Het atoom en zijn kern
Onze wereld is opgebouwd uit atomen. Aan elkaar gebonden atomen vormen moleculen en de materialen om ons heen bestaan uit groepen moleculen. De atomen (atoom betekent ondeelbaar) vormen de kleinste deeltjes die eigenlijk verantwoordelijk zijn voor de identiteit van deze materialen. We kennen allemaal waterstof of lood of andere stoffen, allemaal bestaande uit atomen met een eigen karakter. Maar hoe zit nou een atoom in elkaar? Daarvoor duiken we even de geschiedenis in.
Het atoommodel van Rutherford
Het was in 1911 de Nieuw-Zeelander Rutherford die als eerste houtsnijdende vermoedens uitsprak over de bouw van het atoom. Hij dacht dat het atoom een soort van zonnestelsel was met een kern die vrijwel de gehele massa van het atoom in zich had en met om de kern heen draaiende satellieten De kern zou een positieve elektrische lading bezitten en de satellieten eromheen met elkaar een negatieve elektrische lading van dezelfde grootte. De satellieten zouden met zulk een snelheid om de kern draaien dat hun centrifugale kracht precies in evenwicht zou zijn met de elektrostatische kracht waarmee kern en satellieten elkaar zouden aantrekken.
Bohr
In 1913 bracht de Deen Bohr een aantal verfijningen aan in dit model. Hij was van mening dat de kern uit een aantal deeltjes bestond, protonen geheten, die ieder een positieve lading hebben en dat er evenveel deeltjes om de atoomkern heen draaien, de elektronen, die ieder een negatieve lading hebben in grootte gelijk aan de positieve lading van de individuele protonen. In wezen zouden alle atomen als hier beschreven opgebouwd zijn, vanaf waterstof met één proton en één elektron tot copernicum met honderd en twaalf protonen en honderd en twaalf elektronen.
.
Neutronen
Het Franse echtpaar Joliot-Curie sprak in 1932 vermoedens uit dat de kern iets ingewikkelder in elkaar zit. In 1912 had de Engelsman Thomson al ontdekt dat er iets niet helemaal in orde kon zijn met de het model van Rutherford, want hij ontdekte dat er twee soorten neon gas zijn met ieder een verschillend atoomgewicht. In 1932 kon de Engelsman Chadwick een verklaring vinden. Hij stelde dat de atoomkern behalve positief geladen protonen eveneens deeltjes bevatten van gelijke massa (als de protonen) maar zonder lading.
Een atoom met drie protonen en drie neutronen in de kern
en met drie elektronen in banen rondom de kern.
Hij noemde die deeltjes neutronen
Chemische eigenschappen
De elektronen kunnen niet in het wilde weg om de atoomkern draaien, anders zouden zij tegen elkaar op kunnen botsen. Ieder elektron heeft zijn eigen baan. Om de kern bevinden zich denkbeeldige schillen en de elektronen zijn netjes en systematisch verdeeld over deze schillen Iedere schil bezit een bepaald aantal banen. Zo heeft de binnenste schil twee banen, de daaropvolgende zes. Vanaf de binnenste schillen worden de banen bezet door meerdere elektronen bij het groter en zwaarder worden van de atomen. Het waterstofatoom bezit in de kern één proton; de binnenste schil wordt dan ook slechts bezet door één elektron.
Isotopen
We zagen reeds dat Thomson twee soorten neon gas onderscheidde. Ook van het waterstofatoom bestaan meerdere soorten. Gewoon waterstof heeft slechts één proton en geen neutron in de kern, echter een zogenaamde isotoop van waterstof, deuterium, heeft één proton én één neutron (zie figuren 1,2 en 3).
Het waterstofatoom
Deuterium en tritium
Een andere isotoop, tritium, heeft één proton en twee neutronen in de kern. Gewone waterstof, deuterium en tritium hebben alle drie dezelfde chemische eigenschappen. Dat komt omdat, zoals de atomen zich aan de buitenwereld vertonen, met in alle drie de gevallen slechts één elektron in de binnenste schil, zij gelijke chemische eigenschappen vertonen. Isotopen zijn dus atomen met dezelfde chemische eigenschappen, doch met verschillend aantal neutronen in de kern.
Massagetal en atoomnummer
Zoals uit het voorgaande blijkt zijn de protonen en de neutronen zwaar vergeleken met de elektronen. Protonen en neutronen bepalen gezamenlijk de massa van een atoom. Een proton heeft een massa van 1,6725 x 10^-27, de massa van een neutron is 1,6748 x 10^-27. Men noemt de som van het aantal protonen en neutronen het massagetal. Het aantal protonen, dat bepalend is voor het soort atoom, noemt men het atoomnummer.
