Fusie en splijting

Printvriendelijke versie

Atoomkernen van het isotoop U-235 kunnen door kernsplijting worden gesplitst tot kleinere kernen onder uitzending van straling, warmte en neutronen. Het uraniumisotoop U-235 splitst zich in twee ongelijke stukken tot andere isotopen van elementen zoals strontium (Sr), xenon (Xe), cesium (Cs) of jodium (I). Veel van deze splijtingsproducten zenden straling uit en zijn dus radioactief.

Een voorbeeld van zo’n splijtingsreactie is:

U-235 + neutron → Sr-93 + Xe-140 + 3 neutronen + straling

Per reactie komt hierbij ca. 200 MeV aan energie vrij. Deze neutronen kunnen op hun beurt weer worden ingevangen door andere atoomkernen van U-235 en zo nieuwe splijtingen veroorzaken, waardoor een kettingreactie ontstaat. Een beheersbare kettingreactie vindt plaats in een kernreactor. Om de kettingreactie gaande te houden moet minstens één van de 2 á 3 neutronen die bij een splijting vrijkomen voor een volgende splijting zorgen. De vermenigvuldigingsfactor k van een reactor geeft aan hoe het aantal splijtingen zich zal ontwikkelen in de tijd.

De factor k is gegeven door de verhouding

k = neutronenproductie per tijdseenheid-neutronenabsorptie + neutronenlekkage per tijdseenheid.

Wanneer de vermenigvuldigingsfactor precies gelijk is aan 1 zegt men dat de reactor kritiek of kritisch is. Dat is de normale bedrijfstoestand van een reactor waarbij het aantal splijtingen per tijdseenheid gelijk blijft. Voor k>1 spreekt men van een superkritische reactor en bij k<1 van een subkritische reactor. Bij het opstarten en op vermogen brengen van een reactor is het noodzakelijk dat k>1. Wanneer het gewenste vermogen is bereikt, moet de vermenigvuldigingsfactor teruggebracht worden tot 1. En om de reactor af te schakelen moet k weer teruggebracht worden tot een waarde onder de 1.

Per reactie komt ca. 200 MeV aan energie vrij. Deze neutronen kunnen op hun beurt weer worden ingevangen door andere atoomkernen van U-235 en zo nieuwe splijtingen veroorzaken waardoor een kettingreactie ontstaat. Een beheersbare kettingreactie vindt plaats in een kernreactor. Om de kettingreactie gaande te houden moet minstens één van de 2 à 3 neutronen die bij een splijting vrijkomen voor een volgende splijting zorgen. In een stabiel opererende reactor is dit het geval en noemen we de reactor ‘kritiek’. Wanneer er meer dan één neutron per splijting overblijft, krijg je een ‘sneeuwbaleffect’. 2 neutronen zorgen elk voor een splijting die beide ook 2 neutronen produceren = 4 neutronen. Die 4 neutronen zorgen voor 4 splijtingen die in totaal 4x2=8 neutronen opleveren, enz. Als dit in een reactor gebeurt, noemen we de reactor superkritisch. Dit wordt gecontroleerd gedaan om een reactor op vermogen te brengen.

Wanneer er minder dan 1 neutron per splijting overblijft, stopt het splijtingsproces en spreek je van een subkritische reactor (de reactor is nu ‘uit’)

 

Verrijkt uranium

Natuurlijk uranium bestaat uit de isotopen U-235 (0,7%) en U-238 (99,3%). In het type kernreactor dat verreweg het meest is gebouwd (de lichtwaterreactor), wordt licht verrijkt uranium verbruikt. Het gehalte aan U-235 is circa 3 à 4 %.

In Nederland vindt verrijking van uranium plaats bij URENCO in Almelo. De energie die vrijkomt bij volledige verspllijting van 1 kg U-235 bedraagt circa 22,8 miljoen kWh warmte.

Omdat warmte principieel niet volledig in elektrische energie kan worden omgezet, is de hoeveelheid elektrische energie minder dan de hoeveelheid warmte. In een lichtwaterreactor bedraagt dit omzettingsrendement circa 33%. Hierdoor kan men stellen dat bij splijting van 1 kg uranium-235 ongeveer 7,6 miljoen kWh elektrische energie kan worden opgewekt.

