Icon up Overzicht

Petten stopt met hoogverrijkt uranium voor medische isotopen (Exaktueel)

Onderwerp: Ioniserende straling, radioactiviteit

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.

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.


Figuur 1: Reactor in Petten, bron: Wikipedia.

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.

b) Zoek in Binas op welk isotoop van uranium het meest voorkomt 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.

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.

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.


Figuur 2. Bron Wikipedia

e) Leg uit waarom de grafiek symmetrisch is.

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.

f) Leg met behulp van figuur 2 uit of deze reactie erg waarschijnlijk of juist onwaarschijnlijk is.

g) Maak de vergelijking compleet.

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.

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?