Uranium
Uranium wordt in de natuur gevonden, vaak in gesteenten. Dit uranium bestaat uit hoofdzakelijk twee isotopen, uranium-235 en uranium-238 in verhouding 0,7 : 99,3. De kern van uranium-235 bevat 92 protonen en 143 neutronen (totaal dus 235 protonen + neutronen), die van uranium-238 92 protonen en 146 neutronen. De kern van uranium-235 kan een neutron absorberen en valt dan uitklaar in meestal twee stukken en nog eens 2-3 neutronen die rijk aan kinetische energie zijn, m.a.w. hebben een hoge snelheid. Daar ook de twee stukken energie in zich dragen wordt bij de splijting veel energie geproduceerd. De drie vrijkomende neutronen kunnen weer volgende splijtingen bewerkstelligen. Door deze processen te beheersen kan dus zeer veel energie gewonnen worden. De vraag is: waar komt deze energie vandaan? De volgende paragraaf geeft daar antwoord op.
Splijting van uranium-235 in steeds twee delen en twee neutronen.
In werkelijkheid komen gemiddeld 2,4 neuronen per splijting vrij.
De kern van uranium-238 kan ook een neutron absorberen, doch splijt dan niet, maar gaat in een aantal stappen over in plutonium, dat net als uranium-235 splijtbaar is en daarbij eveneens energie voortbrengt.
Bindingsenergie
Het blijkt dat kerndeeltjes op zich, dus in niet gebonden toestand, steeds zwaarder zijn dan diezelfde deeltje in gebonden toestand. Men heeft dit verschijnsel voor alle atoomkernen gemeten en daar komt uit dat het verschil voor hele kleine atomen klein is en dat het groter wordt tot een massagetal tussen 50 en 100 en dan weer kleiner (de volgende figuur toont dit).
Losse kerndeeltjes hebben grotere massa dan dezelfde
kerndeeltjes gebonden.
Opmerkelijk in de figuur is dat een kern uranium-235 zwaarder is (meer massa heeft) dan een kern strontium-94 (Sr-94) en een kern xenon-139 (Xe-139) bij elkaar. Hoeveel precies blijkt uit het volgende. Absorbeert een kern uranium-235 een neutron dan kan hij uiteenvallen in een kern strontium-94 en een kern xenon-139 plus drie neutronen. Uranium-235 plus een neutron is zwaarder dan een kern strontium-94 plus een kern xenon-139 plus drie neutronen (zie de volgende figuur).
Een kern uranium-235 + een neutron hebben 0,35 x 10^-27 kg
meer massa dan een kern strontium + een kern xenon + 3 neu-
tronen.
Via de bekende formule van Einstein E = mc^2, waarin E is energie, m is massa en
c is de lichtsnelheid is uit te rekenen dat het massaverschil terug te vinden is als energie en wel 200 MeV per gespleten kern uranium-235. Een gram uranium-235 bevat ongeveer(één gram gedeeld door 235 x massa neutron en dat zijn) 26x10^20 atomen en dat levert 26x10^20 x 200 MeV = ca. 5,2 x 10^23 MeV. Dit is ongeveer gelijk aan de verbrandingswaarde van 2,6 ton steenkool.
Uranium voorraden
De volgende tabel geeft de thans bekende uraniumvoorraden naar land van herkomst.
Door OECD geschatte uraniumreserves
winbaar voor $130/kg of minder (2009)
|
|
ton U |
percentage |
|
Australie |
1,673,000 |
31% |
|
Kazakhstan |
651,000 |
12% |
|
Canada |
485,000 |
9% |
|
Rusland |
480,000 |
9% |
|
Zuid Afrika |
295,000 |
5% |
|
Namibie |
284,000 |
5% |
|
Brazile |
279,000 |
5% |
|
Niger |
272,000 |
5% |
|
USA |
207,000 |
4% |
|
China |
171,000 |
3% |
|
Jordanie |
112,000 |
2% |
|
Uzbekistan |
111,000 |
2% |
|
Ukraine |
105,000 |
2% |
|
India |
80,000 |
1.5% |
|
Mongolie |
49,000 |
1% |
|
andere |
150,000 |
3% |
|
Wereld totaal |
5,404,000 |
|
Bron: World Nuclear Association
De voorraden uranium zijn bij gebruik van alleen uranium-235 in conventionele reactoren (zie onder principe van kernreactoren) voldoende voor 80 jaar, bij verbruik zoals in 2009. Aangetekend moet worden dat de urgentie voor het vinden van uranium nog niet groot is. Zou die urgentie er wel zijn dan zou de voorraad volgens schattingen kunnen oplopen tot het dubbele. Worden ook kweekrectoren (zie onder principe van kernreactoren) toegepast dan zou de voorraad voor een periode van nogmaals 70 maal langer voldoende zijn.
