KERNENERGIE


Laat ik om te beginnen eens een onderscheid maken tussen een aantal dingen:
1. kernfysica (onderzoek naar elementaire deeltjes)
2. kernbommen
3. kernenergie: kernsplijting
4. kernenergie: kernfusie
Kernfysica zelf is hier niet het te bespreken onderwerp. Vanzelfsprekend zijn de andere onderwerpen toepassing van deze kennis over kernreakties. De op dit moment grootste onderzoeksinstelling voor kernfysica is het CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucleare), op de grens van Zwitserland en Frankrijk. Hier wordt alleen fundamenteel onderzoek gedaan, en niet naar toepassingen zoals energieopwekking gekeken. In Nederland is het Nikhef een van de belangrijkste onderzoeksinstituten op dit gebied.

Kernbommen

Over kernbommen kan ik kort zijn: Ik hoop dat er zo snel mogelijk een non-proliferatie-verdrag komt (= verdrag dat het gebruik van kernwapens verbied). Wat mij betreft is elke bom er een te veel, dus ook elke kernbom is er een te veel. Er zijn in principe 2 soort kernreakties die gebruikt kunnen worden voor kernenergie: kernsplijting en kernfusie. Elk atoom heeft een bepaalde energie. Dat is de energie die vrijkomt als je uit losse deeltjes een atoom zou opbouwen. Je kan zelfs beredeneren dat er energie vrij moet komen om een atoom te maken, en je dus energie toe moet voegen om hem stuk te maken. Als dat niet zo zo zijn zou je dus moeite moeten doen om de onderdelen van atomen bij elkaar te houden, en valt het zaakje zodra je het "loslaat" meteen weer uit elkaar. Deze hoeveelheid energie is voor elk atoom, of preciezer: voor elke isotoop anders (zie verderop). Als je bijvoorbeeld Uranium-235 neemt en je vergelijkt die met twee andere, lichtere isotopen, dan blijkt in dit geval dat de energie van U-235 groter is als van de twee brokstukken samen. Als U-235 dus vervalt in deze twee brokstukken komt er energie vrij. Hoewel het dus energie kost om Uranium helemaal tot elementaire deeltjes te ontleden, kan het toch zo zijn dat je met deze losse deeltjes twee andere atomen kan maken waarvan de totale energie kleiner is dan die van het oorspronkelijk Uranium atoom. Netto is er dan toch nog energie vrijgekomen. Elk atoom heeft een kern met daarin een aantal protonen en neutronen. Het aantal protonen geeft aan wat voor atoom het is: H (waterstof) heeft er 1, He (helium) 2, enz., enz., U (uranium) heeft er 92, etc. Om te zorgen dat de totale lading 0 is, vliegen er precies evenveel elektronen om de kern heen. Daarnaast zitten er in de kern ook nog neutronen. Het aantal neutronen + protonen geeft de massa (elektronen hebben ook massa, maar veel kleiner dan die van protonen (p) of neutronen (n), en kunnen dus worden verwaarloosd). Het aantal neutronen kan veranderen binnen redelijke grenzen: Elk atoom heeft ongeveer evenveel neutronen als protonen. Zo bestaan er twee soorten Uranium: U-235 en U-238. De eerste heeft massa 235, dus 235 (protonen + neutronen). Uranium heeft 92 protonen, en dus 235-92 = 143 neutronen. Zo heeft U-238 dus 146 neutronen. Hoewel het dus dezelfde atoomsoort is, zit er toch een massaverschil tussen deze twee deeltjes. Al deze verschillende deeltjes worden isotopen genoemd.
