2. Kernenergie

Om zich een mening te vormen over het gebruik van kernenergie, moeten we weten wat we er onder verstaan. Eén van de eerste vragen is: "Wat is kernenergie?" Wanneer men spreekt over kernenergie wordt een speciale manier van electriciteitsopwekking bedoeld, namelijk die waarbij de benodigde energie geleverd wordt door een kernreactie.

Om te begrijpen wat hiermee bedoeld wordt, is een stukje scheikunde nodig.

Iets over de bouw van een atoomkern

Een groot deel van de op aarde voorkomende stoffen bestaan uit moleculen. Het andere deel uit ionen. Moleculen bestaan weer uit atomen en de atomen uit een kern met daaromheen een aantal elektronen.

De kern is dus het centrale deel van een atoom. Zo'n atoomkern bestaat uit een aantal protonen en een aantal neutronen. Protonen dragen een positieve elektrische lading, terwijl elektronen een negatieve lading hebben. Neutronen hebben geen lading. In een atoom is het aantal protonen gelijk aan het aantal elektronen. Dus een atoom is in zijn geheel elektrisch neutraal oftewel een atoom bevat evenveel positieve als negatieve ladingen. Omdat de protonen en de elektronen elkaar aantrekken, blijft het atoom een eenheid.

Atomen kunnen echter door het afstaan of opnemen van elektronen veranderen in positief of negatief geladen deeltjes. Deze staan dan bekend als ionen. 

Iedere atoomsoort heeft een vast aantal protonen, terwijl er enige variatie is in het aantal neutronen (geen lading). Dit betekent dat er van één atoomsoort verschillende vormen (= isotopen) kunnen voorkomen.

Bijvoorbeeld van waterstof (= H) kennen we de isotopen ¹H, ²H en ³H. Deze isotopen hebben steeds één proton en daarnaast 0, 1 of 2 neutronen. De getallen linksbovn de H (³H) geven de massa, "het gewicht", van de atoomsoort aan. Dit is de som van het aantal protonen en neutronen. Zo heeft ³H 1 proton en 2 neutronen.

Het "eenvoudigste" atoom is het waterstofatoom. Een van de meest gecompliceerde atomen is het uraniumatoom (= U). Uranium heeft 92 protonen in de kern. Van deze stof zijn verschillende isotopen bekend, zoals ²³⁴U (0,0057% van het natuurlijke uranium), ²³⁵U (0,7% van het natuurlijke uranium) en ²³⁸U (99,3%).

Splijting van de atoomkern

In de dertiger jaren slaagde men erin om bepaalde materialen zó te behandelen dat er neutronen uit hun kern uitgezonden werden. Wanneer deze neutronen andere materialen raken, kunnen ze deze sterk veranderen.

In 1939 presteerden de Duitse natuurkundigen Hahn en Stassman het om uranium met behulp van neutronen tot splijting te brengen. Het bleek te gaan om een splijting van het ²³⁵U.

In dit proces valt de kern van uranium uiteen (splijting) in twee nieuwe kernen. Bij deze splijting komt er energie vrij in de vorm van warmte en straling. De vrijgekomen energie noemt men kernenergie. 

Bij deze splijting komt er ook weer een aantal neutronen vrij. De reactie ziet er voor een bepaalde splijting als volgt uit:

²³⁵U + 1 neutron —> 2 nieuwe kernen + 3 neutronen  + warmte + straling

Niet bij alle splijtingsmogelijkheden komen er drie neutronen vrij: gemiddeld komen er bij splijting van één ²³⁵U-atoom 2,5 neutronen vrij. 

Voor de beschieting van ²³⁵U gebruikt men neutronen die slechts weinig energie bezitten, terwijl de vrijkomende neutronen zeer energierijk zijn. De kans dat zo'n energierijk neutron een ²³⁵U-kern treft is bijzonder gering.

