Werkstuk Natuurkunde Kernenergie

Transcriptie

1 Werkstuk Natuurkunde Kernenergie Werkstuk door een scholier 2494 woorden 20 februari ,5 604 keer beoordeeld Vak Natuurkunde Inleiding: Kernenergie. Al vele jaren heeft kernenergie een belangrijke rol gespeeld in onze samenleving. Deze nieuwe energiesoort heeft vele voordelen met zich meegebracht, maar de mens is zich hier niet altijd van bewust. De meeste mensen hebben een negatief beeld van kernenergie dat voor een groot gedeelte is bepaald door twee ongevallen die in het verleden gebeurd zijn. Met dit werkstuk willen we laten zien dat kernenergie ook voordelen heeft voor onze energiewinning. Natuurlijk bespreken we ook de nadelen en de rampen in kerncentrales. * In hoofdstuk 1 leggen we het begin van kernenergie uit. Er wordt dan gekeken naar de geschiedenis en waarom wetenschappers op zoek gingen naar een andere vorm van energie. * In hoofdstuk 2 leggen we uit wat kernenergie is. Hierbij hebben we het over de kernsplijting en over de werking van de kerncentrales. We hebben deze volgorde gekozen omdat het ons logisch lijkt om met de ontdekking van kernenergie te beginnen. Als we eenmaal hebben uitgelegd wie wat ontdekt heeft, leggen we uit hoe kernenergie ontstaat, hoe een kerncentrale werkt en wat de voordelen van kernenergie zijn.. Tenslotte bespreken we de nadelen en de rampen die omtrent kernenergie zijn gebeurt zoals Tsjernobyl. Aan het eind van dit werkstuk vindt u onze meningen die we hebben gevormd tijdens dit werkstuk. Hoofdstuk 1: het begin van kernenergie. De aarde heeft vele energiebronnen waaronder olie, kolen en gas. Deze fossiele brandstoffen werden miljoenen jaren geleden gevormd dankzij de zon, een van onze voornaamste energiebronnen. Deze stoffen waren in grote getale aanwezig in de aardbodem. Maar waarom zijn ze op zoek gegaan naar een nieuwe energiesoort als we nog anderen hadden? Het probleem was, dat deze energiebronnen op konden raken binnen een aantal jaren, en dat deze duur waren. Dat de energiebronnen snel opraakten lag aan de energiebehoeften van de mens. Dankzij onze machines en andere ontwikkelingen is er veel brandstof nodig. Het probleem is dat we in één jaar tijd de Pagina 1 van 6