Betekenis van gebruikte symbolen en schrijfwijzen:
1MeV = 1.000.000 eV = ongeveer 4 x 10^-17 kcal
1 eV is de energie nodig om een elektron tegen een elektrisch veld van 1 volt (V)
te laten lopen
10^6 = 1.000.000; 10^-3 = 1/1000
Neutronenproductie bij kernsplijting
In de kernenergie is neutronen economie van groot belang. Teneinde de
opwekking van energie in stand te houden dienen er steeds voldoende neutronen aanwezig te zijn. Een overvloed van neutronen is geen probleem. Het teveel aan neutronen kan eenvoudig geabsorbeerd worden door bepaalde materialen die in een kernreactor als regelstaven gebruikt worden. De neutronen productie in een lichtwater reactor kan al voor problemen zorgen. Licht water (gewoon water) dat als moderator (zie paragraaf "Modereren") gebruikt wordt, vertoont de eigenschap dat het neutronen absorbeert. Past men natuurlijk uranium (uranium met samenstelling zoals in de natuur, dus 0,7% uranium-235 en 99,3% uranium-238) toe dan blijkt een voortgaande reactie moeilijk haalbaar. Daarom wordt het uranium enigszins verrijkt (het gehalte uranium-235 wordt opgevoerd tot 3-5%). Probleem is ook dat kernreacties het eenvoudigst verlopen met langzame neutronen. Langzame neutronen produceren bij een kernreactie minder vrije (of nieuwe) neutronen.
In een kweekreactor (een reactor die energie opwekt door kernsplijting en tegelijkertijd meer nieuwe splijtstof produceert dan hij verbruikt) moet minstens één vrij neutron beschikbaar zijn voor het onderhouden van de kettingreactie en meer dan één voor het kweken. Daarnaast ontsnapt altijd een klein aantal neutronen. De kettingreactie verloopt het beste met langzame neutronen, maar dan worden er per kernsplijting slecht gemiddeld om en nabij de twee vrije neutronen geproduceerd. Met zeer snelle neutronen worden er gemiddeld ongeveer drie geproduceerd. Maar met snelle neutronen is de splijting moeilijker. Anders gezegd de kans op splijting van de splijtstof door een neutron wordt kleiner. Om de splijtkans te vergroten moet meer splijtstof (dus meer splijtstofstaven) per volume eenheid geïnstalleerd te worden. Daarom is de kern van een kweekreactor zeer compact gebouwd.
De volgende figuur geeft de neutronen productie per splijting weer voor splijtbaar uranium en plutonium.
Neutronen opbrengst per splijting (Bron: Indra Gandhi Centre for Atomic Energy)
In deze figuur is te zien dat bij lage energie van het geabsorbeerde neutron de neutronenopbrenst per splijting ongeveer 2,4 gemiddeld is voor zowel uranium-235 als plutonium-239. Voor plutonium-239 bedraagt de neutronenopbrengst 3 neutronen gemiddeld bij een energie van het invallende neutron van 1 MeV, dat is 10^6 eV, dat is een snelheid van het neutron van 14.000 km/s.
Werkzame doorsnede
In de kernenergie betekent de werkzame doorsnede de kans van interactie tussen twee kerndeeltjes of de kans van interactie tussen een kerndeeltje en een atoomkern. Het begrip is van belang in verband met de interactie tussen een neutron en een uranium kern. De werkzame doorsnede is afhankelijk van de snelheid (of de equivalente hoeveelheid kinetische energie) waarmee het neutron zich voortbeweegt en zijn doel raakt. Het is bekend dat snelle neutronen afgeremd (gemodereerd) moeten worden om met groter kans op succes een uranium-235 kern te doen splijten. Deze splijting brengt twee tot drie neutronen voort die weer afgeremd moeten worden om met grotere kans op succes volgende splijtingen teweeg te brengen. De kans dat een neutron splijting teweeg brengt drukt men in de kernenergie uit als de werkzame doorsnede van het getroffen doel. Deze werkzame (oppervlak van) doorsnede wordt uitgedrukt in de eenheid barn (1 barn = 10-28 m2)
|
Figuur 1: De werkzame doorsnede voor spijtig van U-235 (Illustratie: MIT) |
Bij hogere energieën wordt de werkzame doorsnee kleiner (zie figuur 1). In figuur 1 zijn drie gebieden te onderscheiden: een gebied van langzame of thermische neutronen (< o,1 eV), een resonantie gebied, als gevolg van het specifieke trillingsgedrag van neutron en kern, (0,1 - 100eV) en het snelle neutronen gebied (> 10.000eV = 10^-2 MeV). Blijkbaar hebben snelle neutronen minder kans om een interactie aan te gaan. We zagen al eerder dat neutronen afgeremd moeten worden om met groter succes uranium-235 te laten splijten.