Er is reeds op gewezen dat 0,7% van het natuurlijk uranium bestaat uit ²³⁵U, de rest is ²³⁸U. De energierijke neutronen die bij de kernsplijting van ²³⁵U zijn vrijgekomen, worden nu vooral opgenomen door de kernen van het ²³⁸U, dat daardoor verandert in ²³⁹Pu (= plutonium).

Met de vrijgekomen warmte kan water tot stoom worden verhit, waarmee elektriciteit opgewekt kan worden. Deze reaktie vindt in een kernreactor plaats.

Hoe wordt deze kernsplijtingsreactie op gang gehouden? Om deze vraag te beantwoorden gaan we een kijkje nemen in een kernreactor.

Kernreactor

De kernreactor is het hart van de kerncentrale. In deze reactor bevinden zich staven, gevuld met splijtbaar materiaal (splijtstof).

Om de reactie in de reactor op gang te brengen en in stand te houden, kunnen twee mogelijkheden benut worden, namelijk:

1. de snelle reactor 

2. de thermische reactor

In de zogenaamde  snelle reactor  wordt de splijtingsreactie op gang gehouden door de vrijgekomen energierijke neutronen. Om de kans te vergroten dat een energierijk snel neutron een ²³⁵U kern treft, gebruikt men verrijkt uranium en geen natuurlijk uranium. (Verrijken van uranium is het proces waarbij het percentage ²³⁵U verhoogd wordt).

In de thermische reactor worden de vrijgekomen energierijke (snelle) neutronen afgeremd totdat ze het grootste gedeelte van hun energie hebben afgegeven. Deze langzame (minder energierijke) neutronen worden dan gebruikt voor de voortgaande splitsing van ²³⁵U.

Voor het afremmen van de snelle neutronen gebruikt men een remstof, die in direkt kontakt staat met de splijtstof of daarmee kontakt heeft via metalen buizen. Deze remstof wordt de moderator genoemd. Als moderator gebruikte men aanvankelijk grafiet (= koolstof), tegenwoordig gebruikt men water.

Per splijting komen er twee à drie neutronen vrij. Deze neutronen kunnen weer twee of drie andere kernen splijten. Om ervoor te zorgen dat de splijtingsreactie niet uit de hand loopt zijn in het reactorvat (= ruimte waarin de kernreactie zich afspeelt) regelstaven aanwezig. Deze regelstaven bestaan uit materiaal dat door zijn eigenschappen bijzonder goed neutronen kan opvangen. Door de staven er tot een bepaalde diepte in te steken, kan men regelen hoeveel neutronen worden weggevangen en tevens dus met welke snelheid het splijtingsproces verloopt.

Kweekreactor. In de thermische reactor wordt een deel van de splijtingsneutronen gevangen door ²³⁸U. Hierdoor ontstaat ²³⁹Pl dat even gemakkelijk splitst als ²³⁵U. Het gevormde ²³⁹Pl gaat ook aan de kettingreactie deelnemen, waardoor een klein deel van het ²³⁸U een bijdrage levert tot de energieproduktie. Een dergelijke reactor, die meer splijtbaar materiaal vormt dan hij gebruikt, noemt men een kweekreactor.

De stof waaruit de nieuwe splijstof ontstaat (²³⁸U) wordt kweekstof genoemd. Zo'n kweekreactor zou dan de mogelijkheid bieden om energetisch te profiteren van het grootste deel van het beschikbare uranium en niet slechts van de 0,7% ²³⁵Y die hierin aanwezig is. Het bewijs dat ze in werkelijkheid kweken (d.w.z. meer ²³⁸U in ²³⁹Pl omzetten dan zij aan splijtstof verbruiken) is nog niet geleverd. 

Opwekking van elektriciteit

Bij de splijting van een uraniumkern komt veel energie vrij. Zo kan 1 kg uranium (zoals het in de natuur voorkomt - dus niet verrijkt) even veel energie leveren als 15 ton olie of 20 ton steenkool. Hoe wordt deze vrijgekomen energie nu gebruikt om elektriciteit op te wekken?

