Lees onderstaand artikel.
In een nucleaire batterij wordt stralingsenergie van een radioactieve stof omgezet in elektrische energie. Deze omzetting gaat niet rechtstreeks maar via een zogenaamd RPS (= Radioisotope Power System). Binnen in de RPS moet de temperatuur hoog zijn en aan de buitenkant juist laag. Door dat grote temperatuurverschil kan een thermokoppel een flinke elektrische spanning opwekken. De radioactieve stof in een RPS is vaak polonium-210 (Po-210), een α-straler. Po-210 komt vrijwel niet in de natuur voor maar wordt gemaakt in een kerncentrale.
Een kleine hoeveelheid Po-210 heeft een groot stralingsvermogen: 1,0 gram Po-210 ontwikkelt per seconde 144 J stralingsenergie. De energie van het uitgezonden α-deeltje is 5,4 MeV.
Opgaven
a) Bereken de activiteit van 1,0 g Po-210.
De temperatuur van het polonium in de RPS is hoog, omdat een groot deel van de uitgestraalde energie door het polonium zelf wordt geabsorbeerd.
b) Waarom wordt een groot deel van de uitgestraalde energie door het polonium zelf geabsorbeerd?
Het rendement van de omzetting van stralingsenergie in elektrische energie is 8,0%. Een bepaalde RPS heeft een elektrisch vermogen van 20 W.
c) Bereken de massa van het polonium in deze RPS.
Nucleaire batterijen worden veel gebruikt in satellieten en ruimtesondes die naar andere planeten gaan. In die gevallen gebruikt men nooit polonium-210 maar plutonium-238 (Pu-238). De halveringstijd van Pu-238 is 88 jaar.
d) Leg uit dat een nucleaire batterij met Po-210 niet geschikt is voor lange ruimtereizen en Pu-238 wel.
Polonium-210 wordt gemaakt door een bepaalde stof te bestralen met neutronen. Daarbij ontstaat eerst een instabiele tussenisotoop die door β--verval overgaat in Po-210. In figuur 1 is de reactievergelijking die hierbij hoort, onvolledig weergegeven.
e) Ga na welke stof met neutronen wordt bestraald. Neem daartoe figuur 1 over en vul de drie ontbrekende getallen en het ontbrekende symbool in.
Uitwerkingen
Open het antwoord op de vraag van jouw keuze.
Uitwerking vraag (a)
De activiteit is gedefinieerd als de verhouding tussen de uitgezonden stralingsenergie per seconde en de energie van het uitgezonden α-deeltje.
De uitgezonden stralingsenergie per seconde is gegeven, namelijk 144 J.
De energie van het uitgezonden α-deeltje is:
5,4 MeV = 5,4 * 1,6 * 106 * 10-19 = 8,64 * 10-13 J
De activiteit is dan:
A = 144 / 8,64 * 10-13 = 1,7 * 1014 Bq
Uitwerking vraag (b)
α-deeltjes hebben een zeer beperkte dracht, waardoor de energie door het polonium zelf geabsorbeerd zal worden.
Uitwerking vraag (c)
Als het elektrisch vermogen 20 W is, dan is dit 8 % van het totale stralingsvermogen. Deze is dus:
20 / 0,08 = 250 W
Per gram Po-210 kwam er 144 W vrij. In totaal is er dus 250 / 144 = 1,7 g Po-210 nodig.
Uitwerking vraag (d)
De halveringstijd van Po-210 is 138 dagen. Als dit dus als brandstof gebruik zou worden, is het vermogen na 138 dagen gehalveerd. Bij Po-238 is dit niet het geval, het vermogen blijf een lange tijd constant.
Uitwerking vraag (e)
figuur 2: volledige reactievergelijking.