Luchtverontreiniging door fossiele-brandstof centrales
Een kerncentrale produceert geen luchtverontreiniging. Om aan de basislast vraag (het niet-fluctuerende gedeelte van de vraag naar en bijgevolg de productie van elektriciteit) naar elektriciteit te voldoen zijn steenkool-, olie-,aardgas- en/of kerncentrales noodzakelijk. Kernenergie produceert geen luchtverontreiniging. Het volgende staatje geeft weer hoeveel de fossiele brandstoffen aan luchtverontreiniging afgeven.
Kweken
In de kernenergie beteken "kweken" het vervaardigen van splijtbare kernen uit minder gemakkelijk splijtbare kernen. Voorbeelden zijn het kweken van plutonium-239 uit uranium-238 en van uranium-233 uit thorium-232. In het navolgende zullen wij ons bezig houden met het kweken van plutonium uit uranium-238. In natuurlijk uranium bevinden zich uranium-235 en uranium-238 in een verhouding van 0,7 : 99,3. In conventionele kernreactoren wordt in feite alleen uranium-235 voor energieproductie gebruikt, helaas het schaarst aanwezige uranium in natuurlijk uranium. Willen wij gebruik maken van de grote hoeveelheden uranium-238 die te vinden zijn, dan kunnen wij dat doen door uranium-238 te kweken tot plutonium-239 dat heel goed bruikbaar is voor energieopwekking. Dat gebeurt in het algemeen in een zg. kweekreactor (Duits: Schnelle Brüter; Engels: Liquid Metal Fast Breeder Reactor).
Een kweekreactor bezit een kern, waar de splijting van plutonium plaatsvindt. Om die kern bevindt zich een mantel, met in de aanvang van het kweekproces uranium-238. Dit uranium wordt door absorptive van snelle neutronen uit de kern omgezet (gekweekt) in plutonium-239. Zie figuur 1. Overigens vindt in de kern ook omzetting plaats van uranium-238 tot plutonium-239 omdat het plutonium in de kern (dat afkomstig is uit de mantel) nog een hoeveelheid uranium-238 bevat. Te onderscheiden valt een splijtzone
Fguur 1: Kern en mantel van een kweekreactor
en een kweekzone.
De Duitsers spreken van snelle kweekreactor omdat de reactor bedreven wordt met snelle neutronen. Snelle neutronen geven bij splijting van plutonium meer neutronen af dan langzame (zie "Neutronen productie"). De afgegeven neutronen hebben een energie van 1 MeV wat overeenkomt met een snelheid van 14.000 km/h en met die snelheid is de productie per splijting gemiddeld drie neutronen met langzamere neutronen wordt deze opbrengst lager.
Een kweekreactor gebruikt veel neutronen. Eén neutron is nodig voor de volgende splijting en minstens één voor het kweken. Minstens één omdat men van een kweekreactor vergt dat hij meer materiaal kweekt dan splijt. Rekening wordt verder gehouden met verlies van neutronen door ontsnapping en absorptie in andere materialen dan uranium).
Een kweekreactor heeft dus geen moderator, immers, we hebben snelle neutronen nodig. Om modereren tot een minimum beperkt te houden worden vloeibare metalen toegepast om te koelen omdat metalen opgebouwd zijn uit zware atomen die bij botsing met neutronen deze meer weerkaatsen dan afremmen. Meestal wordt vloeibaar natrium als koelmiddel gebruikt omdat dit metaal minder corrosief is dan andere voor dit doel bekende metalen.
Snelle neutronen hebben het nadeel dat zij minder eenvoudig geabsorbeerd worden door uranium of plutonium dan lengzamere neutronen. Om dit nadeel op te heffen worden kern en kweekmantel zeer compact (de spijtstofstaven staan zeer dicht op elkaar) gebouwd.
Om de compacte kern voldoende te koelen dient het koelmiddel een goede warmteoverdracht te realiseren. Metalen bezitten grote warmtegeleiding waardoor zij veel warmte snel kunnen afvoeren. Metalen (met name vloeibaar natrium) zijn geode koelmidden voor een kweekreactor.
Na iedere zes tor negen maanden moet de kweekreactor stilgelegd worden om het gekweekte plutonium naar de kern te verplaatsen en de mantel weer te voorzien van uranium-238.