Reactoruranium is laagverrijkt uranium (3 à 4 %). Voor kernwapens is hoogverrijkt uranium nodig: 90%.

Splijtstofcyclus

De splijtstofcyclus is de productieketen van uraniummijn via de verrijkingsfabriek en de reactor tot radioactief afval. Sommige landen zoals de Verenigde Staten en Canada hebben een ‘open cyclus’. Na gebruik in de reactor wordt de splijtstof direct als afval opgeslagen.

Landen als Frankrijk en Nederland hebben een gesloten splijtstofcyclus. De splijtstof wordt na gebruik in de reactor gerecycled. De waardevolle stoffen zoals uranium en plutonium (95 procent) worden gescheiden van de het radioactieve afval (5 procent). Het teruggewonnen uranium en het plutonium kunnen na passende chemische bewerking weer als splijtstof in een kernreactor gebruikt worden. Hierdoor kan 30 á 40% meer energie uit een zelfde hoeveelheid uranium worden geproduceerd.

Momenteel onderzoekt men of naast het uranium en plutonium ook de langlevende actiniden kunnen worden afgescheiden in de opwerkingsfabriek, en kunnen worden teruggevoerd in reactoren. Het resultaat is dat het overblijvende afval gedurende een veel kortere tijd sterk radioactief is. 

Kernfusie

Bij kernfusie worden lichte atoomkernen samengesmolten tot zwaardere atoomkernen. Hierbij gaat massa verloren en dientengevolge komt er energie vrij. Als voorbeeld enkele van de reacties die een hoofdrol spelen in de fusieprocessen in onze zon:

•¹H + ¹H → ²H + positron + neutrino

•¹H + ²H → ³He + foton

•³He + ³He → 4He + ¹H + ¹H

Het onderzoek voor fusiereactoren richt zich voornamelijk op de volgende reacties met waterstof:

•²H + ²H → ³He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV)

•²H + ²H → ³H (1,01 MeV) + ¹H (3,02 MeV)

•²H + ³H → 4He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)

Aangezien atoomkernen positief geladen zijn moeten zij een voldoende hoge snelheid bezitten om de elektrostatische afstoting te kunnen overwinnen. Alleen lichte kernen met een geringe positieve lading zijn daarom geschikt voor het fusieproces in een fusiereactor. De fusieprocessen met waterstof naar helium zijn grotendeels verantwoordelijk voor de grote hoeveelheden energie in zon en sterren. De noodzakelijke hoge snelheden van de atoomkernen kunnen alleen optreden bij zeer hoge temperaturen. Bij deze hoge temperaturen zijn de atomen geïoniseerd (de atoomkernen en elektronen bewegen los van elkaar)  en spreekt men van een plasma.

Het doel van het fusieonderzoek is om een beheerst, continu verloop van de fusiereacties te realiseren, waarbij de vrijkomende energie (in de vorm van warmte) nuttig te gebruiken is. Bij de versmelting van 1 kg deuterium (²H-²H-reactie) komt een energie van ongeveer 24 miljoen kWh vrij. Dat is vergelijkbaar met de verbrandingswarmte van 3 miljoen ton steenkool.

In een fusiereactor moet het plasma tot een temperatuur van meer dan 100 miljoen graden worden verhit. Het huidige onderzoek maakt voornamelijk gebruik van magneetveldopstellingen om het plasma op te sluiten omdat bij gebruik van materiële wanden het plasma, ten gevolge van botsingen met de wand, snel zijn energie zou verliezen (en de wand niet lang intact zou blijven).

In de toekomstige kernfusiereactor ontstaat, evenals in de kernsplijtingsreactor, radioactief afval. Dat komt door de activering van constructiematerialen. Daarnaast wordt er in de huidige concepten  tritium (radioactief waterstof) gebruikt en geproduceerd. Het grote verschil met splijting is de aard van de producten van het fusieproces. Die zijn, in tegenstelling tot de splijtingsproducten en de uit uranium onstane actiniden, slechts radioactief met een korte halveringstijd of soms zelf stabiel.