2 brandstof opmaken die in 2 miljoen jaar gevormd is. Daarom ging men op zoek naar nieuwe energie die in overvloed aanwezig was. Het begin. In 1939 werd door de Duitse scheikundigen Hahn en Strassmann de splijting van uranium-atoomkernen ontdekt. Deze splijting werd tot stand gebracht met behulp van neutronen,dit zijn kleine deeltjes uit een atoomkern. De neutronen waren ongeveer zeven jaar daarvoor al ontdekt. Einstein s formule had betrekking op de uraniumsplijting waarbij massa wordt omgezet in energie. De vrijgekomen energie is E = mc2. m is de massa en c is de lichtsnelheid ( km/uur.) Kernenergie in de periode 1940/1950. In 1942 was voor het eerst in Chicago een experiment gehouden met kernenergie in een reactor. Dit experiment, dat moest bewijzen dat een kettingreactie in stand kon worden gehouden, was succesvol. Ze kwamen erachter dat te snel bewegende neutronen niet zo n grote kettingreactie gaven in een met natuurlijk uranium geladen reactor. Tijdens en vlak na de Tweede Wereldoorlog werd er vooral met kernenergie geexpirimenteerd voor militaire doeleinden. Daarbij denken we aan de atoombommen op Hirosjima en Nagasaki. Na de Tweede Wereldoorlog zag men dat kern (splijtings) energie ook een vreedzame toepassing kon hebben. Kernenergie na De ontwikkeling van vreedzame toepassingen van kernenergie is op twee manieren verlopen. Enerzijds zijn kernreactoren ontwikkeld die gebruik maken van natuurlijk uranium en anderzijds zijn er kernreactoren die met verrijkt uranium worden geladen. Kernreactoren met natuurlijk uranium zijn gasgekoelde reactoren en zwaarwaterreactoren die vooral worden aangetroffen in Engeland en Canada. In de wereld wordt het meeste gewerkt met licht verrijkt uranium ( Uranium 235 zie hoofdstuk 2) De eerste commercieele kernreactor die gebouwd is voor elektriciteitsproduktie werd in 1957 in werking gesteld in Shippingport (V.S). Daarna waren er in de jaren zestig zeer optimistische verwachtingen over kernenergie. In deze periode zijn kerncentrales gebouwd met vermogens van van 100 tot 500 MWe (het elektrisch vermogen in megawatt). Daarna namen de vermogens van de kerncentrales toe tot meer dan 1000MWe. De Nederlandse ontwikkelingen van kernenegie. Ook in Nederland is gewerkt aan kernenergie, Het is zelfs zo dat ons land vanaf het begin al een rol heeft gespeeld in de ontwikkeling van kernenergie. Meteen na de ontdekking van splijting van uraniumatomen heeft de Nederlandse overheid in 1939 tien ton uranium aangeschaft. Na de Tweede Wereldoorlog ging Nederland samenwerken met Noorwegen vanwege hun productie van zwaar water. (Zwaar water zie hfst 2) Het Nederlandse uranium werd gebruikt voor de eerste splijtstoflading van de JEEP-reactor in Kjeller, dichtbij Oslo. De JEEP-reactor (Joint Establishment Experimental Pile) werd in 1951 gemaakt en was de eerste reactor in Europa. De eerste reactor in Nederland werd gebouwd in 1961 in Petten. Deze werd bestuurd door de organisatie Pagina 2 van 6

3 Reactor Centrum Nederland ( RCN). De eerste reactor was een zogenaamde Hoge Flux Reactor. Sinds het begin van de jaren zestig bevindt zich er naast de HFR een Lage Druk Reactor, die 200 maal minder vermogen heeft. Beide reactoren zijn nog steeds in gebruik. Hoofdstuk 2: wat is kernenergie? Vroeger maakte kolen, olie en gas deel uit van de elektriciteitsopwekking in een energiecentrale. Tegenwoordig heeft kernenergie die functie. Maar wat is kernenergie en hoe wordt het toegepast? Eerst geef ik een korte samenvatting van de werking. Daarna worden de onderstreepte woorden uitgelegd. 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. Brandstof In kerncentrales wordt energie geproduceerd door atomen te splijten. De meeste atomen zijn moeilijk te splijten, maar met de atomen van het zware metaal uranium ligt dat anders. Een atoom is opgebouwd uit protonen en neuronen die zich in de kern van een atoom bevinden. Natuurlijk uranium is opgebouwd uit twee soorten isotopen: U-235 en U-238. In beide gevallen bevat de kern 92 protonen en verschilt het aantal neuronen. U-235 bestaat uit 143 neutronen en de kern van U-238 bevat 146 neutronen. Kettingreactie door neutronen. Neutronen zijn belangrijk voor het splijtingsproces omdat zij een kettingreactie veroorzaken. Wanneer er bij een splijtingsproces een U-235 atoom wordt gespleten ontstaan twee nieuwe atomen, en komen er twee tot drie neutronen vrij. Als een neutron tegen een andere U-235 kern botst splitst deze zich ook. Aan deze vermenigvuldiging kan een formule worden gegeven. De vermenigvuldigingsfactor k= neutronenproductie per tijdseenheid Neutronenadsorptie + neutronenlekkage per tijdseenheid Verrijking Pagina 3 van 6

