlighet att utvärdera graden av komplexitet när det gäller problemlösning i en examen med hjälp av ChatGPT. Strategin som ChatGPT använder fungerar bra för enklare uppgifter där en formel räcker, men fungerar inte när det krävs användning av flera fysiska principer (flera ekvationer) behövs eller när irrelevant information inkluderas i uppgiften.

Detta innebär att det är möjligt att evaluera hur både förståelse och problemlösningsförmåga testas på en examen genom att använda ChatGPT. Med andra ord om uppgifterna som ges har en lämplig nivå av komplexitet och bedöma utfallet på en examen som helhet för en simulerad student med begränsad förståelse. Med andra ord kan det vara möjligt att öka validiteten för en examen för dessa kriterier.

Slutsatsen man kan dra är att teoretiskt sett skulle det vara möjligt för ChatGPT att få godkänt på en fysikexamen. Jag kan visa att AI:n kan ge svar som ligger nära eller över gränsen för godkänt betyg på en fysikexamen. Dock är det inte sannolikt att ChatGPT faktiskt kommer att användas som ett hjälpmedel eller för fusk under en skriftlig examen. Det som är viktigare är att  ChatGPT kan användas som ett hjälpmedel vid uppgiftskonstruktion, där den kan fungera som en simulerad student för att få en uppfattning om vilka svar som kan förväntas ges utan en djupare kognitiv förmåga. ChatGPT kan vara ett användbart verktyg för att utvärdera och justera examina för att säkerställa en passande nivå av komplexitet och svårighetsgrad med avseende på förståelse och problemlösning.

Sammanfattningsvis har jag visat på ChatGPT:s möjligheter och begränsningar för en fysikexamen, men det finns ingen anledning till oro för att den kommer att användas för fusk under en skriftlig sals-examen. Teknologin kan dock vara användbar som ett hjälpmedel i undervisning och uppgiftskonstruktion, där den kan ge insikter om möjliga svar och komplexiteten i uppgifterna.

Jag har valt att inte ange vilken examen jag har använt för att skydda anonymiteten hos examinatorn. Examensuppgifterna och konversationerna med ChatGPT kan dock erhållas från mig.

Referenser

Kortemeyer, G. (2023). Could an artificial-intelligence agent pass an introductory physics course? Physical Review Physics Education Research, 19(1), 010132. https://doi.org/10.1103/PhysRevPhysEducRes.19.010132

Xuan-Quy, D., Ngoc-Bich, L., Xuan-Dung, P., Bac-Bien, N., & The-Duy, V. (2023). Evaluation of ChatGPT and Microsoft Bing AI Chat Performances on Physics Exams of Vietnamese National High School Graduation Examination. arXiv preprint arXiv:2306.04538. https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.04538

Kategorier
Fysik The light side

Mine grundämnen – Natrium

De fleata har sett de gula ljusen i gatubelysning även om dessa nu håller på att bytas ut med LED. Det gula ljuset kommer av natrium som sänder ut gult ljus, 589.0 och 589.6 nm. Den så kallade natrium dubletten, något som ingår i alla atomfysik kursers laboratorium. Just natrium har fördelan av att vara en metall som både har låg smältpunkt och låg excitations energi, vilket gör att du kan relativt enkelt förånga och driva en elektrisk urladdning genom gases och få den att sända ut ljus. Detta kan man göra effektivt vilket förklarar varför natrium var/är populärt i lampor dr man vill få bra effektivitet. I tillägg är våra ögon ganska känsliga inom detta våglångdsområde vilket också är en fördel.

Men samtidigt är natrium lätt att excitera med ljus och då lasrer i första hand vilket gör att man har detta som ett textboksexempel i labbet. Att man har en gas-cell med natrium i labbet för demonstrationer är en självklarhet. Nu är natrium väl studerat så det är inte mycket ny forskning som kan göras. Men i slutet på 1980-talet jobbade jag i ett projekt där vi skulle göra ett experiment där vi behövde ett mycket homogent magnetfält över en längre sträcka. Det vi ville göra var att kunna mäta magnetfältet med hög noggrannhet inom ett litet område samtidigt som vi optimerade magnetfäletet. En teknik som inte fanns då. Här skulle vi utnyttja just natrium och titta på Zeeman-effekten (uppsplittring av spektrallinjer på grund av magnetfält) på olika punkter längs en linje. Genom att flytta detektionspunkten och variera ljusets frekves skulle vi kunna bestämma magnetfältet. De första experimenten fungerade bra och vi kunde optimera ionom ett mindre område, men det visade sig att det blev för komplicerat samtidigt som nya mindre magnetometrar utvecklades så vårt projekt fullföljdes aldrig.

