Nodige voorkennis: atomen, isotopen, massagetal en atoomnummer, kernreacties, halfwaardetijd, fotonen, eenheid eV.
Je hebt na het bestuderen van deze bijles inzicht gekregen in de volgende begrippen:eenvoudig atoommodelkernsplijtingkettingreactiesmodererenequivalenties van massa en energiereactievergelijkingen
Atoommodel
Veel natuurkundige modellen laten een atoom zien als een soort planeetstelsel met in het midden de kern van het atoom en daaromheen - in willekeurige planeetbanen - de ronddraaiende elektronen. Niels Bohr heeft al laten zien dat dit model (bedacht door Ernest Rutherford in 1911) natuurkundig niet kan kloppen. Maar voor onze eenvoudige beschrijving van kernsplijting voldoet het nog wel even.
De kern van een atoom bestaat uit een verzameling positief geladen protonen en neutronen. Omdat de protonen elkaar sterk afstoten, zou de kern eigenlijk onmiddellijk uit elkaar moeten vallen. De neutronen fungeren hier dus als een soort "lijm".
Elke kern kun je beschrijven met getallen en een letter: 236U betekent dat er 236 kerndeeltjes in de kern zitten. U staat voor het element uranium en is nummer 92 in het periodiek systeem der elementen. Dit houdt in dat er dan 92 protonen in de kern zitten. De rest, 144 deeltjes, zijn de neutronen.
Bij grote kernen, zoals bijvoorbeeld 238U met 92 protonen, zijn er dus heel veel neutronen nodig om de kern bij elkaar te houden. Als er een paar ontbreken, zoals bij 235U, krijg je een minder stabiele kern die eerder spontaan uit elkaar valt. Dat is ook te zien aan de halfwaardetijden van deze stoffen: 4,5.109 jaar voor 238U en 7,0.108 jaar voor 235U.
Dat er ook nog 92 elektronen om de kern heen bewegen, speelt in de kernfysica geen rol.
Kernsplijting
Omdat 235U iets minder stabiel is, kun je deze kern goed laten splijten door er een projectiel op af te schieten: een neutron. Dat neutron moet dan wel de juiste snelheid hebben. Gaat het neutron te snel dan kaatst het gewoon terug van de U-kern. Alleen met de juiste snelheid (het heeft dan een energie van ongeveer 0,025 eV) kan het neutron opgenomen worden in de kern. Dan valt de kern in 85 % van de gevallen in brokstukken uit elkaar: er vindt splijting plaats. In de rest van de gevallen staat de kern de energie af in de vorm van gammastraling.
Een thermisch neutron, met een energie van ongeveer 0,025 eV, is in staat een 235Uraniumkern te splijten. Zo'n splijting levert bijvoorbeeld déze brokstukken op: 90Kr en 143Ba en drie neutronen.
Een kernsplijting kan dus drie nieuwe neutronen opleveren die élk weer een splijting zouden kunnen veroorzaken:
Modereren = afremmen
Helaas hebben de nieuwe neutronen een te hoge energie voor de gewenste kernsplijting. Ze moeten eerst afgeremd worden. Dat kan goed met water H2O, of met zwaar water D2O. In zwaar water zijn de waterstofkernen vervangen door Deuterium (elk H-atoom is dan al gekoppeld aan een extra neutron). Na ongeveer 12 cm afgelegd te hebben in het water is de snelheid van de neutronen door alle botsingen voldoende afgenomen voor een nieuwe splijtingsreactie.
- Als je geen neutronen wilt verliezen kun je beter zwaar water gebruiken als moderator dan gewoon water. Hoe komt dat?
Ook grafiet, 12C, kan goed zorgen voor het afremmen van zo'n neutron. Maar omdat de kern wat zwaarder is, moet een neutron gemiddeld door een groter stuk grafiet reizen (ongeveer 47 cm) voordat het voldoende is afgeremd. Grafiet is wel goed in staat om neutronen te reflecteren. Denk maar aan een pingpongballetje (het neutron) dat op een veel zwaardere biljartbal (de koolstofkern) botst.
Kettingreacties
Hieronder zie je een animatie waarin een kettingreactie te volgen is.
Als er nieuwe neutronen vrijkomen en ze worden voldoende gemodereerd, kunnen er opnieuw kernen gespleten worden. Dan krijg je dus een kettingreactie. Zoals je ziet zijn er ook reacties mogelijk waarbij maar 2 neutronen vrijkomen. In een kernreactor komen er gemiddeld 2,4 neutronen vrij.
Bij een kettingreactie komt in heel korte tijd veel energie vrij, in de vorm van bewegingsenergie van de brokstukken en in stralingsenergie. De energieopbrengst is natuurlijk afhankelijk van het type reactie, maar je kunt een vereenvoudigde berekening uitvoeren met behulp van de beroemde formule van een al even beroemde natuurkundige Albert Einstein: E = m.c2: massa ís om te zetten in energie. Kijk maar eens naar de volgende reactie:
Met behulp van je BINAS kun je berekenen dat er een verschil van 3,30.10-28 kg is tussen de massa van de deeltjes vóór en ná de reactie. Dus dat levert een energieopbrengst van 2,96.10-11Joule. Dat lijkt niet veel, toch is dat op deze schaal een geweldige hoeveelheid! Ga maar na wat er gebeurt als er één gram U verspleten wordt! (Een gram is hier 1/235 mol, dus ongeveer 3.1021 atomen).
- Een goede oefening: reken deze opbrengst maar eens even na!
(Antwoord: 2,96.10-11 * 3.1021 = 8,88.1010 Joule)
Referentie en gerelateerde links:
Op de themapagina Kernfysica/radioactiviteit vind je meer materiaal dat aansluit bij deze bijles.