Bij kernsplijting wordt U-235 gespleten. U-238 (vrijwel) niet. Dat is jammer, want in de natuur komt vrijwel alleen U-238 voor. Het spul in de kerncentrale wordt eerst verrijkt: Het wordt in een grote centrifuge gestopt waardoor het (zware!) U-238 naar buiten geslingerd wordt, zodat het erts in het midden gemiddeld wat meer U-235 bevat. Natuurlijk erts bevat ongeveer 1% U-235, en het verrijkte erts ongeveer 3%. De reaktie van U-235 is vrij complex. In principe vangt het U-235 isotoop een neutron (n) in, en splijt dan in stukken, waarbij weer andere neutronen vrij kunnen komen. Er zijn verschillende reakties mogelijk, maar gemiddeld komen er weer 2,5 neutronen vrij. Deze neutronen worden weer ingevangen door een andere U-235 kern, die dan weer splijt, enzovoort. Zo'n reaktie die zichzelf instand houdt wordt een kettingreaktie genoemd. Het grote probleem bij kernsplijting is om deze kettingreaktie netjes te laten verlopen. Van de gemiddeld 2,5 neutronen die per reaktie vrijkomen wil je dat er maar één gebruikt wordt voor een volgende reaktie. Worden er minder gebruikt, dan dooft de reaktie langzaam uit, gebruik je er meer, dan krijg je een ramp zoals in Tsjernobyl. Een deel van de neutronen raak je kwijt doordat ze de wand van de kernreaktor invliegen. Een ander deel wordt door U-238 kernen geabsorbeerd. Dat is dus ook de reden dat je Uranium eerst moet opwekken: doe je dat niet dan zit er weinig U-235 in dat alle neutronen door U-238 worden geabsorbeerd voordat ze een U-235 kern treffen en daar een reaktie op gang brengen. Om de snelheid van de reakties zo goed mogelijk te controleren, en te zorgen dat in geval van nood snel de reaktie stopgezet kan worden, zit in elke kernreaktor een remstof (meestal water of koolstof). Hoe meer er daarvan in zit, hoe meer neutronen er afgevangen worden, en hoe minder reakties er op volgen. Heb je teveel remstof, dan stopt de reaktie, heb je te weinig dan loopt het uit de hand. Nu kan je wellicht ook raden hoe een kernbom werkt: Je hebt twee halve bollen met voornamelijk Plutonium. Omdat de halve bollen net klein genoeg zijn vliegen de meeste vrijkomende neutronen naar buiten: De kettingreaktie stopt. Zou de bol nu een 2x zo grote straal hebben, dan heb je 2x2x2 = 8x zoveel reakties en 8x zoveel neutronen. Het oppervlak is echter slechts 2x2 = 4x zo groot geworden, er vliegen 'slechts' 4x zoveel neutronen weg. Netto hou je dus meer neutronen over voor de ketting reaktie. Bij een kritiek punt houdt het elkaar net in evenwicht. Zo'n halve bol is net iets kleiner dan die kritieke massa. Alleen, als je nu twee halve bollen bij elkaar brengt krijg je dus een kettingreaktie die doorgaat: En je hebt weer zo'n 'experiment' als op Moruroa.

