Werkstuk: Kernsplijting
1 Inleiding
Kerncentrales en de atoombom zijn beiden op het zelfde principe gebaseerd, namelijk kernsplijting. Kernsplijting komt neer op het splijten van een kern in twee kleinere kernen. Daarbij komt gigantisch veel energie vrij, zoals de atoombom op Hiroshima in 1945 bewezen heeft. Om een indruk te geven hoeveel energie kernsplijting kan op leveren: de punt van een vulpen levert na kernsplijting net zo veel energie als een ton kolen.
2 Kernsplijting
Kernsplijting is eigenlijk een simpel proces. Het makkelijkste is om te kijken naar een voorbeeld, bijvoorbeeld het uraanisotoop 235U. Dit isotoop wordt veel gebruikt in kerncentrales. De kern van 235U is bijna stabiel, maar als je er een niet al te snel neutron in schiet, dan ontstaat 236U. Dit 236U is niet stabiel, en er vindt dan ook direct splijting plaats. Dit komt er op neer dat het uraanisotoop splitst in twee kleinere brokstukken die wegschieten, zoals afgebeeld in figuur 1. Figuur 1: neutron botst op 235U en veroorzaakt kernsplijtingZo zou er bijvoorbeeld de volgende reactie kunnen plaatsvinden: Deze reactie is niet de enige mogelijke reactie, er zijn ook andere mogelijkheden. Verder zijn er ook andere atoomkernen geschikt voor splijting, zoals bijvoorbeeld 233U en 239Pu. De splijtprodukten zijn geen stabiele kernen, aangezien ze te veel neutronen hebben. Ze vervallen in een aantal stappen totdat ze een stabiele kern vormen. Je kunt uitrekenen hoeveel energie er vrijkomt bij de splijting, door te kijken naar het massaverschil voor en na de splijting, en gebruik te maken van de formule van Einstein: E = mc2Dit komt er grofweg op neer dat bij de splijting van 1 kilogram 236U ongeveer 90 x 1015 J vrij komt. Dat is voldoende energie om heel Canada voor drie dagen te voorzien.
3 De kettingreactie
De kracht achter kerncentrales en atoombommen is de kettingreactie die bij de kernsplijting plaats vindt. Hoe deze kettingreactie in elkaar zit kun je als volgt inzien. 1. Een neutron knalt op een (stabiele) 235U kern. 2. De (stabiele) 235U kern neemt het neutron op en verandert in het (instabiele!) 236U. 3. De (instabiele) 236U kern splijt in twee kleinere kernen, waarbij ook nog ongeveer drie neutronen vrij komen. 4. Elk van deze drie neutronen kan weer op een (stabiele) 236U vallen. 5. Zie punt 1, etc. etc. Simpel gezegd komen er bij de splijting neutronen vrij, die ieder op zich, weer nieuwe kernen kunnen laten splijten. En dit gaat net zo lang door totdat het splijtbare materiaal op is. De kettingreactie wordt hieronder schematisch afgebeeld in figuur 2. Figuur 2: Schematische voorstelling van de kettingreactie als gevolg van kernsplijting
4 De kerncentrale
Het probleem met kettingreacties is hoe je ze in bedwang houdt. Zonder enige controle, kan een kerncentrale simpelweg ontploffen. Natuurlijk gebeurt dat niet in het dagelijks leven, want het is duidelijk dat wetenschappers een manier hebben gevonden om de kettingsreacties te kunnen reguleren.
4.1 Controleren van de kettingreactie
De drijvende kracht achter de kettingreacties zijn de neutronen die vrijkomen bij elke kernsplijting. Als je deze reactie niet kunt reguleren levert elke reactie drie nieuwe neutronen, die elk weer een nieuwe kernsplijting kunnen veroorzaken. Op deze wijze kan het erg snel uit de hand lopen. Het is dus zaak om een manier te vinden om de neutronen die bij elke kernsplijting vrijkomen, te verhinderen een nieuwe kernsplijting te veroorzaken. In de praktijk gebeurt dit door het plaatsen van cadmiumstaven of koolstofstaven in het Uranium. Beide type staven zijn in staat veel van de neutronen die bij kernsplijting vrijkomen te absorberen. Dit betekent dat je de kettingreactie kunt versnellen door de staven een beetje uit het Uranium te trekken, of kunt vertragen door de staven meer in het Uranium te duwen.