4 In de natuur voorkomend uranium is een mengeling van twee vormen waarvan er maar één bruikbaar is. Voor de meeste reactors moet het uranium verrijkt zijn. Verrijking is een speciale behandeling ondergaan waardoor de bruikbare hoeveelheid uranium, uranium 235, wordt verhoogd. Meestal bestaat natuurlijk uranium voor 0,7 % uit de bruikbare isotoop U-235. Om een beter resultaat te bereiken wordt dit verhoogd naar 3%. Bij het verrijken worden de twee stoffen eerst vloeibaar gemaakt. De U-238 atomen worden hierdoor minder, zodat de U-235 in verhouding meer is. 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. Moderatoren Om de kans van splijting van U-235 te vergroten moeten de splijtingsneutronen worden afgeremd. Neutronen die te snel zijn splijten minder goed dan iets langzamere neutronen. Als remstof ( moderator) wordt meestal gewoon water, zogenoemd lichtwater ( H20) gebruikt, maar zwaar water( D2O) en grafiet ( C) worden ook toegepast. Regelstaven Deze hebben dezelfde functie als de moderatoren. De regelstaven bevinden zich tussen de splijtstofelementen ( uranium). Deze staven bevatten adsorberend materiaal ( meestal cadmium). De cadmiumstaven adsorberen de vrijkomende neutronen waardoor verdere splijting van de U-235 atomen niet meer zo snel gaat, met als gevolg dat de kettingreactie wordt onderbroken. Door van de regelstaven gebruik te maken, kan de intensiteit van de kettingreactie en zo de geproduceerde hoeveelheid energie precies worden geregeld. Koelvloeistof Langs de regelstaven van een reactor loopt koelvloeistof dat wordt verwarmd en zo verdampt zodat de turbine gaat draaien. Er worden verschillende soorten koelvloeistoffen toegepast zoals water, zwaar water en gas, hierop onderscheidt men de kernreactoren. Verschillende type kerncentrales. Kernreactoren kunnen op verschillende manieren worden ingedeeld. In dit hoofdstuk zijn ze ingedeeld naar het toegepaste koelmiddel. Lichtwaterreactoren (LWR s) Dit is een verzamelnaam voor alle kernreactoren die H2O ( licht water) als moderatorstof en al koelstof gebruiken. Ongeveer 80% van de kerncentrales in de wereld zijn lichtwaterreactoren. Deze kan je weer onderverdelen in twee typen, namelijk kokendwaterreactor ( Boiling Water Reactor, BWR) en de Pagina 4 van 6

5 drukwaterreactor (Pressurized Water Reactor, PWR). Beide reactoren hebben een reactorvat met een reactorkern. In deze kern zit het uranium in brandstofstaven die zijn gerangschikt in bundels. Bij een PWR stroomt het koelmiddel langs de brandstofstaven en geeft dan zijn warmte af. Daarna gaat de vloeistof naar stoomgeneratoren waarin stoom wordt geproduceerd waarmee de turbine wordt aangedreven. Bij een BRW ontbreken de stoomgeneratoren en wordt de stoom al in het reactorvat opgewekt. De druk op het reactorvat is 155 bar, waarmee een temperatuur van 300 ºC wordt bereikt. Zwaarwaterreactoren Canada heeft een groot deel bijgedragen aan de ontwikkeling van deze reactor. Zij hadden de eerste zwaarwaterreactor, genoemd de CANDU ( Canadian-Determium-Uranium). Door zwaar water als koelstof en als moderator te gebruiken kan natuurlijk uranium als splijtstof worden gebruikt. Zo hoeft het uranium niet eerst verrijkt te worden. Het grootste verschil met LWR s is dat er geen hoge druk op staat. Omdat zwaar water de neutronen niet genoeg afremt moeten de brandstofstaven verder uit elkaar worden geplaatst zodat men de neutronen toch nog langzaam kan maken. In tegenstelling tot een LWR staan de drukbuizen van een zwaarwaterreactor horizontaal in het reactorvat, de calandria genoemd. De calandria is gevuld met zwaar water als moderator. ( Zie plaatje) Elke drukbuis bevat een aantal uraniumstaven die heen en weer kunnen worden geschoven voor als het uranium moet worden vervangen. Doordat het uranium kan worden vervangen terwijl de reactor bezig is, wordt de extra splijtstof die nodig is om een reactor langdurig te laten werken, bespaard. Watergekoelde grafietreactoren De reactor is een Russisch ontwerp dat ookwel wordt aangeduid met de afkorting RBMK. De RBMK is in het Westen berucht vanwege de kernramp bij Tsjernobyl in Deze reactor is alleen gebouwd in de landen van de voormalige Sovjet-Unie. Zoals de naam als zegt wordt grafiet voor de moderatie toegevoegd en water voor de koeling. Een nadeel van grafiet is dat de moderatie minder goed is dan bij water of zwaarwater. De brandstofstaven moeten daarom nog verder uit elkaar worden geplaatst dan in een zwaarwaterreactor. De reactorkern bestaat uit een stapeling grafietblokken waarin kanalen zijn gemaakt zijn voor de drukbuizen met het uranium. Het water wordt in de drukbuizen al in stoom omgezet, dus er zijn geen stoomgeneratoren nodig. De RBMK is vooral onveilig omdat de vermenigvuldigingsfactor van de neutronen toeneemt als de damp/vloeistof verhouding groter wordt in het reactorvat. In Westerse reactoren zit een automatische beveiliging die er voor zorgt dat de vermenigvuldigingsfactor van de neutronen juist afneemt als de stoom toeneemt. Dus bij een RBMK kan een veel hoger vermogen worden bereikt dan bij andere reactoren. Dit maakt deze reactor dus gevaarlijk. Gasgekoelde reactoren Deze reactoren gebruiken koolstofdioxide of helium als koelgas en zijn grafietgemodereerd. Hierdoor is het vermogen iets lager dan die van een vloeistofgekoelde reactor. Gasgekoelde reactoren kun je onderverdelen in drie generaties: de Magnoxreactor, de Advanced Gascooled Reactor ( AGR) en de hoge- temperatuurreactor (HTR). Magnoxreactoren maken gebruik van Pagina 5 van 6

