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)
Top Related