4.2 Hoe werkt de kerncentrale
Met dit controle mechanisme is het mogelijk om kernsplijting te gebruiken als energiebron. Een kern centrale is eigenlijk hetzelfde als elke andere krachtcentrale: de energie die bij kernsplijting vrijkomt wordt gebruikt om water te verdampen en daarmee een stoom turbine aan te drijven. Figuur 3 geeft de werking van een kerncentrale schematisch weer. In de kern van de reactor zit het uranium. Dit uranium genereert warmte door kernsplijting. Deze warmte wordt door het vloeibaar natrium overgebracht naar het water rechts in de figuur. Het water wordt verdampt tot stoom wat vervolgens een turbine aandrijft. Deze turbine levert uiteindelijk electriciteit. In het midden van de reactor kern zitten regelmatig verdeelde cadmiumstaven om de kernreactie te reguleren. Door ze in het uranium te schuiven of er uit te halen worden de kettingreacties in de reactor in bedwang gehouden. Figuur 3: Schematische voorstelling van de werking van een kerncentrale
5 De atoombom
De atoombom werkt op dezelfde wijze als een kerncentrale, maar, het grote verschil is dat een atoombom geen controle mechanisme kent. In een atoombom vindt een ongecontroleerde kettingreactie plaats. Niet elk brok splijtbaar materiaal is echter in staat om zo'n ongecontroleerde kettingreactie op te wekken. Er is een minimum nodig aan splijtbaar materiaal nodig, ook wel de kritieke massa genoemd, om de kettingreactie op te kunnen wekken. Met te weinig massa, ook wel sub-kritieke massa genoemd, is het aantal neutronen dat ontsnapt uit de massa tijdens de kettingreactie groter dan het aantal neutronen dat door de massa wordt geabsorbeerd. Dit betekent in feite, dat de kettingreactie niet kan plaats vinden omdat er te weinig neutronen in de massa aanwezig zijn om de kettingreactie op gang te brengen. Als je genoeg massa hebt, is het aantal neutronen dat binnen de massa wordt geabsorbeerd groter dan het aantal neutronen dat ontsnapt uit de massa. Met andere woorden, de neutronen blijven binnen het materiaal en genereren een kettingreactie.
5.1 Hoe werkt de atoombom
Het probleem met atoombommen is, dat er een hoeveelheid splijtbaar materiaal nodig is die groter of gelijk is aan de kritieke massa. Op het moment echter dat je precies zo'n hoeveelheid hebt, explodeert de boel vanwege de kettingreactie die spontaan op gang komt. Dit betekent dat feitelijk op het moment dat je een bom in elkaar hebt kunnen zetten, deze explodeert. Zoals de geschiedenis ons leert, hebben wetenschappers een manier gevonden om dit probleem te omzeilen. Ze hebben gebruik gemaakt van de volgende simpele methode, zoals afgebeeld in figuur 4. Figuur 4: Schematische voorstelling van een atoombom Een atoombom bestaat uit twee aparte kamers, die elk een hoeveelheid massa bevatten die sub-kritiek is. Dit betekent, dat de bom in deze situatie niet spontaan explodeert. Op het moment dat de bom wordt losgelaten, worden de twee stukken sub-kritieke massa door middel van een (kleine) interne explosie tegen elkaar gedrukt. Op dat punt hebben ze samen een hoeveelheid massa die groter of gelijk is aan de kritieke massa, en, je raadt het al, komt de kettingreactie op gang met desastreuze gevolgen.