Natrium är alltid ett problembarn därfr att det finns överallt, så när man skall titta på grundämnesinnehåll i olika prover så finns alltid natrium i rummet vilket kan ställa till problem i detektionen.

Natrium är en alkalimetall som kan fatta eld i luft eller om det hamnar i vatten så man måste vara varsam, så vi hade olika stt att «desarmera» natrium vilket ofta betydde att man lät det stå i luft eller att man spreyade vatten på det för att skulle oxidera.

Så jag har jibbat med natrium och det är något som alla atomfysiker har ett förhållande till, så även jag.

Kategorier
Fysik Kärnenergi

Kärnenergi – Uran – Gruvdrift

När man talar om kärnenergi och då fission måste man komma ihåg att det finns ett fåtal fissila atomkärnor (sådan som kan splittras och brukas i en reaktor). Den som brukas mest är Uran-235 som finns naturligt, Plutonium-239 som produceras av Uran-238 genom neutron infångning, Uran-233 som kan produceras från Thorium-232 via neutron infångning. Detta betyder att vi bara har en naturlig isotop som kan brukas direkt som bränsle i kärnreaktorer.

Uran-235 förekommer naturligt i uranfyndigheter och då det finns mer uran i jordskorpan än både silver och guld borde det vara enkelt att få tag på. Men det är som med alla grundämnen en sanning med modifikation. Det kan finnas mycket men det måste vara brytbart, dvs kostnaden för utvinning får inte vara för stor. Men detta gäller om man bryter med uran som huvudprodukt, ofta är uran en biprodukt vilket gör utvinningen billigare. Dock är detta något som måste tas i beaktande för kostnaden.

Om vi ser på produktionen av uran så ligger den på ca: 50 000 ton per år idag, något som täcker behovet. Det man skall komma ihåg är att naturligt uran innehåller ca: 0.72% Uran-235 medan lätt-vatten reaktorer behöver en koncentration på 3-5% i sitt bränsle, en koncentration som kan vara högre i SMRs.

Även om det finns Uran i många länder så dominerar Kazakstan, Namibia, Canada och Australien som tillsammans står för ca 3/4 av världsproduktionen. Detta är något som gör tillgången geografiskt begränsad och priset känsligt för påverkan. På ett sätt är Uran mer osäkert ur ett strategiskt perspektiv än exempelvis olja eller gas, där produktionen är mer spridd. Detta kräver då insatser för att säkra tillgången på bränsle lokalt eller regionalt. Detta kan då innebära utvinning i lokala förekomster av uran. Vilket kan bli kostsamt om andelen uran i mineralen är låg eller om uran inte utvinns som biprodukt. Vad jag sett av debatten är inte detta ett spörsmål som har tagit upp i någon större omfattning.

När det gäller gruvdrift är tumregeln att den nästan alltid är miljöförstörande, om man bryter i dagbrott är det stora områden som kan ödeläggas, men detta gäller också underjordiska gruvor där man får stora mängder av restmaterial som i tillägg är radioaktivt.

När man separerat mineralet som innehåller uran, måste man få ut uranet, detta sker genom urlakning, dvs man använder starka syror för att lösa upp uranet och utvinna det i oxid form. Något som i tillägg ger stora mängder giftigt restmateria, slagg, som också är radioaktivt, ofta i mer koncentrarad form på grund av sönderfallsprodukter, som radium, polonium och radon. Så miljöpåverkan är ganska stor.

Det finns ett alternativ och det är in-situ leeching (urlakning på plats) där man egentligen inte har en gruva utan man pumpar ner urlakningsvätska (syror eller i några fall alkaliska lösningar) i uranförande lager, där uranet löses upp och pumpas upp till ytan för vidare behandling. Det kan se ut som en bra metod, men ger lakrester som måste lagras på grund av giftighet och radioaktivitet. I tillägg är miljöpåverkan på grund av det som pumpas ner inte ordentligt utrett. Här kan man jämföra med oönskade effekter vid fracking.

