Werkstuk Natuurkunde Kernenergie

Transcriptie

1 Werkstuk Natuurkunde Kernenergie Werkstuk door een scholier 1606 woorden 24 december ,8 121 keer beoordeeld Vak Natuurkunde Onderzoeksvragen Wat is kernenergie? Bij een kernsplijtingsproces worden de atomen van de stof uranium gespleten. Het bruikbare atoom U-235, of het verrijkte uranium, wordt in een grote hoeveelheid in een reactor geplaatst. Het uranium wordt gescheiden door regelstaven die de kettingreactie in bedwang kunnen houden. De regelstaven tezamen met het uranium worden in brandstofstaven geplaatst. Deze bevinden zich in een moderatorstof die evenals een regelstaaf gebruikt wordt om de kettingreactie onder controle te houden. Als de reactie eenmaal op gang is gekomen laten de neutronen van uranium steeds meer atomen splijten. Hierbij komt energie vrij in de vorm van warmte. Dan laat men langs de brandstofstaven een koelvloeistof lopen die verwarmd wordt. De ontstane stoom van de koelvloeistof wordt afgevoerd naar de generator en deze wekt elektrische energie op. Er zijn in principe 2 soorten kernreacties die gebruikt kunnen worden voor kernenergie: kernsplijting en kernfusie. Elk atoom heeft een bepaalde energie. Dat is de energie die vrijkomt als je uit losse deeltjes een atoom zou opbouwen. Je kan zelfs beredeneren dat er energie vrij moet komen om een atoom te maken, en je dus energie toe moet voegen om hem stuk te maken. Als dat niet zo zou zijn (je energie toe zou moeten voegen om een atoom te maken), zou je dus moeite moeten doen om de onderdelen van atomen bij elkaar te houden, en valt het zaakje zodra je het loslaat meteen weer uit elkaar. Deze hoeveelheid energie is voor elk atoom, of preciezer: voor elke isotoop anders. Als je bijvoorbeeld de isotoop Uranium-235 neemt en je vergelijkt die met twee andere, lichtere isotopen, dan blijkt in dit geval dat de energie van U-235 groter is als van de twee brokstukken samen. Als U-235 vervalt in deze twee brokstukken komt er energie vrij. Kernsplijting komt neer op het splijten van een kern in twee kleinere kernen. Daarbij komt gigantisch veel energie vrij, zoals de atoombom op Hiroshima in 1945 bewezen heeft. Om een indruk te geven hoeveel Pagina 1 van 5

2 energie kernsplijting kan op leveren: de punt van een vulpen levert na kernsplijting net zo veel energie als een ton kolen. Hoe valt kernenergie toe te passen (dus waar kan je het voor gebruiken)? Energieproductie Bij de kernsplijting komt energie vrij in de vorm van warmte. Bij een volledige versplijting van 1 kg U-235 komt er 22,8 miljoen kwh warmte vrij ( evenveel als de verbranding van 3 ton kolen). De warmte kan niet helemaal om worden gezet naar elektrische energie, hierbij gaat 33% verloren. Dus bij een splijting van 1kg uranium kan 7,6 miljoen kwh elektrische energie worden opgewekt. De kernenergie is een duurzame energie. Bestralen van voedsel Door het bestralen van voedsel en levensmiddelen blijven ze langer vers, en champignons bijvoorbeel blijven ook langer mooi. Links niet bestraalde champignons en rechts wel bestraalde champignons na dezelfde periode. Wat zijn de voor- en nadelen van kernenergie? Bij kernsplijting ontstaat niet alleen warmte, maar ook straling in de vorm van deeltjes en stralen. Deze stralen kunnen elke vorm van leven aantasten of zelfs doden. Deze straling is voor veel mensen het verontrustende van kernenergie. De gevolgen van straling zijn moeilijk aan te tonen en wetenschappers zijn het niet eens over de veilige grens van blootstelling aan straling. Daarom worden strenge maatregelen genomen in verband met de veiligheid in de kerncentrales met betrekking op de straling. De hoeveelheid straling die afkomstig is van kerncentrales, vormt in feite maar een klein deel van de totale hoeveelheid straling waaraan wij blootstaan. De meeste straling om ons heen is afkomstig van natuurlijke radioactieve stoffen, in de grond en in de lucht, of uit de ruimte. Nadelen: De mogelijkheid is er dat er radioactiviteit vrijkomt die bij de splijting van het uranium wordt geproduceerd. Radioactief is ook het kernsplijtingsafval, dit afval moet in absoluut betrouwbare ruimtes opgeborgen worden. Daarnaast is er nog een probleem: nl. het plutonium dat uit uranium wordt gevormd. Hoewel dit plutonium zelf weer als splijtstof gebruikt kan worden in kernenergiecentrales. Voordelen: Straling kan ook veel voordelen hebben: röntgenstralen bijvoorbeeld en de stralingen kunnen ook gebruikt worden om bepaalde ziekten te behandelen. Pagina 2 van 5

