Newton - VWOKernsplijting en kernfusieSamenvatting

Kernsplijtingkernstraling: - of -straling met eventueel -straling Na absorptie van een neutron kan een zware kernook uiteenvallen in twee lichtere kernen, er komendaarbij ook enkele neutronen vrij: dit is kernsplijtingEen voorbeeld van kernsplijting bij uranium-235:Instabiele kernen vervallen onder uitzending van

Kettingreactie(1 eV= 1,610-19 J, 1 MeV= 1,610-13 J)De twee of drie vrijkomende neutronen kunnen weereen nieuwe splijting veroorzaken en daardoor kaneen kettingreactie ontstaan Een reactie met twee vrijkomendeneutronen: De kettingreactie kan gecontroleerd of ongecontroleerd zijnBij kernsplijting komt energie vrij (opgegeven in MeV)

Ongecontroleerde kettingreactieaantal splijtingen veroorzaakt is de reactieongecontroleerd, in een kernbom is sprake van zonreactieBij een ongecontroleerde reactie ontstaat ook een explosief toenemende hoeveelheid vrijkomende energie Als n kernsplijting een steeds sneller toenemend

Gecontroleerde kettingreactiekernsplijting veroorzaakt, is sprake van eengecontroleerde kettingreactie, een deel van devrijkomende neutronen wordt ingevangen door eenandere stof dan uranium-235De vrijkomende hoeveelheid energie is ook constantIn een kerncentrale moet sprake zijn van eengecontroleerde kettingreactieAls n kernsplijting gemiddeld weer n volgende

Massa en energievoor en na de reactie gelijk, toch is de totale massana de reactie kleiner dan ervoorEr verdwijnt dus massa, deze is omgezet in energievolgens: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 massadefectDe wet van behoud van massa en de wet van behoudvan energie gelden niet meer, ze worden vervangendoor de wet van behoud van massa n energieBij een splijtingsreactie is het aantal kerndeeltjesWe noemen dit equivalentie van massa en energie

MassadefectBij een kernsplijtingreactie komt energie vrijwant er is massa verdwenen, dit is het massadefectBij het uiteenvallen van U-235 in Xe-140 en Sr-94 ishet massadefect 3,310-28 kgVolgens berekening met komt dit neer op 3,010-11 JDe vrijkomende energie geeft men meestal op in MeV, in dit geval dus 185 MeV

AtoommassaDe massa van een atoom wordt uitgedrukt in deatomaire massa-eenheid u u = 1,6605410-27 kgDe atomaire massa-eenheid u wordt gedefinieerd als n twaalfde van de massa van een C-12 atoomDe atoommassas van veel isotopen staan in Binas tabel 25 en zijn inclusief de massa van de elektronenDe massa van een C-12 atoom is kleiner dan die van zes losse protonen, zes neutronen en zes elektronen. Er is sprake van bindingsenergie

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

Massadefect bij kernsplijtinggelijk aan 931,49 MeV (zie Binas)De energie die overeenkomt met 1 u is volgensVoorbeeld: een berekening bij een splijtingsreactieDe elektronenmassas vallen tegen elkaar wegHet massadefect is m = (236,052595-235,85400)u m = 0,198595u, de vrijkomende energie is E = 0,198595 931,49 = 185 MeV

Radioactief vervalSplijtingsproducten zijn vaak radioactiefRadioactieve isotopen vervallen meestal onderuitzending van -, - en/of -stralingVooral bij zware kernen is er -verval (helium-kern)Bij -verval wordt een neutron in de kern omgezet in een proton onder uitzending van een elektron (-)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 -foton uitzenden

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

Protonen- en neutronenstralingBij het beschieten van kernen met -deeltjeskunnen kernreacties optreden waarbij een proton ofeen neutron vrijkomt. Voorbeelden:De eerste reactie was de ontdekking van het protonals kerndeeltje (1919), de tweede die van het neutronals kerndeeltje (1932)De eerste reactie noemt men een (,p)-reactie, detweede reactie een (,n)-reactie men schiet er een-deeltje in, er komt een proton resp. neutron vrij

K-vangstSommige radioactieve isotopen vervallen dooreen elektron uit de K-schil in de kern te trekkenIn de kern vormt het elektron met een proton sameneen neutron:Ar-37 gaat op deze wijze over in Cl-37:Bij het opvullen van de lege plaats in de K-schil dooreen elektron uit een hogere schil komt energie vrij inde vorm van een rntgenfoton

Kernfusie Als twee lichte kernen (tot Fe) fuseren tot eenzwaardere komt energie vrij omdat debindingsenergie per nucleon toeneemtIn de zon en sterren is kernfusie deenergiebron, door de hoge temperatuurhebben de atoomkernen voldoende kinetischeenergie om te fuserenBij:is het massadefect m 9,9910-4u, de vrijkomende energie is 0,93 MeVBij annihilatie van het positron met een elektronontstaat nog eens 1,0 MeV

Neutrino Voor het --verval leek de wet van behoud vanmassa en energie niet te gelden, voor -verval welDoor aan te nemen dat er nog een neutraal deeltjebij betrokken is, is de wet wel geldigDit deeltje - neutrino - heeft een verwaarloosbaremassa 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 experimenteelbevestigd

Kerncentrale meestal uit een mengsel van U-235 en U-238In 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 stoomgeneratorHet reactorvat bevat splijtstofstaven, deze bestaan

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

Fusiereactor Men hoopt in de toekomst energie uitkernfusie te kunnen winnen, inmiddels is de ITER(International Tokamak Experimental Reactor) inaanbouwKernfusie moet plaatsvinden bij 108 K in een zeer sterk magneetveldVia deuterium wordt tritium gevormd en daaruit weer heliumVoorlopig kost het proces meer energie dan het oplevert

Stralingsbelasting kerncentrale is gering, 10 Sv per jaar per persoon,en komt vooral uit het koelwater van de centraleDe medewerkers worden gecontroleerd via eendosismeter en er zijn stralingsmeters aangebrachtBij een ongeluk kunnen de gevolgen echter heel ernstig zijn, denk aan TsjernobylDe stralingsbelasting voor omwonenden van een

Reactorveiligheid de buitenwereld afgeschermd door metalen buizenHet reactorvat is van dik staal, bevindt zich in eendikke betonlaag en een tweede stalen, gasdichteveiligheidskoepel. Bij onvoldoende koeling kan desplijtstof smelten, als de bodem van het reactorvateen melt-downomhulling. Het geheel staat in een betonnen smelt is er sprake vanRadioactieve stoffen worden zo goed mogelijk van

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

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

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

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