Kerncentrales en de atoombom zijn beiden op het zelfde principe gebaseerd, namelijk kernsplijting. Kernsplijting komt neer op het splijten van een kern in twee kleinere kernen. Daarbij komt gigantisch veel energie vrij, zoals de atoombom op Hiroshima in 1945 bewezen heeft. Om een indruk te geven hoeveel energie kernsplijting kan op leveren: de punt van een vulpen levert na kernsplijting net zo veel energie als een ton kolen.
2 Kernsplijting
Kernsplijting is eigenlijk een simpel proces. Het makkelijkste is om te kijken naar een voorbeeld, bijvoorbeeld het uraanisotoop 235U. Dit isotoop wordt veel gebruikt in kerncentrales. De kern van 235U is bijna stabiel, maar als je er een niet al te snel neutron in schiet, dan ontstaat 236U. Dit 236U is niet stabiel, en er vindt dan ook direct splijting plaats. Dit komt er op neer dat het uraanisotoop splitst in twee kleinere brokstukken die wegschieten, zoals afgebeeld in figuur 1. Figuur 1: neutron botst op 235U en veroorzaakt kernsplijtingZo zou er bijvoorbeeld de volgende reactie kunnen plaatsvinden: Deze reactie is niet de enige mogelijke reactie, er zijn ook andere mogelijkheden. Verder zijn er ook andere atoomkernen geschikt voor splijting, zoals bijvoorbeeld 233U en 239Pu. De splijtprodukten zijn geen stabiele kernen, aangezien ze te veel neutronen hebben. Ze vervallen in een aantal stappen totdat ze een stabiele kern vormen. Je kunt uitrekenen hoeveel energie er vrijkomt bij de splijting, door te kijken naar het massaverschil voor en na de splijting, en gebruik te maken van de formule van Einstein: E = mc2Dit komt er grofweg op neer dat bij de splijting van 1 kilogram 236U ongeveer 90 x 1015 J vrij komt. Dat is voldoende energie om heel Canada voor drie dagen te voorzien.
3 De kettingreactie
De kracht achter kerncentrales en atoombommen is de kettingreactie die bij de kernsplijting plaats vindt. Hoe deze kettingreactie in elkaar zit kun je als volgt inzien. 1. Een neutron knalt op een (stabiele) 235U kern. 2. De (stabiele) 235U kern neemt het neutron op en verandert in het (instabiele!) 236U. 3. De (instabiele) 236U kern splijt in twee kleinere kernen, waarbij ook nog ongeveer drie neutronen vrij komen. 4. Elk van deze drie neutronen kan weer op een (stabiele) 236U vallen. 5. Zie punt 1, etc. etc. Simpel gezegd komen er bij de splijting neutronen vrij, die ieder op zich, weer nieuwe kernen kunnen laten splijten. En dit gaat net zo lang door totdat het splijtbare materiaal op is. De kettingreactie wordt hieronder schematisch afgebeeld in figuur 2. Figuur 2: Schematische voorstelling van de kettingreactie als gevolg van kernsplijting
4 De kerncentrale
Het probleem met kettingreacties is hoe je ze in bedwang houdt. Zonder enige controle, kan een kerncentrale simpelweg ontploffen. Natuurlijk gebeurt dat niet in het dagelijks leven, want het is duidelijk dat wetenschappers een manier hebben gevonden om de kettingsreacties te kunnen reguleren.
4.1 Controleren van de kettingreactie
De drijvende kracht achter de kettingreacties zijn de neutronen die vrijkomen bij elke kernsplijting. Als je deze reactie niet kunt reguleren levert elke reactie drie nieuwe neutronen, die elk weer een nieuwe kernsplijting kunnen veroorzaken. Op deze wijze kan het erg snel uit de hand lopen. Het is dus zaak om een manier te vinden om de neutronen die bij elke kernsplijting vrijkomen, te verhinderen een nieuwe kernsplijting te veroorzaken. In de praktijk gebeurt dit door het plaatsen van cadmiumstaven of koolstofstaven in het Uranium. Beide type staven zijn in staat veel van de neutronen die bij kernsplijting vrijkomen te absorberen. Dit betekent dat je de kettingreactie kunt versnellen door de staven een beetje uit het Uranium te trekken, of kunt vertragen door de staven meer in het Uranium te duwen.
