Kernsplijting en kernfusie Newton - VWO Kernsplijting en kernfusie Samenvatting

Kernsplijting Instabiele kernen vervallen onder uitzending van kernstraling: α- of β-straling met eventueel γ-straling Na absorptie van een neutron kan een zware kern ook uiteenvallen in twee lichtere kernen, er komen daarbij ook enkele neutronen vrij: dit is kernsplijting Een voorbeeld van kernsplijting bij uranium-235:

Kettingreactie Bij kernsplijting komt energie vrij (opgegeven in MeV) (1 eV= 1,6·10-19 J, 1 MeV= 1,6·10-13 J) Een reactie met twee vrijkomende neutronen: De twee of drie vrijkomende neutronen kunnen weer een nieuwe splijting veroorzaken en daardoor kan een kettingreactie ontstaan De kettingreactie kan gecontroleerd of ongecontroleerd zijn

Ongecontroleerde kettingreactie Als één kernsplijting een steeds sneller toenemend aantal splijtingen veroorzaakt is de reactie ongecontroleerd, in een kernbom is sprake van zo’n reactie Bij een ongecontroleerde reactie ontstaat ook een explosief toenemende hoeveelheid vrijkomende energie

Gecontroleerde kettingreactie Als één kernsplijting gemiddeld weer één volgende kernsplijting veroorzaakt, is sprake van een gecontroleerde kettingreactie, een deel van de vrijkomende neutronen wordt ingevangen door een andere stof dan uranium-235 De vrijkomende hoeveelheid energie is ook constant In een kerncentrale moet sprake zijn van een gecontroleerde kettingreactie

Massa en energie Bij een splijtingsreactie is het aantal kerndeeltjes voor en na de reactie gelijk, toch is de totale massa na de reactie kleiner dan ervoor Er verdwijnt dus massa, deze is omgezet in energie volgens: De verdwenen massa noemen we het massadefect Hierin is: E de vrijkomende energie (in J), m het massadefect (in kg) en c de lichtsnelheid (in m/s) De wet van behoud van massa en de wet van behoud van energie gelden niet meer, ze worden vervangen door de wet van behoud van massa én energie We noemen dit equivalentie van massa en energie

Massadefect Bij een kernsplijtingreactie komt energie vrij want er is massa verdwenen, dit is het massadefect Bij het uiteenvallen van U-235 in Xe-140 en Sr-94 is het massadefect 3,3∙10-28 kg Volgens berekening met komt dit neer op 3,0∙10-11 J De vrijkomende energie geeft men meestal op in MeV, in dit geval dus 185 MeV

Atoommassa De massa van een atoom wordt uitgedrukt in de atomaire massa-eenheid u → u = 1,66054·10-27 kg De atomaire massa-eenheid u wordt gedefinieerd als één twaalfde van de massa van een C-12 atoom De atoommassa’s van veel isotopen staan in Binas – tabel 25 – en zijn inclusief de massa van de elektronen De massa van een C-12 atoom is kleiner dan die van zes losse protonen, zes neutronen en zes elektronen. Er is sprake van bindingsenergie

Bindingsenergie Kerndeeltjes oefenen een kracht op elkaar uit, ze zijn niet zonder meer van elkaar te scheiden De energie die nodig is om alle deeltjes van elkaar te scheiden noemen we de bindingsenergie Bij berekeningen gebruikt men vaak de bindingsenergie per nucleon De maximale waarde ligt bij ijzer (Fe), daarna neemt de bindingsenergie per nucleon af

Massadefect bij kernsplijting De energie die overeenkomt met 1 u is volgens gelijk aan 931,49 MeV (zie Binas) Voorbeeld: een berekening bij een splijtingsreactie De elektronenmassa’s vallen tegen elkaar weg Het massadefect is m = (236,052595-235,85400)∙u m = 0,198595∙u, de vrijkomende energie is E = 0,198595 ∙ 931,49 = 185 MeV

Radioactief verval Splijtingsproducten zijn vaak radioactief Radioactieve isotopen vervallen meestal onder uitzending van α-, β- en/of γ-straling Vooral bij zware kernen is er α-verval (helium-kern) Bij β-verval wordt een neutron in de kern omgezet in een proton onder uitzending van een elektron (β-) Als een kern teveel energie bezit, verkeert het in een aangeslagen toestand: dit heet een isomere kern (bv Tc-99m). De kern kan dan een γ-foton uitzenden

Positronstraling Er bestaan nog andere soorten kernstraling: positron-, protonen- en neutronenstraling Verder is er K-vangst, dit is geen kernstraling Bij positronstraling wordt een positron uitgezonden, dit is een positief elektron (antideeltje van het elektron) Een proton in de kern verandert in een neutron en een positron. Een γ-foton met voldoende energie kan een elektron- positronpaar vormen

Protonen- en neutronenstraling Bij het beschieten van kernen met α-deeltjes kunnen kernreacties optreden waarbij een proton of een neutron vrijkomt. Voorbeelden: De eerste reactie was de ontdekking van het proton als kerndeeltje (1919), de tweede die van het neutron als kerndeeltje (1932) De eerste reactie noemt men een (α,p)-reactie, de tweede reactie een (α,n)-reactie – men schiet er een α-deeltje in, er komt een proton resp. neutron vrij

