Hoe kernreactoren werken

kernreactie

Uranium is het element met de hoogste massa dat in een aantoonbare hoeveelheid op aarde voorkomt. Er bestaan verschillende isotopen van uranium: 235U, 234U en 238U. Uranium 238 komt veruit het meest voor: meer dan 99% van het in de natuur voorkomend uranium heeft een atomaire massa van 238. Minder dan 1% van het natuurlijke uranium is uranium 235. Uranium 234 komt slechts in uiterst kleine hoeveelheden voor (0,005%). Het is het 235U dat erg radioactief is.

Uranium is een alfa-straler: het straalt een helium kern uit waardoor een thorium atoom achterblijft (met kerngetal 90).

Uranium kan verrijkt worden. Via verschillende technieken kan men de concentratie van uranium 235 verhogen. Voor gebruik in kerncentrales verrijkt men het uranium meestal tot 2 of 3%. Voor gebruik in atoomwapens verrijkt men uranium tot meer dan 85%.

Uranium is een van de weinige radioactieve stoffen waarvan men een kernsplitsing kan opwekken. Als men een neutron afschiet in een uranium 235 atoomkern zal de kern dit neutron opnemen (vorming van 236U) en heel instabiel worden. Het onstabiele atoom zal splitsen in 2 kleinere atomen (in de tekening krypton 92 en barium 141) en vrije neutronen die met hoge snelheid worden afgevuurd. Hierbij komt ook energie vrij. Indien deze vrije neutronen met een ander 235U atoom in botsing komen treedt de reactie opnieuw op. Het gaat hier dus om een echte kettingreactie. Hoe hoger het gehalte 235U, hoe groter de kans is dat de reactie wordt verdergezet.

Uranium 235 kan zo op verschillende manieren splitsen. Onder andere:

  • uranium 235 + neutron -> 2 neutronen + krypton 97 + barium 137 + energie
  • uranium 235 + neutron -> 2 neutronen + strontium 94 + xenon 140 + energie
  • uranium 235 + neutron -> 3 neutronen + krypton 92 + barium 141 + energie
  • uranium 235 + neutron -> 3 neutronen + cesium 140 + rubidium 93 + energie

Bij dit proces komen ook gamma stralen vrij en gigantische hoeveelheden energie onder de vorm van warmte.

Hoe kernreactoren energie opwekken

Kernreactoren bevatten een reactorvat waarin radioactief verrijkte uranium staven zijn gedompeld. Deze staven worden samen gebundeld. Het water wordt gebruikt als koelingsmiddel, want als het uranium niet wordt ondergedompeld zou het oververhitten en smelten.

Oververhitting kan ook gecontroleerd worden door controle staven in de bundel uranium staven. De controle staven kunnen neutronen absorberen en door ze juist te positioneren in de bundel kan de snelheid van de kernreactie verhoogd of verlaagd worden.

Als men meer energie en hitte wil opwekken worden de controle staven uit de bundel gehaald. Als men de reactie wil stoppen worden ze volledig tussen de uranium staven geplaatst waardoor de neutronen door de controle staven gevangen worden en niet meer met het U-235 kunnen reageren.

De uranium bundel is een hoog-energetische energie bron die hitte produceert. De hitte wordt gebruikt om water in stoom om te zetten. De stoom wordt volgens het klassieke mechanisme van de stoommachine gebruikt om energie op te wekken.

Voordelen kernenergie

Het grote voordeel van kernenergie is dat de energie vrij goedkoop op te wekken is, er gigantische hoeveelheden energie kunnen opgewekt worden met relatief weinig splijtstof (een kilo U-235 produceert 3 miljoen keer meer energie dan een kilo kool) en dat er geen CO2 vrijkomt bij de energieproduktie.

Nadelen kernenergie

Er zijn echter ook erg belangrijke nadelen verbonden aan deze vorm van energieopwekking:

Kernafval

Het afval uit een kernreactor is nog steeds radioactief en blijft dat gedurende vele duizenden jaren. De afval van de energie die we nu produceren is dus een probleem voor de komende honderden generaties.

Ongevallen

Er gebeuren regelmatig ongevallen in kerncentrales. De gevolgen hiervan zijn soms desastreus.

Meltdown

Een meltdown of kernsmelting treedt op wanneer de koeling van de reactor er niet meer in slaagt voldoende warmte af te voeren en de radioactieve stoffen oververhitten en (gedeeltelijk) smelten. In erge gevallen van meltdown kan de kern zo heet worden dat hij de bodem van de reactor doet smelten en in de grond zinkt. Men noemt dit een China syndroom (de reactor brandt zogezegd door de aarde om er aan de andere kant - in China - uit te komen). Dit is gelukkig nog niet voorgekomen. Het optreden van een meltdown toont aan dat de kernreactie niet meer onder controle is en vaak komt dit voor als gevolg van grote problemen waarbij radioactieve straling vrijkomt in de omgeving.

De belangrijkste ongevallen in kerncentrales waren:

Three Mile Island

Op 28 maart 1979 vond in de kerncentrale van Three Mile Island (Harrisburg, Pennsylvania, VS) een ongeluk plaats. Door een probleem met de koelinstallatie vond een gedeeltelijke kernsmelting plaats en kwam radioactiviteit vrij in de omgeving.


Grotere kaart weergeven
de kerncentrale van Three Mile Island

Tsjernobyl

Op 26 april 1986 ontplofte een reactor in de kerncentrale van Tsjernobyl (het huidige Oekra´ne). Er kwamen massale hoeveelheden radioactiviteit vrij die heel Europa besmetten en de omgeving rond de reactor is nog altijd onbewoonbaar omwille van de ioniserende straling.


View Larger Map
de kerncentrale van Tsjernobyl

Fukushima

Op 11 maart 2011 was dicht bij de Japanse kust één van de krachtigste aardbevingen ooit geregistreerd (9 op de schaal van Richter). De aardbeving werd gevolgd door een tsunami die hele steden wegvaagde. Alsof dat nog niet erg genoeg was zorgde de ramp er ook voor dat de stroom voorziening en de noodgeneratoren van de kerncentrale in Fukushima het begaven. Het gevolg was dat de reactoren oververhitten met verschillende ontploffingen tot gevolg.


View Larger Map
de kerncentrale bij Fukushima

Hoge kosten

Hoewel de opwekking van energie vrij goedkoop is, is het bouwen van een kerncentrale erg duur. De kosten van de afvalverwerking zijn ook duur en vooral langdurig.

Beschikbaarheid uranium

Uranium is een zeldzame grondstof. Men schat dat er nog maar voor 30 tot 60 jaar uranium beschikbaar is.