4.2 Hoe werkt de kerncentrale
Met dit controle mechanisme is het mogelijk om kernsplijting te gebruiken als energiebron. Een kern centrale is eigenlijk hetzelfde als elke andere krachtcentrale: de energie die bij kernsplijting vrijkomt wordt gebruikt om water te verdampen en daarmee een stoom turbine aan te drijven. Figuur 3 geeft de werking van een kerncentrale schematisch weer. In de kern van de reactor zit het uranium. Dit uranium genereert warmte door kernsplijting. Deze warmte wordt door het vloeibaar natrium overgebracht naar het water rechts in de figuur. Het water wordt verdampt tot stoom wat vervolgens een turbine aandrijft. Deze turbine levert uiteindelijk electriciteit. In het midden van de reactor kern zitten regelmatig verdeelde cadmiumstaven om de kernreactie te reguleren. Door ze in het uranium te schuiven of er uit te halen worden de kettingreacties in de reactor in bedwang gehouden. Figuur 3: Schematische voorstelling van de werking van een kerncentrale
5 De atoombom
De atoombom werkt op dezelfde wijze als een kerncentrale, maar, het grote verschil is dat een atoombom geen controle mechanisme kent. In een atoombom vindt een ongecontroleerde kettingreactie plaats. Niet elk brok splijtbaar materiaal is echter in staat om zo'n ongecontroleerde kettingreactie op te wekken. Er is een minimum nodig aan splijtbaar materiaal nodig, ook wel de kritieke massa genoemd, om de kettingreactie op te kunnen wekken. Met te weinig massa, ook wel sub-kritieke massa genoemd, is het aantal neutronen dat ontsnapt uit de massa tijdens de kettingreactie groter dan het aantal neutronen dat door de massa wordt geabsorbeerd. Dit betekent in feite, dat de kettingreactie niet kan plaats vinden omdat er te weinig neutronen in de massa aanwezig zijn om de kettingreactie op gang te brengen. Als je genoeg massa hebt, is het aantal neutronen dat binnen de massa wordt geabsorbeerd groter dan het aantal neutronen dat ontsnapt uit de massa. Met andere woorden, de neutronen blijven binnen het materiaal en genereren een kettingreactie.
5.1 Hoe werkt de atoombom
Het probleem met atoombommen is, dat er een hoeveelheid splijtbaar materiaal nodig is die groter of gelijk is aan de kritieke massa. Op het moment echter dat je precies zo'n hoeveelheid hebt, explodeert de boel vanwege de kettingreactie die spontaan op gang komt. Dit betekent dat feitelijk op het moment dat je een bom in elkaar hebt kunnen zetten, deze explodeert. Zoals de geschiedenis ons leert, hebben wetenschappers een manier gevonden om dit probleem te omzeilen. Ze hebben gebruik gemaakt van de volgende simpele methode, zoals afgebeeld in figuur 4. Figuur 4: Schematische voorstelling van een atoombom Een atoombom bestaat uit twee aparte kamers, die elk een hoeveelheid massa bevatten die sub-kritiek is. Dit betekent, dat de bom in deze situatie niet spontaan explodeert. Op het moment dat de bom wordt losgelaten, worden de twee stukken sub-kritieke massa door middel van een (kleine) interne explosie tegen elkaar gedrukt. Op dat punt hebben ze samen een hoeveelheid massa die groter of gelijk is aan de kritieke massa, en, je raadt het al, komt de kettingreactie op gang met desastreuze gevolgen.