Så man kan konstatera att brytning av uran inte är speciellt ren eller miljövänlig. Det är en aspekt som man bör titta närmare på och lyfta upp i debatten. Speciellt som det kan komma handla om gruvdrift i närmiljön som kommer ge betydligt större utsläpp av radioaktivitet än en kärnrektor ger.

Man bör dock notera att det finns stora mängder uran upplöst som joner i haven, något som det tekniskt sett är möjligt att utvinna, som visats av japanska forskare på 1980-talet, men det har inte varit praktiskt möjligt att få till det.

Här handlar det dock om att försöka få till en reell helhetsbild och inte cherrypicking.

Kategorier
Experiment Fysik Kemi The light side

Mina Grundämnen – Neon

Neon är en ädelgas och det 5e mest förekommande grundämnet i universum. Det är trots detta relativt sällsynt på jorden, där det till skillnad från Helium inte skapas genom radioaktivt sönderfall. Neon skapas genom fusion av kol-12 kärnor i stjärnor och allt neon i universum kommer från detta. Det som de flesta förknippar neon med är det röd-oranga ljuset i neon-rör. Men neon har används i olika typer av vakuum-rör, men även i olika typer av lasrar, He-Ne laser eller excimerlasrar för XUV inom litografi i halvledar industrin.

För min del har jag i första hand jobbat med He-Ne lasrar, både för upplinjering, som ljuskälla i undervisningslaboratoriet och som referens för en våglängdsmeter. En He-Ne har normalt tre moder (våglängder) där två har en polarisation och en den vinkelräta mot dessa. Detta gör att man kan isolera en mod och bestämma exakt vilken våglängd den har med hjälp av absorption i jod, eller låsa våglängden genom att variera längden på laserkaviteten. Även om denna tekniken nu ersatts av andra är det mycket att lära sig med att bygga en jod-stabiliseras He-Ne laser.

Även om jag inte direkt jobbat med neon så har jag arbetat med en applikation där neon spelar en viktig roll. I ntnu.no/blogger/fysikkforfakirer/2019/07/31/mina-grundamnen-helium/ skrev jag om mitt arbete med en jon-guide där exciterat He var en källa till problem genom att det hamnade i Triplett-tillståndet, samma tripplet tillstånd som står för energin överföring från He till tillstånd i Ne som ger laser effekten. I och med att vi har en nästan resonant överföring av energi bör en liten inblandning av Ne i He-jeten göra att man får en minskning av antalet tripell-tillstånd. En minskning större än den man hade observerat med inblandning av Xe som har en icke-resonant överföring. Jag skrev en proposal och skickade till labbet som jag hade lämnat 1 år tidigare och bad de att prova. Jag fick dock inte något svar så jag vet änideg inte om det gjorde försöket eller inte.

Så på det sättet är neon ett av mina grundämnen.

Kategorier
Fysik Kärnenergi Undervisning

Kärnenergi, strategi och utbildning

Det är i dagarna en debatt om kärnenergi och hur den skall lösa energikrisen. Man ser inlägg som är odelat positiva och som koncentrerar sig på ett fåtal aspekter av ett i grunden komplicerat problem. Just detta är något som bör belysas genom att titta på andra inte så ofta debatterade aspekter.

En satsning på kärnenergi är en satsning som måste göras på lång sikt då det tar upptill 10 år att bygga ett stort kärnkraftverk, och till detta kommer en politisk process om placering och investeringar i tillhörande infrastruktur och miljöeffekter (bland annat från kylvatten). Så att bygga ett kärnkraftverk motsvarande de som finns i drift idag tar lång tid. En invändning som kommer är att det inte skall byggas konventionella kärnkraftverk utan det är små modulära reaktorer (SMR, https://www.iaea.org/topics/small-modular-reactors) som skall byggas. Dessa skall kunna massproduceras och vara mindre vilket gör att byggtiden går ner, de är enklare att placera nära existarande infrastruktur och vi kommer att ha de i drift fortare. Men detta är inte helt sant. Det finns idag över 80 olika designs för SMR men inte många är i drift idag. Man bör notera att The US Nuclear Regulatory Commission (NRC) har certifierat den första designen för en SMR med effekt 21 Februari 2023 https://www.federalregister.gov/documents/2023/01/19/2023-00729/nuscale-small-modular-reactor-design-certification.