K-vangst Sommige radioactieve isotopen vervallen door een elektron uit de K-schil in de kern te trekken In de kern vormt het elektron met een proton samen een neutron: Ar-37 gaat op deze wijze over in Cl-37: Bij het opvullen van de lege plaats in de K-schil door een elektron uit een hogere schil komt energie vrij in de vorm van een röntgenfoton

Kernfusie Als twee lichte kernen (tot Fe) fuseren tot een zwaardere komt energie vrij omdat de bindingsenergie per nucleon toeneemt In de zon en sterren is kernfusie de energiebron, door de hoge temperatuur hebben de atoomkernen voldoende kinetische energie om te fuseren is het massadefect m Bij: 9,99∙10-4∙u, de vrijkomende energie is 0,93 MeV Bij annihilatie van het positron met een elektron ontstaat nog eens 1,0 MeV

Neutrino Voor het β--verval leek de wet van behoud van massa en energie niet te gelden, voor α-verval wel Door aan te nemen dat er nog een neutraal deeltje bij betrokken is, is de wet wel geldig Dit deeltje - neutrino - heeft een verwaarloosbare massa en lading, het beweegt met vrijwel de lichtsnelheid en vertoont nauwelijks wisselwerking met materie, het symbool is In 1956 is het bestaan van het neutrino experimenteel bevestigd

Kerncentrale Het reactorvat bevat splijtstofstaven, deze bestaan meestal uit een mengsel van U-235 en U-238 In de staven zit verrijkt uranium, dat voor 3 tot 20% uit U-235 kan bestaan ( bij natuurlijk U is dit 0,7%) Verder bevat het vat: een moderator regelstaven water om de warmte af te voeren naar de stoomgenerator

Het reactorvat Voor een volgende splijtingsreactie moeten de vrijkomende neutronen afgeremd worden, de stof die dit doet heet de moderator (soms grafiet, vaak water) Regelstaven absorberen de overtollige neutronen De regelstaven zijn zo ingesteld dat de reactor kritiek is: één kernsplijting veroorzaakt gemiddeld één volgende splijting. Het geleverde vermogen is nu constant, via de regelstaven kan men het gewenste vermogen instellen

Fusiereactor Men hoopt in de toekomst energie uit kernfusie te kunnen winnen, inmiddels is de ITER (International Tokamak Experimental Reactor) in aanbouw Kernfusie moet plaatsvinden bij 108 K in een zeer sterk magneetveld Via deuterium wordt tritium gevormd en daaruit weer helium Voorlopig kost het proces meer energie dan het oplevert

Stralingsbelasting De stralingsbelasting voor omwonenden van een kerncentrale is gering, 10 μSv per jaar per persoon, en komt vooral uit het koelwater van de centrale De medewerkers worden gecontroleerd via een dosismeter en er zijn stralingsmeters aangebracht Bij een ongeluk kunnen de gevolgen echter heel ernstig zijn, denk aan Tsjernobyl

Reactorveiligheid Radioactieve stoffen worden zo goed mogelijk van de buitenwereld afgeschermd door metalen buizen Het reactorvat is van dik staal, bevindt zich in een dikke betonlaag en een tweede stalen, gasdichte omhulling. Het geheel staat in een betonnen veiligheidskoepel. Bij onvoldoende koeling kan de splijtstof smelten, als de bodem van het reactorvat smelt is er sprake van een melt-down

Splijtstofcyclus De jaarlijkse cyclus voor centrales die een gezamenlijk elektrisch vermogen van 3500 MW bezitten

Winning en verrijking Het uranium voor de kerncentrales moet eerst uit het erts worden gehaald, dit is uraniumwinning Het percentage U-235 is te laag (0,7 %) en moet worden verhoogd, bij verrijkt uranium is dat 3,2% of hoger. Verrijkt uranium wordt tot splijtstofstaven verwerkt, die worden in de kernreactor gebruikt Licht radioactief mijnafval wordt in bassins opgeslagen en met een dikke laag aarde afgedekt

Opwerking Neutronen splijten niet alleen U-235, maar reageren ook met U-238, er ontstaat (instabiel) Np-239 Np-239 vervalt weer naar Pu-239 Bij opwerking wordt het overgebleven uranium en het gevormde plutonium uit de splijtstofstaven gehaald Het plutonium is in bepaalde soorten kerncentrales bruikbaar als splijtstof (en in kernwapens) De activiteit van het afval is erg hoog, het afval moet gedurende lange tijd veilig opgeslagen worden (voorlopig gebruikt men oude zoutmijnen)

Radioactief afval Radioactief afval wordt onderscheiden in: kernsplijtingsafval (ksa) hoogactief vast afval (hava) zoals onderdelen van kerncentrales na reparatie middelactief vast afval (mava) zoals vervuilde water- en luchtfilters laagactief vast afval (lava) zoals besmette kleding en schoonmaakmateriaal De vaten met afval worden niet meer in zee gedumpt, maar op het land opgeslagen