Newton - VWO

Kernsplijting en kernfusie

Samenvatting

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

Kernsplijting

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:

Instabiele kernen vervallen onder uitzending van

235 1 140 94 192 0 54 38 0U+ n Xe+ Sr+2 n+185MeV

Kettingreactie

(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

Bij kernsplijting komt energie vrij (opgegeven in MeV)

Ongecontroleerde kettingreactie

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

Als één kernsplijting een steeds sneller toenemend

Gecontroleerde kettingreactie

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

Als één kernsplijting gemiddeld weer één volgende

2E m c

Massa en energie

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

Bij een splijtingsreactie is het aantal kerndeeltjes

We noemen dit equivalentie van massa en energie

MassadefectBij 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 kg2E m c Volgens berekening met

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

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 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

2E m c

235 1 140 94 192 0 54 38 0U+ n Xe+ Sr+2 n+185MeV

gelijk aan 931,49 MeV (zie Binas)

De energie die overeenkomt met 1 u is volgens

Voorbeeld: een berekening bij een splijtingsreactie

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 vervalSplijtingsproducten 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

0 0-1 1γ e+ e

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

14 4 17 17 2 8 1N+ He O+ p 9 4 12 1

4 2 6 0Be+ He C+ n

Protonen- en neutronenstralingBij het beschieten van kernen met α-deeltjes

kunnen kernreacties optreden waarbij een proton of

een neutron vrijkomt. Voorbeelden:

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

0 1 1-1 1 0e+ p n

K-vangst

37 0 3718 -1 17Ar+ e Cl

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:

Ar-37 gaat op deze wijze over in Cl-37:

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

1 1 2 01 1 1 1H+ H H+ e+

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

Bij: is het massadefect m

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

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 bevat splijtstofstaven, deze bestaan

Het reactorvat

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

Voor een volgende splijtingsreactie moeten de

vrijkomende neutronen afgeremd worden, de stof die

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

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

De stralingsbelasting voor omwonenden van een

Reactorveiligheid

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

Radioactieve 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 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

Het uranium voor de kerncentrales moet eerst

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

93 94 -1Np Pu+ e

Opwerking

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)

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 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)