3 Bestraling van voedsel en gewassen. Ook al leent het inblikken zich goed voor tegemoetkoming aan moderne behoeften, toch hebben alle conserveringsmethoden één belangrijk nadeel, namelijk dat de smaakkwaliteit achteruit gaat. Mede om deze reden verdient een nieuwe conserveringsmethode de aandacht: voedsel (en ook andere producten, zoals bijvoorbeeld bloemen) kan men bestralen om ze op die manier langer houdbaar te maken. In de eerste plaats dient een nogal vaak voorkomend misverstand uit de weg geruimd te worden: door de bestraling worden de producten niet radioactief. Een belangrijk voordeel van bestralen is dat het door de verpakking heen kan gebeuren.een belangrijke mogelijkheid van bestralen ligt in het daardoor teweegbrengen van veranderingen. Hierdoor kan verbetering van de eigenschappen van bepaalde producten ontstaan. Uitwerking Er bestaat onderscheid tussen; kernfysica (onderzoek naar elementaire deeltjes) kernbommen kernenergie: kernsplijting kernenergie: kernfusie Over kernfysica zal deze opdracht niet gaan, maar wel leuk om te weten is dat de op dit moment grootste onderzoeksinstelling voor kernfysica, het CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucleare), het WWW internet - protocol ontwikkelt heeft. Hier wordt alleen fundamenteel onderzoek gedaan, en niet naar toepassingen zoals energieopwekking gekeken. In Nederland is het Nikhef een van de belangrijkste onderzoeksinstituten op dit gebied. Over de kernsplijting en kernfusie hebben we het al gehad bij het beantwoorden van de eerste vraag Wat is kernenergie?.toch hebben we hier nog een beetje extra informatie over neergezet en er komt ook nog een stukje over kernbommen in voor; Kerncentrales en de atoombom zijn beiden ongeveer op het zelfde principe gebaseerd, namelijk kernsplijting. Kernsplijting komt neer op het splijten van een kern in twee kleinere kernen. Kernsplijting is eigenlijk een simpel proces. Het makkelijkste is om te kijken naar een voorbeeld, bijvoorbeeld het uraanisotoop 235U. Dit isotoop wordt veel gebruikt in kerncentrales. De kern van 235U is bijna stabiel, maar als je er een niet al te snel neutron in schiet, dan ontstaat 236U. Pagina 3 van 5

