Student-eksperiment på plutonium vekker oppsikt blant toppforskere

I år er det 80 år siden fisjon ble oppdaget, men prosessen er ennå ikke helt forstått. En skulle tro en 80 år gammel oppdagelse var ferdig beskrevet. Slik er det imidlertid ikke, kan Dorthea Gjestvang fortelle. Hun har nylig levert en masteroppgave i kjernefysikk om nettopp fisjon.

– Hva er det som ikke er forstått?

– Vi mangler en god del detaljer. For eksempel kjenner vi til hvor mange nøytroner som frigjøres i fisjon av noen kjerner, men vi mangler hele forståelsen av hvorfor det er akkurat det antallet nøytroner, sier Gjestvang til Titan.uio.no.

Dermed er det vanskelig å simulere fisjonsprosessen riktig i en datamodell. Simuleringer er et viktig verktøy for å utvikle forståelse. Hvis datamodellen produserer de samme resultatene som i eksperimenter, er det en bekreftelse på at kunnskapen vi har, er riktig. Gir modellen feil svar, tolkes det som at noe mangler i forståelsen.

– Fisjon er en veldig komplisert prosess å simulere, sier Gjestvang. – Man må beskrive et kvantemekanisk system med hundrevis av partikler, så det er skikkelig innviklet, for å si det pent.

Berkeley-forskere sjekker datamodell mot Oslo-målinger

Flere anerkjente forskningsmiljøer forsøker å lage gode datamodeller av fisjon. Et av de ledende miljøene finner vi i Berkeley.

– Forskerne i Berkeley er veldig interessert i mine resultater, siden de kan bruke dem til å sjekke om datasimuleringen deres er riktig, forteller Gjestvang.

I løpet av mastergraden har hun hatt tre opphold ved Berkeley-laboratoriet, takket være utdannings- og forskningssamarbeid mellom Oslo, Berkeley og Stellenbosch i Sør-Afrika, finansiert gjennom ordningen Internasjonale partnerskap (INTPART).

– Det var utrolig kult og inspirerende å oppleve at verdens fremste eksperter innen feltet var interessert i hva en masterstudent fra Oslo har å si. Jeg følte jeg virkelig fikk være med i diskusjonene og ble tatt på alvor som likeverdig forsker, forteller hun.

Plutonium-eksperiment i kjelleren på UiO

Eksperimentene som vekker sånn interesse, handler om hvordan plutonium fisjonerer, nærmere bestemt en variant av plutonium med tilsammen 241 nøytroner og protoner i kjernen: Pu-241. Dette er en annen variant av plutonium enn Pu-239, som brukes til kjernereaktorer.

Målingene på Pu-241 ble gjort ved syklotronlaboratoriet i Oslo. Plutonium-prøven, som ble laget ved Lawrence Livermore Lab, består av Pu-240. Denne prøven bombarderte hun med deutroner, en hydrogenkjerne med et nøytron i kjernen i tillegg til et proton.

Nøytronet absorberes av plutoniumkjernen og skaper Pu-241, som igjen fisjonerer, altså deler seg i lettere atomkjerner.

I reaksjonen frigjøres både nøytroner og fotoner. Forskerne er interessert i å måle fotonene for å forstå hva som foregår når kjernen splittes, og dette var målet med Gjestvangs masteroppgave.

Nytt utstyr gjorde målingene mulig

– Tidligere var det veldig vanskelig å gjøre disse foton-målingene her i Oslo, forteller hun.

Det gamle måleutstyret på laboratoriet, foton-detektorene, kunne ikke se forskjell på nøytroner og fotoner. Men syklotronlaboratoriet i Oslo har fått et helt nytt sett detektorer med egenskaper som gjør det mulig å skille dem.

Selv om nøytronene beveger seg lynraskt, går de saktere enn fotonene, som flytter seg med lysets hastighet. De nye detektorene er raske nok til å skille fotoner og nøytroner basert på når de kommer frem til detektorene.

Nøytronstjernekollisjoner gjør fisjon brennhett

– Fisjon er den prosessen som foregår i kjernekraftverk og atombomber. I Norge har vi jo ingen av delene. Hvorfor er dette et interessant forskningstema?

– Et av de store spørsmålene i fysikk er hvordan alle grunnstoffene vi har på jorda er blitt dannet. Etter at nøytronstjernekollisjoner ble observert, har forskning på fisjon fått en skikkelig boost fordi fisjon spiller en stor rolle i dannelsen av grunnstoffene. Vi på UiO vil bidra til å løse grunnstoff-mysteriet, og vi må derfor forstå fisjon,  forklarer Gjestvang.

– Men jeg er ikke så opptatt av hva det kan brukes til, jeg er mer opptatt av å forstå. Vi trenger ingen motivasjon for hvorfor vi skal forstå naturen. I grunnforskning ser vi ikke etter anvendelser - anvendelsene bare  dukker opp mens vi forsker, sier hun.

Fisjon fikk hun sansen for allerede i fysikktimene på videregående.

– Jeg husker jeg ble veldig fascinert av masse som kan bli til energi. Da jeg hørte om mulighetene for å jobbe med fisjon i mastergradsoppgaven her ved UiO, visste jeg at jeg hadde kommet riktig. Oppgaven min er blitt er en utrolig spennende kombinasjon av teori og eksperimenter

– Det sies at når du prøver riktig brudekjole, bare vet du at det er den du skal ha. Sånn var det med meg og masteroppgave, smiler hun.