Kernenergie

Afbeelding: de Belgian Reactor 1 (BR1) in het SCK BEN in Mol.

Inhoud

Energie uit kernsplijting

Als je een zware atoomkern splitst in twee lichtere atoomkernen (= kernsplijting), dan is de massa van de eindproducten minder dan de massa waarmee je begon.

Die massa werd omgezet in energie volgens de massa-energierelatie (E=mc²). De energie werd afgegeven aan de omgeving.

KERNCENTRALES

De “brandstof” in de huidige generatie kernreactoren is uranium. Natuurlijk uranium bestaat voornamelijk uit een mix van 2 isotopen: U-235 (0,7 %) en U-238 (99,3 %). Het isotoop U-235 is ideaal voor kernsplijting en dus om kernenergie te oogsten.

TERMINLOGIE - VERRIJKING VAN URANIUM

Om bruikbare kernbrandstof te maken wordt het uranium verrijkt. Dat wil zeggen dat het uranium wordt bewerkt zodat de hoeveelheid U-235 tussen de 3 % en de 5 % ligt.

OEFENING

Ga uit van 1 kg verrijkt uranium, dat 4 % U-235 bevat.

Bij de splitsing van U-235 wordt 1/1000 van de massa volgens de massa-energierelatie omgezet naar energie.

Hoeveel kernenergie kan je dus oogsten uit 1 kg verrijkt uranium?
Een Belgisch gezin met een elektrische auto gebruikt jaarlijks ongeveer 25 GJ elektrische energie. Hoeveel gezinnen kan je dus in theorie met 1 kg uranium een jaar lang van elektriciteit voorzien?

OPLOSSING

- 1 -

4 % van 1 kg verrijkt uranium is U-235. Dus m = 0,04 kg.

Het massadefect is 1/1000 van die massa:

∆m = 4∙10-5 kg (We nemen die even positief om de energie uit te rekenen.)

Nu gebruiken we de massa-energierelatie:

E = Δm∙c² = 3,6∙1012 J

- 2 -

Aan hoeveel gezinnen kan je elk jaar 25 GJ (= 2,5∙1010 J) energie leveren?

144 gezinnen

Interessante weetjes.

Het verrijken van het uranium dat in de Belgische kerncentrales gebruikt wordt, gebeurt buiten België (via buitenlandse verrijkingsfaciliteiten zoals in Frankrijk) én op basis van internationale contracten. België heeft zelf geen grote lokale verrijkingscapaciteit voor kernbrandstof.

De Belgische kerncentrales gebruiken in totaal ergens tussen de 10 en de 100 ton uranium per jaar. (De exacte cijfers lijken niet openbaar beschikbaar.) Omdat een typische vrachtwagen met opligger ongeveer een laadvermogen van 25 ton heeft, kom je dus jaarlijks toe met ongeveer 4 vrachtwagens uranium.

Kernreacties kunnen héél veel energie leveren met weinig kernbrandstof.

Op dit moment (2023) wordt wereldwijd ongeveer 10 % van de elektriciteit opgewekt door kerncentrales (BRON).

Over het gebruik van kerncentrales zijn de meningen erg verdeeld. Hier zijn enkele voordelen en nadelen op een rij.

ENKELE VOORDELEN:

ze zijn klimaatvriendelijk omdat ze geen CO₂ uitstoten.
ze halen héél veel energie uit weinig grondstoffen (want E=mc²).
een kerncentrale levert constant energie (behalve tijdens het onderhoud).
ze zijn erg duur in bouw maar gezien hun lange levensduur kunnen ze toch vrij goedkoop elektriciteit leveren.
er zijn weinig incidenten geweest tijdens de meer dan 70 jaar dat we met kerncentrales werken.

ENKELE NADELEN:

het verrijken van uranium is een moeilijke procedure en er zijn bezorgdheden dat de verrijkingsinstallaties ook kunnen worden ingezet om zgn. weapons-grade uranium te maken.
kerncentrales produceren radioactief afval waar we voorlopig niet goed weg mee weten.
als er een ongeval gebeurt met een kerncentrale, dan zijn de gevolgen mogelijk heel ernstig. Lees over de kernramp van Tsjernobyl (1986) en de kernramp van Fukushima (2011)

De commerciële kernreactoren in België zijn allemaal van het type pressurized water reactor (PWR).

Schema van een zgn. pressurized water reactor (PWR).