Även om det finns olika designer så måste man demonstrera på ett adekvat sätt säkerheten i designen, då detta rör sig om en ny teknologi och att man inte har mycket erfarenhet med denna. Detta betyder att dessa måste först byggas och testas innan man kan börja en massproduktion, så även här kommer tidsfaktorn in och det dröjer troligen mer än 10 år innan det kommer att finnas generell tillgång på SMRs. Detta har också påpekats av representanter från näringslivet.

Men förutom detta så finns det idag en brist på personal som behärskar kärnteknik. På bland annat Direktoratet for strålevern og atomsikkerhet (DSA) finns det experter men inget kunnande vad gäller SMR och hur den tekniken ska kunna prövas för tillstånd att producera kraft. Detta är inte bara ett nationellt problem utan även ett Europeiskt problem. Många år av nedrustning och nedläggning av kärnkraft, ofta av ekonomiska orsaker, har inte bara lett till ökade utsläpp av växthusgaser och ett beroende av rysk gas, utan också till en nedmontering av den kunskapsbas som krävs för en utbyggnad. Det råder idag en brist på den kompetens som behövs för att kunna driva och kontrollera de nya kärnkraftverken (SMR och konventionella).

Det behövs ett kompetenslyft i Europa där det i dag saknas tillräckligt många utbildade personer på alla nivåer som kan utveckla och leda utbyggnaden av SMR. Detta gäller allt från forskning och utveckling på olika aspekter av SMRs, men även utbildning av personer som skall arbeta med ackreditering och kontroll och kompetent driftpersonal. Framför allt behövs forskning och utveckling som ge ökat stöd till den typ av SMR som kan producera eller återanvända sitt eget bränsle. De SMRs som planeras är inte generation IV reaktorer utan opererar med en öppen bränslecykel, där nytt bränsle måste tas in och avfallet hanteras på samma sätt som med existerande kärnkraftverk.

Tar man hänsyn till dessa aspekter är det tydligt att SMRs knappast kommer att kopplas till el-nätet inom en tidsperiod mindre än 10 år, utan de kommer troligen efter det. Om man tänker sig en framtid med SMRs så krävs en betydlig satsning på utbildning, exempelvis tar det minst 5 år att få färdigutbildade civilingenjörer inom fältet och skall man i tillägg ha en nationell utbildningen för att undvika att behöva rekrytera från redan existerande utbildningar i Europa, så krävs att planering av utbildningarna och rekrytering av undervisare inom specialfält startar minst 3 år innan utbildningen startar. Till detta kommer också behov för forskning, forskningsinfrastruktur och undervisningslaboratorier. Detta medför en kostnad som måste vara del i ett större beslut som satsning på kärnenergi. Det är därför inte bara en fråga om energiförsörjning utan även en utbildnings- och forskningsfråga där det behöver tas strategiska beslut.

Man bör även diskutera tillgång och framställning av kärnbränsle men det är en annan diskussion.

Kategorier
Fysik Kärnenergi Uncategorized

Kärnenergi – Ett enkelt problem?

Det har på grund av händelser i världen blivit en debatt om Kärnenergi (eller Kärnkraft som många kallar det) skall man bygga nya kraftverk eller rättare de skall byggas och det skall gå fort för att lösa energi krisen. Men är det så enkelt?

Fallet med Kärnenergi eller Fission är betydligt mer komplicerat än vad man kan tro. Debatten handlar mest om kraftverkan och inte alla steg före och efter. I tillägg måste man ta hänsyn till kompetens hos personal och byggtid.

Att bygga ett kärnkraftverk tar tid, från prospektering, byggande av infrastruktur och själva verket, så här kan fort byggtiden bli 10 år, och då är inte eventuella förseningar medräknade. Så med andra ord är det inte någon «quick fix». Det är möjligt att bygga mindre, Small Modular Reactors, men av dessa finns bara en (rysk) i drift när detta skrivs. Det finns designs och ofärdiga demonstrations exemplar, så det finns även här en osäkerhet angående tidsperspektivet. Så om man ser till det ligger den lösningen minst 10 år i framtiden. Här kommer det också ta tid att utbilda personal.

