[Publieksinfo overzicht] > [Kernenergie]

02. Kernsplijting en Kernfusie

1. Kernsplijting

Atoomkernen van het isotoop U-235 kunnen door kernsplijting worden gesplitst tot kleinere kernen onder het uitzenden van straling, warmte en neutronen. Het uraniumisotoop 235 splitst zich in twee ongelijke stukken tot andere isotopen van elementen zoals strontium (Sr), xenon (Xe), cesium (Cs) of jodium (I). Deze splijtingsproducten zenden veelal straling uit en zijn daarom radioactief. Een voorbeeld van zo’n splijtingsreactie is:

²³⁵U + neutron → ⁹³Sr + ¹⁴⁰Xe + 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

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.

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 zogenoemde lichtwaterreactor die ook in Nederland staat, wordt licht verrijkt uranium verbruikt met een gehalte aan U-235 van circa 3%. In Nederland vindt verrijking van uranium plaats in Almelo.

De energie die vrijkomt bij volledige versplijting van 1 kg U-235 bedraagt circa. 22,8 miljoen kWh warmte. Omdat warmte principieel niet volledig in elektrische energie kan worden omgezet krijgt 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.

Figuur 1. Schematische weergave van de hoofdisotopen van verse en verbruikte splijtstof.

Tijdens het in werking zijn van de reactor wordt door vangst van neutronen in het isotoop U-238 het isotoop Pu-239 gevormd.

De splijtingsreacties van dit nieuw gevormde plutonium dragen voor circa. 30% bij tot de warmteproductie van de centrale. Als gevolg van het splijtingsproces en de invangst van neutronen verandert in de loop van de tijd de samenstelling van de splijtstof (zie fig. 1).

Niet alle splijtstof in kernreactoren wordt verbruikt. Dit komt omdat naarmate meer splijtstof wordt verspleten de kettingreactie steeds moeilijker op gang kan worden gehouden. De versplijtingsgraad, een maat voor de fractie van het splijtbaar materiaal dat 'opgebrand' is, wordt uitgedrukt in MWd/ton uranium. Voor de meest gangbare kernreactoren, de lichtwaterreactoren, met 3% verrijkt uranium, bedraagt de maximale versplijtingsgraad 30.000 á 40.000 MWd/ton uranium. Dit impliceert dat 30 á 40 kg splijtbaar materiaal (een belangrijk gedeelte van het initieel uranium-235 en het nieuw gevormde plutonium-239) verspleten wordt.

naar boven

2. Kernfusie

Bij kernfusie worden lichte atoomkernen samengesmolten tot zwaardere atoomkernen. Hierbij raakt 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:

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. Deze fusieprocessen zijn 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 en spreekt men van een plasma.

Het doel van het fusieonderzoek is om een beheerst verloop van de fusiereacties mogelijk te maken, en op zo'n manier dat de vrijkomende energie (in de vorm van warmte) nuttig is te gebruiken. 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, tengevolge van botsingen met de wand, snel zijn energie zou verliezen.

In de toekomstige kernfusiereactor (zie fig. 2) ontstaat, evenals in de kernsplijtingsreactor, radioactief afval, tengevolge van de activering van constructiematerialen en het gebruik van tritium. Het grote verschil met splijting is de aard van de produkten van het fusieproces. Die zijn, in tegenstelling tot de splijtingsprodukten en de uit uranium onstaande actiniden, slechts radioactief met een korte halveringstijd of soms zelf stabiel.

Figuur 2: Schema fusiereactor.

naar boven