File

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:
235
92
92
1
U+ 01n  141
Ba+
Kr+3
56
36
0 n+175MeV
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:
235
92
94
1
U+ 01n  140
Xe+
Sr+2
54
38
0 n+185MeV
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
2
volgens: E  m  c
De verdwenen massa
Hierin is:
noemen we het
E de vrijkomende energie (in J),
m het massadefect (in kg) en
massadefect
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
2
Volgens berekening met E  m  c
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
E  m  c 2 gelijk aan 931,49 MeV (zie Binas)
Voorbeeld: een berekening bij een splijtingsreactie
235
92
94
1
U+ 01n  140
Xe+
Sr+2
54
38
0 n+185MeV
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
γ  e+ e
0
-1
0
1
Protonen- en neutronenstraling
Bij het beschieten van kernen met α-deeltjes
kunnen kernreacties optreden waarbij een proton of
een neutron vrijkomt. Voorbeelden:
14
7
N+ 42 He  178 O+11p
9
4
Be+ 42 He  126 C+ 01n
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: -10 e+ 11p  01n
Ar-37 gaat op deze wijze over in Cl-37:
37
18
Ar+ -10 e 
37
17
Cl
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
1
1
2
0
is het massadefect m
H+
H

H+
Bij: 1 1
1
1e+
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
238
92
U+ n 
1
0
239
93
0
-1
Np+ e
239
93
Np 
239
94
Pu+ -10 e
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