Op 25 januari 2018 stond er op nu.nl een artikel waarin staat dat de kernreactor in Petten stopt met het gebruik van hoogverrijkt uranium. In de reactor in Petten wordt uranium gebruikt voor de productie van de medische isotoop molybdeen. Tot voor kort werd hierbij gebruikgemaakt van hoogverrijkt uranium. Hoogverrijkt uranium kan echter ook gebruikt worden om kernwapens te maken. In deze opdracht gaan we eerst kijken hoe uranium verrijkt kan worden. Vervolgens bekijken we de risico's van hoogverrijkt uranium.
Uranium verrijken
De kernreactor in Petten wordt gebruikt om medische isotopen te produceren. Voor de productie van deze isotopen wordt gebruikt gemaakt van het radioactieve uranium-235.
a) Zoek op hoeveel procent U-235 uranium bevat van nature.
Zie BiNaS tabel 25: 0,7%.
b) Zoek in Binas op welk isotoop van uranium het meest voorkomt in de natuur.
Zie BiNaS tabel 25: U-238 komt met 99,3% het meest voor in de natuur.
Met verrijkt uranium wordt uranium bedoeld met een hoger percentage U-235. Een methode om verrijkt uranium te maken is door gebruik te maken van een gascentrifuge. Hierbij laat men het uranium eerst reageren met fluor, zodat uraniumhexafluoride ontstaat. Onder de juiste omstandigheden is uraniumhexafluoride bij kamertemperatuur een gas. Dit gas wordt vervolgens in een centrifuge met honderdduizend toeren per minuut gecentrifugeerd. Uranium-235 zal hierbij vooral aan de binnenkant van de centrifuge te vinden zijn, terwijl de andere isotoop meer aan de buitenkant te vinden is. In onderstaande video wordt dit proces uitgelegd.
c) Leg uit welke verschil tussen de beide isotopen ervoor zorgt dat de isotopen tijdens het centrifugeren gescheiden raken.
U-238 heeft een grotere massa en zal daardoor meer aan de buitenkant van de centrifuge te vinden zijn.
Door het centrifugeren herhaaldelijk uit te voeren kunnen steeds hogere concentraties U-235 bereikt worden. Uranium met 3 tot 5% U-235 noemen we laagverrijkt uranium. Wanneer de concentratie boven de 20% komt spreken we van hoogverrijkt uranium.
Uranium splijten
Wanneer uranium-238 beschoten wordt met een neutron ontstaat er een nieuwe isotoop. Deze isotoop vervalt via twee vervalreacties (ALPHA- of BETA-verval) in Pu-239.
d) Leg uit of het bij deze vervalreacties om ALPHA- of BETA-verval gaat.
Nadat U-238 een neutron heeft ingevangen is het massagetal 239. Bij ALPHA-verval neemt het massagetal met 4 af, terwijl het massagetal niet verandert bij BETA-verval. In dit geval is het massagetal niet veranderd en heeft er dus twee keer BETA-verval plaats gevonden.
Wanneer echter uranium-235 beschoten wordt met een neutron kan er een splijtingsreactie plaatsvinden. Bij deze reactie komen twee of drie neutronen vrij en twee andere, lichtere kernen. In onderstaande figuur zie je de kans dat een kern ontstaat bij zo’n reactie als functie van het massagetal. Links en rechts van het midden ziet de grafiek er hetzelfde uit: de grafiek is symmetrisch.
e) Leg uit waarom de grafiek symmetrisch is.
Bij een kernreactie blijft het aantal nucleonen behouden. Wanneer een U-235 kern beschoten wordt met een neutron zijn er in totaal 236 nucleonen. Als er bij deze reactie 2 neutronen vrijkomen is het totale massagetal van de lichtere kernen dus 234. Mocht één van de lichtere deeltjes massagetal 100 hebben, dan heeft de andere massagetal 134. De kans op het ontstaat van deze deeltjes is dus gelijk. Er ontstaat daardoor een symmetrisch profiel in de grafiek in figuur 2.
Bij een van de mogelijke splijtingsreacties waarbij U-235 beschoten wordt door een neutron ontstaat molybdeen-99 en drie neutronen. De vergelijking staat hieronder deels weergeven.
$_{...}^{235}\textrm{U} + _{...}^{...}\textrm{n} \rightarrow _{...}^{99}\textrm{Mo} + _{...}^{...}\textrm{...} + 3 _{...}^{...}\textrm{n}$
f) Leg met behulp van figuur 2 uit of deze reactie erg waarschijnlijk of juist onwaarschijnlijk is.
Als we figuur 3 aflezen bij massagetal 99 vinden we een kans boven de 1%. Dit is relatief waarschijnlijk. Kansen tussen de 0,01% en de 1% komen veel meer voor in de grafiek.
g) Maak de vergelijking compleet.
$_{92}^{235}\textrm{U} + _{0}^{1}\textrm{n} \rightarrow _{42}^{99}\textrm{Mo} + _{50}^{134}\textrm{Sn} + 3 _{0}^{1}\textrm{n}$
Bij deze reactie komt er netto energie vrij. De neutronen die vrijkomen bij kunnen vervolgens voor nieuwe splijtingsreacties zorgen. In een kernwapen wordt hiervan gebruikgemaakt.
h) Leg uit waarom de kans op nieuwe splijtingsreacties bij hoogverrijkt uranium hoger is dan bij laagverrijkt uranium.
Er vindt alleen een nieuwe splijtingsreactie plaats als het neutron ingevangen wordt in een U-235 kern. In hoogverrijkt uranium is de kans dat een neutron een interactie aangaat met een U-235 kern groter, aangezien er verhoudingsgewijs meer U-235 kernen in het uranium te vinden zijn.
In een kernwapen spreken we over een ongecontroleerde kettingreactie.
i) Voer de volgende opdrachten uit:
- Leg uit wat er bedoeld wordt met een ongecontroleerde kettingreactie.
- Welke voorwaarde kun je bedenken voor het ontstaan van een ongecontroleerde kettingreactie?
Bij elke splijtingsreactie komt een aantal neutronen vrij. Als de neutronen van één splijtingsreactie zorgen voor méér dan één nieuwe reactie neemt het aantal reacties per seconde exponentieel toe. Dit noemen we een ongecontroleerde kettingreactie. Zie ook de figuur hieronder.
Wanneer een U-235 kern beschoten wordt door een neutron splijt de kern en komen er twee of drie neutronen vrij. In de figuur is dit aangegeven met een (1).
Vervolgens zijn er twee alternatieven.
Alternatief 1 (in de figuur aangegeven met (2)): Een neutron komt in aanraking met een U-238 kern. Hierbij gebeurt niks. Er gaat in de tekening ook een neutron verloren, bijvoorbeeld doordat het in de wand wordt opgenomen. Slechts één neutron botst op een U-235 kern. Er ontstaat in dus slechts één nieuwe reactie. Als dit zich continu zou herhalen blijft het aantal reacties gelijk. Er is dan geen sprake van een ongecontroleerde kettingreactie.
Alternatief 2 (in de figuur aangegeven met (3)): Er ontstaan twee nieuwe splijtingsreacties. Als dit zich continu zou herhalen neemt het aantal reacties steeds toe. Er is dan sprake van een ongecontroleerde kettingreactie.
De voorwaarde voor een ongecontroleerde kettingreactie is dat gemiddeld méér dan een van de vrijgekomen neutronen zorgt voor een nieuwe splijtingsreactie. In een kerncentrale is dit ongewenst. In een bom is dit juist de bedoeling.