Kernfusie

Het grappige is dat er een atoom is met een laagste energie per massa (IJzer, Fe). Bij zwaardere atomen kan je dus energie winnen door ze te splijten. Lichtere door ze samen te voegen. Dit proces heeft kernfusie.
Toevoeging: Ik heb hier ooit geschreven dat er bij kernfusie geen neutronen vrijkomen. Dat is niet waar. Er komen uiteindelijk wel neutronen vrij.

Afval en veiligheid

Bij kernsplijting bevindt de uranium zich in grote staven, de splijtstaven. Na ongeveer 1 jaar zijn die 'op', er zit te weinig bruikbaar Uranium meer in (U-235). Door alle neutronen die geabsorbeerd hebben er ook enkele kernreakties in het omhulsel van de staaf voorgedaan: Daarnaast zit er wel te weinig uranium in om te gebruiken in een centrale, maar toch is maar een klein deel gebruikt: De staven en wat er nog inzit is zeer radioaktief. Dat is een probleem, want waar moet je het laten? Na ongeveer 100 jaar is 99.9% van alle stoffen vervallen, en is het amper radioaktief, maar dan nog, moeten we alle volgende generaties opzadelen met zo'n berg afval? Dat is het grote nadeel van kernenergie. Niet zozeer dat ze onveilig zijn, of dat ze normaal zo radioaktief zijn. Het is heel wat veiliger om naast een kerncentrale te wonen dan naast een groot vliegveld. Overigens wordt uit de afval van kerncentrales plutonium gewonnen (dat spul dat ze o.a. in kernbommen gebruiken). Dat gebeurt in opwerkingsfabrieken. Dat is dus wat anders dan een verrijkingsfabriek (die zorgt dat de erts meer U-235 bevat t.o.v. U-238). Van mij mogen ze die fabrieken gelijk sluiten. Maar ja, het levert geld op. Niet alleen omdat Plutonium zo radioaktief is, het vooral vreselijk giftig: 1 gram in het drinkwater zou genoeg moeten zijn om heel Antwerpen te vergiftigen. Eigenlijk is kernenergie zelfs heel schoon: er komt geen afval de atmosfeer en het milieu in. Al het afval wat je krijgt zit goed verpakt in vaten. Ook de veiligheid is (in het westen) het probleem niet. Ik ben in Borssele (een centrale in Nederland) geweest. Daar kan rustig een Boeing 737 de controle kamer invliegen. Juist voor het geval zoiets gebeurt hebben ze twee (!) extra controle kamers: Eentje op het terrein zelf en eentje bij een naburige centrale. Wat wel erg is is de veiligheid in centrales in het voormalig oostblok: Die hangen met plakband en touwtjes aan elkaar. Laat staan dat ze daar uitgebreide veiligheidsmaatregelen als in Nederland of België hebben. Die dingen mogen ze wat mij betreft zo snel mogelijk sluiten. Het wordt alleen niet gedaan omdat het alternatief een kolencentrale is, en als je wel eens daar geweest bent, weet je wat nog meer vervuiling betekent. Overigens is wat mij betreft een redelijke optie om een gascentrales te bouwen, en dan ettelijke miljoenen gulden te investeren in oerwouden in Zuid-Amerika. Bedenk dat ettelijke miljoenen in de energiewereld een schijntje is: 1 kilometer hoogspanningsleiding aanleggen kost al ongeveer 1 miljoen gulden! Een optie voor de volgende eeuw is kernfusie. zoals gezegd komt daar vrijwel geen radioaktieve afval bij vrij (alleen de reaktor zelf wordt enigzins radioaktief). Dat is dus schoon (geen uitstoot van gassen), je hebt geen afval, en het is nog veilig ook: Als er iets mis zou gaan, zou het onmogelijk zijn dat er zoals bij kernsplijting een uit de hand gelopen kernreaktie ontstaat de reaktie meteen uitdoven. Dat komt door de hoge temperatuur die nodig is voor kernfusie: enkele miljoenen graden Celsius. Wat er in de fusiereaktor zit is dus een vreselijk ijl (dun) gas. Eigenlijk is het ook geen gas meer: het is zo heet dat alle atomen geïoniseerd zijn: Je hebt geen atomen meer, maar losse neutronen, protonen en electronen. Dat is ook de reden dat het nog niet bestaat: Het is vreselijk moeilijk om neutronen, protonen en electronen voor een langere tijd bij zulke temperaturen bij elkaar te houden. Op het moment lukt het nog maar iets van een minuut lang. Dat is wat weinig als je een centrale wilt bouwen die 24 uur per dag werkt.

Werking van de kerncentrale

Een kerncentrale verschilt van een klassiek thermische centrale, door de manier waarop de warmte -energie wordt geleverd. Terwijl in een klassieke centrale een verbrandingsproces in een stoomketel voor de stoomproductie zorgt, hebben we bij een kerncentrale te maken met een splijtingsproces in een reactor. Bij een PWR( pressurized water reactor of druk-water-reactor) gebeurt de stoomproductie in meerder stappen. In de reactor staan splijtstofhoudende stiften hun warmt af aan een eerste of primaire kring met water. Dat wordt erg heet - ruim 300°C- maar gaat niet aan de kook omdat het onder hoge druk - zo'n 155 bar- wordt gehouden. Vandaar de naam "druk-water-reactor". Het verhitte water wordt naar een warmtewisselaar geleid, de stroomgenerator. Het reactorwater draagt er zijn warmt over aan een afzonderlijke tweede of secundaire kring (de water-stoom-kring). Het water uit dit circuit gaat wél over in stoom, omdat de druk er veel lager is dan in de primaire kring. De stoom dient om een turbine aan te drijven, waaraan een alternator is gekoppeld. Tenslotte gaat de stoom die de turbine verlaat door afkoeling opnieuw over in water. Dit koelproces gebeurt in een condesor, door middel van een derde of tertiaire koelkring, waarin koelwater afkomstig van een externe bron circuleert. Een kerncentrale van het PWR-type heeft dus drie volledig gescheiden kringen: de eerste kring, die de warmt van de reactor via de stoomgenerator overbrengt op de tweede of water-stoom-kring, en een derde kring of koelkring die de gebruikte stoom terug omzet in water. Door de strikte scheiding wordt vermeden dat radioactiviteit in de buitenwereld terechtkomt.
______________________________________________________________________________
HOME zonneënergie Waterkracht geothermische energie Energie uit fotosynthese