Lees onderstaand artikel.
Kernenergie voor Cassini
In oktober 1997 is vanaf het Amerikaanse ruimtevaartcentrum Cape Canaveral de Cassinisonde gelanceerd voor een reis naar de planeet Saturnus. De sonde zal in juli 2004 bij de planeet met de ringen aankomen. Gedurende vier jaar verblijft de onbemande sonde in een baan om Saturnus. De sonde gaat metingen verrichten die doorgestuurd worden naar de aarde. De Cassini heeft elektrische energie nodig voor de apparatuur. Zonnepanelen zijn daarvoor niet geschikt; de sonde is uitgerust met een zogenaamde RTG. De afkorting RTG staat voor 'radio-isotope thermo-electric generator'. In de RTG wordt warmte geleverd door radioactief verval van plutonium. Die warmte wordt rechtstreeks omgezet in elektrische energie. De Cassini heeft 33 kg van de isotoop plutonium-238 aan boord. Hiermee wordt gedurende de elf jaar durende missie een vrijwel constant elektrisch vermogen van 885 watt geproduceerd. Het proces van energieopwekking in een RTG wijkt principieel af van dat in een kernreactor.
naar: NRC Handelsblad, oktober 1997.
Opgave
De sonde zendt gegevens naar de aarde door middel van radiosignalen. Deze verplaatsen zich met de lichtsnelheid. Als de sonde bij de planeet Saturnus aankomt, is zijn afstand tot de aarde 1,4·1012 m.
a) Bereken de tijd die de signalen er dan over doen om de aarde te bereiken.
b) Leg uit waarom zonnepanelen niet geschikt zijn voor de elektriciteitsvoorziening van de Cassini-sonde.
Bij het verval van een plutonium-238-kern komt een hoeveelheid energie vrij van 5,6 MeV. Daarbij wordt een (klein) deel van de massa van zo'n kern omgezet in energie. Het plutonium-238 van de Cassini-sonde heeft een activiteit van 2,1·1016 Bq. De verandering van de activiteit gedurende een jaar is te verwaarlozen.
c) Bereken de massa, uitgedrukt in kilogram, die bij dit verval in 1,0 jaar wordt omgezet in energie.
In de toekomst worden misschien onbemande ruimtereizen uitgevoerd naar naburige sterren. Die ruimteschepen zullen enkele duizenden jaren onderweg zijn. Tijdens die reizen zal steeds elektriciteit nodig zijn voor de meetapparatuur. De halveringstijd van plutonium-238 is 88 jaar.
d) Is bij dergelijke reizen een RTG met plutonium-238 een geschikte bron voor de elektriciteitsvoorziening? Licht je mening toe.
In de laatste zin van het artikel wordt gezegd dat het proces van energieopwekking in een RTG principieel afwijkt van dat in een kernreactor. De afmetingen van een RTG zijn veel kleiner dan die van een kernreactor.
e) Noem twee verschillen tussen de wijze van energieopwekking in een RTG en die in een kernreactor.
Uitwerking vraag (a)
• uitkomst:t = 4,7 . 103 s
voorbeeld van een berekening:
• De radiosignalen bewegen met de lichtsnelheid c = 3,00 . 108 m/s.
• Voor de tijd die de radiosignalen nodig hebben om de aarde te bereiken geldt: t = s / v.
• dus t = 1,4 . 1012 / 3,00 . 108 = 4,7 . 103 s.
Uitwerking vraag (b)
• voorbeeld van een antwoord:
De Cassini-sonde gaat naar de planeet Saturnus die zich op grote afstand van de zon bevindt. De intensiteit van de zonnestraling is daar te klein om met behulp van zonnepanelen voldoende elektrische energie op te wekken (de zonnepanelen zouden dan een te groot oppervlak moeten hebben).
Uitwerking vraag (c)
• uitkomst: m = 6,6 . 10-6kg.
voorbeeld van een berekening:
• Per seconde vervallen er 2,1 . 1016 kernen plutonium. De hoeveelheid energie die daarbij vrijkomt is:
• E = 2,1 . 1016 * 5,6 . 106 * 1,602 . 10-19 = 1,88.104 J.
• In 1,0 jaar komt 365 *24 * 60 * 60 1,88.104 = 5,93 . 1011 J vrij.
• Voor de massa die wordt omgezet in energie geldt: E = m . c2, waarin c = 3,00 . 108 m/s.
• Hieruit volgt dat m = 5,93 . 1011 / (3,00 . 108)2. = 6,6 . 10-6kg.
Uitwerking vraag (d)
voorbeeld van een antwoord:
• De halveringstijd van Pu-238 is 88 jaar. Zo’n ruimtereis duurt dus vele halveringstijden. De activiteit van het plutonium zal dan (aanzienlijk) afnemen. Pu-238 is dus niet geschikt als energiebron.
Uitwerking vraag (e)
voorbeelden van verschillen (twee van de volgende):
• Een kernreactor werkt op basis van kernsplijting en een RTG op basis van radioactief verval.
• In een kernreactor moet/kan de energieproductie geregeld worden en bij een RTG niet.
• In een kernreactor kan een lawine-effect/kettingreactie optreden en in een RTG niet.
• Een kernreactor moet gekoeld worden en een RTG niet.