Op het ogenblik zijn er drie typen kerncentrales in gebruik, namelijk

1. kokendwaterreactor

2. drukwaterreactor

3. natrium gekoelde reactor (kweekreactor)

Kokendwaterreactor. De afkorting voor dit type reactor is KWR of BWR (+ boiling water reactor). Het water dat zich in het reactorvat bevindt, wordt door de warmte die vrijkomt (energie) bij de splijting direkt stoom. Deze stoom gaat naar de turbine die deze aan het draaien brengt. Een voorbeeld van een centrale met een kokendwaterreactor is Dodewaard.

Drukwaterreactor. De tweede uitvoering is de drukwaterreactor (DWR) of PWR (+ pressurized water reactor). Het water in het reactorvat kan niet in stoom overgaan vanwege de hoge druk in dit reactorvat. Het hete water van het reactorvat draagt zijn warmte over aan een tweede watercircuit. In dit tweede circuit ontstaat dan de stoom, die de turbine weer laat draaien. Een voorbeeld is de kerncentrale in Borssele.

Natrium gekoelde reactor. De afkorting voor dit type is SNR (+snelle natriumgekoelde reactor). Bij deze reactor wordt natrium als koelmiddel, wat nodig is om de stoom af te koelen tot water, en als remstof (moderator) gebruikt.

Het heeft echter twee nadelen: het wordt door het vangen van neutronen zelf bijzonder radioaktief (zendt xx-straling en straling uit) en het reageert op bijna explosieve wijze met water of stoom.

Het vloeibare natrium voert de reactorwarmte af. Dit radioactieve natrium draagt zijn warmte over aan natrium van een tweede circuit.

In een tweede warmtewisselaar wordt de warmte overgedragen aan water van een derde circuit dat overgaat in niet-radioaktieve stoom. Deze stoom brengt de turbine aan het draaien.

Voorbeelden van dit type centrale is Kalkar (in aanbouw) en Phénix (Frankrijk).

Kernfusiereactoren

In de besproken reactoren wordt gebruik gemaakt van het splijten van zware atoomkernen. Er is echter ook een andere mogelijkheid, namelijk die van kernfusie.

Bij kernfusie wordt energie gewonnen door het samenbrengen of versmelten (fusie) van lichte atoomkernen, zoals deuterium (²H) en tritium (³H). Bij de fusie van het lichtste atoom waterstof tot helium komt veel meer energie vrij dan bij de splitsing van het zware uranium of plutonium. Kernfusie is alleen mogelijk onder bijzondere omstandigheden, omdat een extreem hoge temperatuur nodig is om de atoomkernen met voldoende vaart met elkaar te laten botsen.

Op het ogenblik zijn er nog geen kernfusiereactoren gebouwd.

Beveiliging van de kernreactor

Nadat de reactor enige tijd in bedrijf is, bevindt zich een grote hoeveelheid radioactieve splijtingsprodukten in de reactor. Dit vereist speciale maatregelen ter bescherming van het bedieningspersoneel en ter voorkoming van lozing van radioactiviteit in de omgeving. Bescherming tegen radioactieve stoffen is noodzakelijk omdat deze stoffen "stralen" (zie hoofstuk 3). 

Bij het ontwerpen en bouwen van kerncentrales wordt veel aandacht besteed aan de veiligheid. Deze veiligheidsmaatregelen kunnen als volgt schematisch voorgesteld worden (zie PDF).

Deze tekst is geautomatiseerd gemaakt en kan nog fouten bevatten. Digibron werkt voortdurend aan correctie. Klik voor het origineel door naar de pdf. Voor opmerkingen, vragen, informatie: contact.

Op Digibron -en alle daarin opgenomen content- is het databankrecht van toepassing. Gebruiksvoorwaarden. Data protection law applies to Digibron and the content of this database. Terms of use.

Terug naar resultaten Printen