Kernreacties en kernsplijting Newton - HAVO Kernreacties en kernsplijting 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

Massadefect en 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 de vorming van een kern wordt massa omgezet in energie, de gevormde kern heeft een massadefect De massa van een atoom wordt uitgedrukt in de atomaire massa-eenheid u → u = 1,66054·10-27 kg De energie die overeenkomt met 1 u is volgens gelijk aan 931,49 MeV (zie Binas)

Kernsplijting en energie Bij een splijtingsreactie komt energie vrij, een voorbeeld van een berekening bij een eenvoudige splijtingsreactie: Vergelijk: links van de pijl: (1,008665+10,012938)·u = 11,021603·u rechts van de pijl: (7,016930+4,002603)·u = 11,019533·u Het massadefect: (11,021603-11,019533)∙u = 0,002070∙u = 0,002070∙1,66∙10-27 = 3,44∙10-30 kg De energie die bij de reactie vrij komt is: E = m∙c2 = 3,44∙10-30∙(3,00∙108)2 = 3,10∙10-13 J = 1,94 MeV Of via: E = 0,002070 ∙ 931,49 = 1,94 MeV

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

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