De energieproductie van een kerncentrale gebeurt in het reactorvat ②. In de zgn. brandstofstaven ① vindt de kernsplijting van U-235 plaats. De energie die hierbij vrijkomt wordt afgegeven aan water dat onder hoge druk staat en dus niet begint te koken bij hoge temperatuur. Dat water wordt rondgepompt en geeft zijn warmte in een warmtewisselaar ③ af aan een tweede waterkring. Daar ontstaat stoom die een stoomturbine ④ laat draaien. De stooomturbine drijft een generator ⑤ aan. De stoom in de tweede waterkring zal condenseren in een tweede warmtewisslaar ⑥. Die gebruikt oppervlaktewater ⑦ als koelmiddel. Dat is de reden dat kerncentrales aan rivieren worden gebouwd.

Het koelwater uit de derde kring van een kernreactor wordt zelf gekoeld in een koeltoren.

Koeltorens van de kerncentrale in Belleville (FR).

KETTINGREACTIES

In alle voorbeelden van de splitsing van U-235 zie je dat de kern 1 neutron vangt en dat bij de kernsplijting méér dan 1 neutron vrijkomt. Dit kan leiden tot een kettingreactie waarbij steeds meer energie vrij komt.

De splijting van U-235 kan een kettingreactie veroorzaken.

De uitdaging in een kernreactor is dus om een stabiel regime te creëren dat genoeg energie opbrengt én waarbij dan voor elk neutron dat geabsorbeerd wordt maar 1 neutron een nieuwe splijting kan veroorzaken. Dat wordt gedaan door regelstaven te laten zakken tussen de brandstofstaven waarin het uranium zit. De regelstaven zijn gemaakt van een materiaal dat goed neutronen absorbeert.

Schematisch voorstelling van reactorvat met neergelaten en opgetrokken regelstaven (groen).

SIMULATIE

Gebruik de simulatie Nuclear Fission om kernsplijting te bestuderen.

Gebruik het onderdeel Chain Reaction om een kettingreactie te veroorzaken. Begin met weinig kernen. Verhoog dan het aantal kernen. Merk je op dat je een voldoende aantal kernen nodig hebt voor een efficiënte kettingreactie?
Gebruik het onderdeel Nuclear Reactor en bekijk hoe de positie van de regelstaven de Power Output (het vermogen dus) van de reactor bepaalt.

ATOOMBOMMEN

De eerste generatie atoombommen waren pure splijtingsbommen. Ze maakten gebruik van de kettingreactie die ontstaat bij kernsplijting. Hiervoor is een kritische massa splijtbaar materiaal nodig.

In 1938 werd het bestaan van kernsplijting aangetoond door Otto Hahn, Fritz Strassmann en Lise Meitner. Tijdens de Tweede Wereldoorlog leefde bij de geallieerden de vrees dat Nazi-Duitsland bezig was om een atoomwapen te ontwikkelen. Daarom werd in 1942 het Manhattanproject door de Verenigde Staten opgestart, ook met de bedoeling om een atoomwapen te ontwikkelen. Het project werd een succes en op 16 juli 1945 werd Trinity, de eerste atoombom, tot ontploffing gebracht. Op 6 augustus 1945 werd boven de Japanse stad een atoombom tot ontploffing gebracht en op 9 augustus 1945 boven de stad Nagasaki. Op 12 augustus 1945 gaf Japan zich over, waarmee de Tweede Wereldoorlog eindigde.

De ontploffing van Trinity.

SIMULATIE

Gebruik de NUKEMAP en bekijk de gevolgen als je boven Brussel de klassieke atoombom "Little Boy" tot ontploffing brengt.

NUKEMAP by Alex WellersteinNUKEMAP is a mapping mash-up that calculates the effects of the detonation of a nuclear bomb.

OPDRACHT

In 1945 capituleerde Japan nadat de Verenigde Staten twee kernwapens boven het land tot ontploffing brachten. Hiermee eindigde de Tweede Wereldoorlog.

OMD maakte er het liedje Enola Gay over. Naar welke zaken verwijzen de in het rood gemarkeerde delen in de tekst?

ANTWOORD

Het vliegtuig dat de eerste atoombom boven Japan afwierp heette Enola Gay, genoemd naar de moeder (mother) van de commandant van de missie. De commandant was de little boy van zijn mama. De atoombom was de little boy van het vliegtuig. De atoombom kreeg de naam Little Boy.
De bom werd afgeworpen op 6 augustus om 8:15.
De kiss die de aanval aan Japan gaf is never ever gonna to fade away want ook vandaag nog is er angst voor de verwoestende kracht van atoombommen.

De atoomaanvallen op Japan beëindigden de Tweede Wereldoorlog maar bij die aanvallen vielen langs Japanse zijde enorm veel burgerslachtoffers. De meningen over de noodzaak van het inzetten van atoomwapens zijn verdeeld. Should it have ended this way?