Men det finns andra aspekter som är viktiga att ta hänsyn till. Här ges några aspekter:

Utvinning av klyvbart material (bränsle), gruvdrift.

Anrikning av det klyvbara materialet.

Produktion av bränslestaver.

Drift av kraftverk.

Behandling av utbränt bränsle.

Upparbetning av utbränt bränsle.

Lagring av låg- och mellan-aktivt avfall.

Lagring av högaktivt avfall.

Det är egentligen mycket att säga om varje aspekt, så det blir ett inlägg för varje. Så håll ögonen öppna.

Kategorier
Fysik Kemi The light side

Mina Grundämnen – Fluor

Fluor är ett grundämne som finns i ganska mycket och som har en hel del miljömässiga problem. CFC-gaser och andra fluor baserade föreningar. Teflon känner de flesta till och finns i de flesta kök som non-stick i stekpannor och grytor.

Min erfarenhet av fluor har främst handlat om rengöring av glas, med fluorvätesyra (flussyra) som etsar glas men som också kan brukas för att få bort ytliga repor. I mitt fall fick vi en repa på Brewster-fönstret i vår argon-jon laser som behövde fixas. Så destillerat vatten, fluorvätesyra och optiskt papper användes för att fixa detta.

Den andra närkontakten med en Fluor-föringar (SF6) fick jag i England vid acceleratorn i Daresbury (Nuclear Structure Facility) under min postdoc då utrustning från denna skulle demonteras och packas för flytt till Jyväskylä. Acceleratorn, en van der Graff arbetar med höga spänningar varför man har SF6 som en skyddsgas för att hindra urladdningar. Detta är en tung gas, så om det blir ett läckage kommer den att ansamlas i lågt liggande fördjupningar som gropar eller dalar. Larmet gick och vi fick evakuera till skyddsvallarna runt anläggningen. En speciell upplevelse men den gången var det ett falsk larm.

Även om SF6 i sig är inert så kan man kvävas om den fastnar i lungorna på grund av sin tyngd. Tidigare har den dock brukats i små mängder för att få fram motsatsen till He-röst (hög frekvens) då man får en rejäl bas-röst. Men detta är för farligt så det party-tricket hoppas jag ingen gör längre.

Kategorier
Experiment Fysik Kemi The light side Uncategorized

Mina Grundämnen – Oxygen/syre

Oxygen/syre kan man kalla en av de lyckligaste grundämnena i Finland; happi! Men oxygen är oftast något man inte vill ha då det oxiderar metaller och annat. Oxygen är också en av orsakerna till massutdöenden på jorden. När organismer kunde utnyttja fotosyntesen så var oxygen en bi- eller avfallsprodukt som samtidigt råkade vara giftigt för många organismer som då dog ut.

Vi tänker inte på det men oxygen är giftigt för oss så koncentrationer över 30% är toxiska. Normalt innehåller atmosfären runt 21% så vanlig luft är livsviktig och inte toxisk. Det kan vara värt att notera att under Perm (250-300 miljoner år sedan) var oxygen koncentrationen närmare 30%, vilket gjorde att insekter med sina trakéer som fungerar genom diffusion kunde växa sig större än idag.

Även om man inte vill ha oxygen, så finns en del intressanta aspekter som man kan få med sig. Flytande oxygen är paramagnetiskt så det är möjligt att fånga flytande oxygen mellan två magnetiska poler [https://www.youtube.com/watch?v=Lt4P6ctf06Q ] problemet är att få fram flytande oxygen(kokpunkt 90K). I videon brukas en gastub och rör i flytande nitrogen (kokpunkt 77K) men man kan även låta flytande nitrogen förångas i en öppen termos, man får då en svagt blå vätska när det mesta förångats, detta är oxygen som då kan brukas för försöket.

Man kan också stoppa ner stålull i vätskan, ta upp och sätta eld på den. På grund av oxygen innehållet kommer det bli en explosiv förbränning, tidigare kunde man hitta brännmärken både på bänkar och i tak där fysik-studenter gjort just detta.