6 een magnesiumlegering om de splijtstof ( Magnox). Er staan 26 van deze reactoren in Engeland en drie in Frankrijk. Deze laatste zijn stilgelegd, wegens het beperkte vermogen. Na 1980 zijn er geen Magnoxreactoren gebouwd. De AGR werd later gebouwd en had meer 10% meer vermogen dan de Magnoxreactor. Maar ook dit bleek tegen te vallen. Daarom maakte men de HTR. Deze had voor het eerst helium als koelmiddel in plaats van koolstofdioxide. Hij is ontwikkeld in Duitsland en de V.S. Snelle reactoren Hierin word het grootste deel van de splijtingen veroorzaakt door snelle, niet afgeremde, neutronen. Om de neutronen zo min mogelijk af te remmen gebruiken ze natrium als koelmiddel. In een snelle reactor kan meer splijtstof (plutonium-239) worden aangemaakt waardoor de splijtstof optimaal wordt gebruikt. Kweekreactoren kunnen tot maximaal 60 keer zoveel energie uit dezelfde hoeveelheid uranium halen dan de lichtwaterreactoren. De reden dan er nog niet veel van deze reactoren gebouwd zijn, zijn de hoge kosten en het verzet van de mens( omdat van plutonium kernwapens kunnen worden gemaakt). Kerncentrale Dodewaard. De eerste Nederlandse kerncentrale voor elektriciteitsproductie in die van Dodewaard. Hij werd in 1969 gebouwd door de Nederlandse elektriciteitsbedrijven. Het is een kleine kerncentrale en heeft daarom ook maar een vermogen van 58 MWe. In deze kerncentrale maakten ze gebruik van een lichtwaterreactor. De ligging van de kerncentrale was gekozen omdat Dodewaard het dicht bij een rivier ligt, die dan het koelwater levert. Omdat er geen toekomst is voor kerncentrales in Nederland werd in 1997 de kerncentrale Dodewaard buiten bedrijf gesteld. Nu zijn ze bezig met het ontmantelen. Toch heeft de kerncentrale veel ervaring opgebracht voor de Nederlandse ontwikkeling van kernenergie. Kerncentrale Borssele Deze kerncentrale, die in 1973 gebouwd was, heeft een hoger vermogen dan die van Dodewaard namelijk 450Mwe en levert meer dan 4% van de elektriciteit voor Nederland. Na kerncentrale Borssele zijn in Nederland geen kernreactoren meer gebouwd. Hiervoor zijn twee redenen. De ontdekking van de grote aardgasvoorraden in Groningen en de Tsjernobyl ramp in Pagina 6 van 6