Newton - HAVO

Kernreacties en kernsplijting

Samenvatting

235 1 141 92 192 0 56 36 0U+ n Ba+ Kr+3 n+175MeV

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 1 140 94 192 0 54 38 0U+ n Xe+ Sr+2 n+185MeV

KettingreactieBij kernsplijting komt energie vrij (opgegeven in MeV)

(1 eV= 1,6·10-19 J, 1 MeV= 1,6·10-13 J)

De twee of drie vrijkomende neutronen kunnen weer

een nieuwe splijting veroorzaken en daardoor kan

een kettingreactie ontstaan.

Een reactie met twee vrijkomende

neutronen:

De kettingreactie kan gecontroleerd of

ongecontroleerd zijn

Ongecontroleerde kettingreactieAls 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 kettingreactieAls 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

2E m c

Massa en energieBij 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:Hierin is: E de vrijkomende energie (in J), m het massadefect (in kg) en c de lichtsnelheid (in m/s)

De verdwenen massa noemen we het massadefect

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 bindingsenergieKerndeeltjes 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

2E m c De energie die overeenkomt met 1 u is volgens

gelijk aan 931,49 MeV (zie Binas)

Kernsplijting en energieBij een splijtingsreactie komt energie vrij, een

voorbeeld van een berekening bij een eenvoudige

splijtingsreactie: 1 10 7 40 5 3 2n+ B Li+ He+E

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

De energie die bij de reactie vrij komt is:

E = 0,002070 ∙ 931,49 = 1,94 MeV

= 0,002070∙1,66∙10-27 = 3,44∙10-30 kg

E = m∙c2 = 3,44∙10-30∙(3,00∙108)2 = 3,10∙10-13 J = 1,94 MeV

Of via:

Vergelijk:

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 reactorvatVoor 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

veiligheidskoepel. Bij onvoldoende koeling kan de

splijtstof smelten, als de bodem van het reactorvat

een melt-down

omhulling. Het geheel staat in een betonnen

smelt is er sprake van

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

238 1 239 092 0 93 -1U+ n Np+ e 239 239 0

93 94 -1Np Pu+ e

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:

• hoogactief vast afval (hava)

• middelactief vast afval (mava)

• laagactief vast afval (lava)

zoals onderdelen van kerncentrales na reparatie

zoals vervuilde water- en luchtfilters

zoals besmette kleding en schoonmaakmateriaal

De vaten met afval worden niet meer in zee gedumpt, maar op het land opgeslagen

• kernsplijtingsafval (ksa)