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.
Plutonium-238 heeft een halveringstijd van 88 jaar en zendt bij verval α-straling uit.
c) Geef de vergelijking van het verval van plutonium-238.
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. Bij deze activiteit levert de RTG een elektrisch vermogen van 885 W.
d) Bereken het rendement waarmee de TRG de energie die vrijkomt bij het radioactief verval, omzet in elektrische 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.
e) Is bij dergelijke reizen een RTG met plutonium-238 een geschikte bron voor de elektriciteitsvoorziening? Licht je mening toe.
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)
Uitwerking vraag (d)
• uitkomst: η = 4,7%
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.
• Het rendement is dus nu η = Enuttig/Etotaal·100% = 885/(1,88.104)·100% = 4,7%.
Uitwerking vraag (e)
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.