4 Dit 236U is zeker niet stabiel, en er vindt dan ook direct splijting plaats. Dit komt er op neer dat het uraanisotoop splitst in twee kleinere brokstukken die wegschieten, zoals afgebeeld in figuur 1. Figuur 1: neutron botst op 235U en veroorzaakt kernsplijting Zo zou er bijvoorbeeld de volgende reactie kunnen plaatsvinden: Deze reactie is niet de enige mogelijke reactie, er zijn ook andere mogelijkheden. Verder zijn er ook andere atoomkernen geschikt voor splijting, zoals bijvoorbeeld 233U en 239Pu. De splijtproducten zijn geen stabiele kernen, omdat ze te veel neutronen hebben. Ze vervallen in een aantal stappen totdat ze een stabiele kern vormen. Je kunt uitrekenen hoeveel energie er vrijkomt bij de splijting, door te kijken naar het massaverschil voor en na de splijting, en gebruik te maken van de formule van Einstein: E = mc2 Dit komt er op neer dat bij de splijting van 1 kilogram 235U ongeveer 90 x 1015 J vrij komt. Dat is voldoende energie om heel Canada voor drie dagen energie te voorzien. De kracht achter kerncentrales en atoombommen is de kettingreactie die bij de kernsplijting plaats vindt. Hoe deze kettingreactie in elkaar zit kun je als volgt zien: 1. Een neutron knalt op een (stabiele) 235U kern. 2. De stabiele 235U kern neemt het neutron op en verandert in het (instabiele!) 236U 3. De instabiele 236U kern splijt in twee kleinere kernen, waarbij ook nog ongeveer drie neutronen vrij komen. 4. Elk van deze drie neutronen kan weer op een stabielea235u vallen. 5. Zie punt 1, etc. etc. Simpel gezegd komen er bij de splijting neutronen vrij, die ieder op zich, weer nieuwe kernen kunnen laten splijten. En dit gaat net zo lang door totdat het splijtbare materiaal op is. De kettingreactie wordt hieronder schematisch afgebeeld in figuur 2. Figuur 2: Schematische voorstelling van de kettingreactie als gevolg van kernsplijting Het probleem met kettingreacties is hoe je ze in bedwang houdt. Zonder enige controle, kan een kerncentrale simpelweg ontploffen. Natuurlijk gebeurt dat niet in het dagelijks leven, want het is zo dat wetenschappers een manier hebben gevonden om de kettingreacties te kunnen beïnvloeden. De drijvende kracht achter de kettingreacties zijn de neutronen die vrijkomen bij elke kernsplijting. Als je deze reactie niet kunt beïnvloeden levert elke reactie drie nieuwe neutronen, die elk weer een nieuwe Pagina 4 van 5

5 kernsplijting kunnen veroorzaken. Op deze wijze kan het erg snel uit de hand lopen. Het is dus zeker wel nodig om een manier te vinden om de neutronen die bij elke kernsplijting vrijkomen, te verhinderen een nieuwe kernsplijting te veroorzaken. Dit gebeurt door het plaatsen van cadmiumstaven of koolstofstaven in het Uranium. Beide type staven zijn in staat veel van de neutronen die bij kernsplijting vrijkomen te absorberen. Dit betekent dat je de kettingreactie kunt versnellen door de staven een beetje uit het Uranium te trekken, of kunt vertragen door de staven meer in het Uranium te duwen. vinden om de neutronen die bij elke kernsplijting vrijkomen, te verhinderen een nieuwe kernsplijting te veroorzaken. Dit gebeurt door het plaatsen van cadmiumstaven of koolstofstaven in het Uranium. Beide type staven zijn in staat veel van de neutronen die bij kernsplijting vrijkomen te absorberen. Dit betekent dat je de kettingreactie kunt versnellen door de staven een beetje uit het Uranium te trekken, of kunt vertragen door de staven meer in het Uranium te duwen. Conclusie Wij kunnen hieruit opmaken dat kernenergie veel toe valt te passen en veel energie levert. Toch heeft kernenergie gevaarlijke nadelen en moet men erg uitkijken met het splitsen van atomen. We vinden het erg kwalijk dat uit een project als kernenergie, wat zo nuttig gebruikt kan worden toch weer gelijk bommen moet produceren. We vonden het erg leuk om te doen en hopen dat het een goed project is geworden! Bronvermelding We hebben de informatie hoofdzakelijk, beter nog; alleen maar van internet af kunnen halen (lang leve het CERN voor het ontwikkelen van het www- internet protocol). Hier komen de internetadressen waar we alle informatie vandaan hebben; Essent.nl Macfreek.nl Scholieren.com Pagina 5 van 5