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)
Top Related