Icon up Overzicht

Kerncentrale met thorium is veiliger dan met uranium (Exaktueel)

Onderwerp: Kernfysica

Begrippen: Halveringstijd

Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde-onderwijs in het voortgezet onderwijs.

Kerncentrales hebben in de publieke opinie een beroerde reputatie. De NRC van 6 januari 2018 bericht over een groep enthousiaste pleitbezorgers voor een nieuw type kerncentrale dat werkt op thorium. Die centrale zou veiliger zijn en minder radioactief afval veroorzaken dan centrales die werken op uranium. Thorium komt op grote schaal in de aardkorst voor. De groep stelt dat hoe belangrijk zonne- en windenergie ook zijn, er andere energiebronnen nodig zijn om de doelstelling te realiseren dat er na 2050 geen CO2 meer wordt uitgestoten. Thorium zou de oplossing bieden.


Figuur 1. Bewerking van Wikipedia.

De in het schema afgebeelde centrale werkt met vloeibaar zout als splijtstofmengsel én als koelmiddel. Vandaar dat men spreekt van een 'gesmoltenzoutreactor'. Het stroomopwekkingsdeel van de centrale is niet anders dan bij gebruikelijke elektriciteitscentrales, of die nu werken op fossiele brandstof of uranium.

De ‘brandstof’ in de thoriumcentrale is een vloeibaar zout (fluoride) waarin thorium is opgelost. 

a) Zoek op welke thoriumisotoop in de natuur voorkomt.

b) Wat is de vervalreactie van deze isotoop?

c) Waarom is deze isotoop niet direct geschikt als bron van kernenergie?

In de reactor wordt de brandstof gebombardeerd met langzame neutronen. Hierbij ontstaat thorium-233. Dat gaat via twee keer bètaverval over in de uraniumisotoop U-233.

d) Geef de vervalreeks van thorium-233 kern. Gebruik Binas.

e) Leg uit waarom de twee tussenproducten nauwelijks in het vloeibaar zout aangetroffen worden.

Wanneer de kern van uranium-233 een neutron invangt kan deze splijten. In 94% van de gevallen gebeurt dat. De gezamenlijke bewegingsenergie van de splijtingsproducten is ongeveer 200 MeV. Met de regelstaven die in het vloeibare zout steken kan een deel van de vrijkomende neutronen weggevangen worden. De kern kan op veel manieren splijten. Bijvoorbeeld in een Xe-137 kern, drie neutronen en nóg een kern. 

f) Geef de vergelijking van deze kernreactie.

g) Bereken hoeveel massa bij de kernsplijting is omgezet in energie.

h) Leg uit dat in het vloeibaar zout een kettingreactie kan optreden.

i) Wanneer levert de centrale een constant vermogen?

j) Leg uit dat met behulp van de regelstaven het proces beheerst kan worden.

k) Hoe zie je in het schema  dat in het reactordeel de vloeistof tegelijk brandstof én koelmiddel is?

In 6 % van de gevallen treedt geen splijting op maar wordt uranium-234 gevormd, onder uitzending van gammastraling met een energie van 8 MeV.

l) Bereken de golflengte van deze straling.

Als de temperatuur te hoog is, zet het vloeibaar zout uit. Daardoor wordt automatisch de noodafvoer opengedrukt, met als gevolg dat de reactor wegens gebrek aan brandstof stilvalt.

Verder komen de splijtingsproducten – die zeer radioactief zijn – in het vloeibare zout terecht. In de kringloop van de vloeistof is een zuiveringsinstallatie opgenomen (zie afbeelding), waar de splijtingsproducten chemisch verwijderd kunnen worden. 

m) Vergelijk dit met de situatie bij uraniumcentrales. Zoek info op internet.