Enola Gay
You should have stayed at home yesterday
Ah-ha, words can't describe
The feeling and the way you lied

These games you play
They're going to end in more than tears some day
Ah-ha Enola Gay
It shouldn't ever have to end this way

It's 8:15
And that's the time that it's always been
We got your message on the radio
Conditions normal, and you're coming home

Enola Gay
Is mother proud of little boy today?
Ah-ha this kiss you give
It's never ever gonna to fade away

. . .

Energie uit kernfusie

Als je lichte atoomkernen fusioneert tot een zwaarde atoomkern (= kernfusie), dan is de massa van de eindproducten minder dan de massa waarmee je begon.

Die massa werd omgezet in energie volgens de massa-energierelatie (E=mc²). De energie werd afgegeven aan de omgeving.

Atoomkernen zijn positief geladen. Die stoten elkaar dus af door de elektrische afstoting. Om atoomkernen te laten fusioneren moeten die kernen dicht genoeg bij elkaar komen zodat de sterke kernkracht de elektrische afstoting kan overwinnen.

Die atoomkernen moeten daarom extreem snel gaan. Voor kernfusie heb je dus extreem hoge temperaturen nodig.

KERNFUSIE IN STERREN

Een ster ontstaat wanneer een stofwolk in de ruimte samentrekt onder invloed van de gravitatiekracht. Daarbij wordt de gevormde bol intern opgewarmd. Op een gegeven moment wordt de bol intern zó warm dat kernfusie start en gigantische hoeveelheden energie vrijkomen onder de vorm van straling. Die straling zorgt voor stralingsdruk.

Een ster is dus een systeem waarbij de stralingsdruk en de gravitatiekracht elkaar in evenwicht houden.

85 % van de energie van de zon komt vrij omdat in het centrum van de zon de proton-proton keten van kernreacties gebeurt. Netto start deze keten met 4 protonen en eindigt hij met helium-4 en véél energie. In een volgende fase van het bestaan van de zon zal ze bijvoorbeeld ook helium fusioneren.

De proton-proton keten van kernreacties zoals die in de zon plaatsvinden.

OPDRACHT

In sommige typen van sterren gaat de fusie zó ver dat het eindproduct uiteindelijk Fe-56 is, waarna de ster explodeert in een supernova-explosie en er met de energie die vrijkomt nóg zwaardere elementen worden gevormd!

Waarom kunnen kernen die zwaarder zijn dan Fe-56 niet spontaan fusioneren tot nóg zwaardere kernen?
Waarom wordt de ster instabiel als er veel Fe-56 is gevormd?

ANTWOORDEN

Lichte kernen fusioneren levert energie op.
Zware kernen splitsen levert energie op.
Er moet dus ergens tussenin een regio zijn die géén (of nauwelijks) energie oplevert bij fusie of splijting.
Die regio ligt rond Fe-56.
Fe-56 splitsen of fusioneren KOST energie. Dat gebeurt dus niet zomaar.
Fe-56 splitsen of fusioneren KOST energie. Dat gebeurt dus niet zomaar.
Als er veel Fe-56 is gevormd in een ster, vermindert de hoeveelheid kernfusie.
De stralingsdruk vermindert dan en de ster klapt in elkaar onder haar eigen gewicht.
Dan krijg je een supernova explosie.

KERNFUSIE OP AARDE - GECONTROLEERDE FUSIE → FUSIEREACTOREN

Eén van de grootste uitdagingen voor de wetenschap en de techniek is momenteel de gecontroleerde (!) fusie van waterstofkernen hier op aarde. Indien men hierin slaagt, dan zijn al onze energieproblemen opgelost. En bij kernfusie worden bovendien geen radioactieve eindproducten geproduceerd!

Er zijn verschillende samenwerkingsverbanden in de wereld die de realisatie van een economisch rendabele (!) fusiereactor bestuderen. Gecontroleerde kernfusie is op aarde is immers al mogelijk maar momenteel steken we netto nog meer energie in het proces dan eruit komt.
De landen van de Europese Unie zijn betrokken bij het ITER-project in Cadarache (FR).

KERNFUSIE OP AARDE - ONGECONTROLEERDE FUSIE → WATERSTOFBOMMEN

Ongecontroleerde kernfusie is sinds 1952 geen probleem meer. Toen werd Ivy Mike, de eerste zgn. waterstofbom, tot ontploffing gebracht. Om de temperatuur en druk te krijgen om het fusieproces te starten, wordt bij een waterstofbom een gewone atoombom (kernsplijting) gebruikt.