Botsing geeft warmte Waar komt die warmte vandaan? Uraniumatomen bestaan, net als alle andere atomen, uit een kern

Transcriptie

1 E rgens diep in de krochten van dit betonnen gebouw gebeurt het. I n de kerncentrale in het Zeeuwse Borssele wordt vier procent van de Nederlandse elektriciteit opgewekt. Maar dat bhjft onzichtbaar. Bij de deurvanhetreactorgebouw staan een detectiepoort en een druksluis. De poort controleert bij het verlaten van het gebouw of er niet per ongeluk radioactief stof op je is neergedwarreld. De druksluis zorgt dat de onderdruk die in de reactorkoepel heerst, behouden bhjft. Zo kan er niets radioactiefs in de buitenwereld komen. Meer zie je er niet van. De plaats waar de energie ontstaat, zit onder een dikke laag beton verstopt in een reactorvat met stalen wanden van wel twintig centimeter dik. Hoe wordt kernenergie opgewekt? En wat zijn de gevaren? Kern wordt heet De opwekking van kernenergie begint met tienduizenden stalen staven vol brandstof in het hart van de centrale. Die brandstof is uranium. Dat wordt niet verbrand, maar gespleten. Vandaar dat uranium ook wel sphjtstof genoemd wordt. De kernen van de atomen in de brandstofstaven worden in tweeën gebroken. 'Bij deze kemsphjting komt enorm veel energie vrij', weet Jan Leen Kloosterman, universitair hoofddocent reactorfysica aan de Technische Universiteit Delft. 'Het sphjten van een gram uranium levert net zo veel energie op als het verbranden van 3000 kilogram steenkool.' De energie die üi het reactorvat vrijkomt, wordt i n warmte omgezet. Veel warmte, het water dat door het reactorvat en langs de sphjtstofstaven stroomt, wordt 300 graden Celsius heet. Dat het niet gaat koken, komt door de enorme druk van 155 bar die er heerst, dat is 155 keer de druk van de buitenlucht De hitte van het water wordt via een warmtewisselaar aan een tweede waterckcuit overgedragen. Dit water raakt wel aan de kook. De stoom die erbij ontstaat, drijft turbines aan die op hun beurt een generator aan het werk zetten. Zo wordt uiteindehjk 38 procent van de warmte die in het reactorvat ontstaat, omgezet in elektriciteit. Botsing geeft warmte Waar komt die warmte vandaan? Uraniumatomen bestaan, net als alle andere atomen, uit een kern

2

3 Techniek Het radioactieve afval zal nog duizenden iaren op een veilig waar een wolk elektronen omheen zit. De kern is niets anders dan een hoop kerndeeltjes (protonen en neutronen) bij elkaar Ze zitten heel sterk aan elkaar gebonden. Hoe sterker, hoe meer energie er vrijkomt als je ze losbreekt. Om dat voor elkaar te krijgen, moet je de uraniumkernen beschieten met neutronen. Raak? Dan spat zo'n klomp kerndeeltjes uit elkaar in twee kleinere klompjes, in kernen van lichtere elementen. Maar dat gebeurt niet bij elke uraniumkern. Er zitten namelijk twee soorten uranium in de brandstof (zie het kader 'Rijk uranium'). Het splijtbare uranium splijt direct als het door een neutron getroffen wordt. Maar er zit ook onsplijtbaar uranium in de reactor Als dat door een neutron wordt geraakt, splijt het niet meteen. Dit uranium verandert eerst in een ander element, plutonium. Pas als er een tweede neutron deze plutoniumkern treft, splijt die in tweeën. Kloosterman: 'De meeste energie die bij kernsplijting vrijkomt, zit in de twee brokstukken die bij elke splijting ontstaan.' Deze lichtere atoomkernen worden met een slordige kilometer per seconde weggeslingerd. Door te botsen met de andere atomen in de brandstof verliezen ze hun snelheid. En hun bewegingsenergie wordt dan om- Rijk ur ' [)J ï(sfte.llrt«!l(fi!ilm i(liü:.i<t)i(«l* liiiiröiii;<;i*i(i;;iitii':il^ m^i]ii, ;^i"jila(yi;!i i': ilmi(i,<,{ii;!:iilh(;!f M!yjllll l lf(:;ii(c]ijil t:ll *: ih; c-iiiiii^.iiiliiinviy;! l!l;i v/f)wiii l!l!m!l!<hniai>l!lti'ts)i*5)l':i(s!,:!>m<' iki"u'ii ^ini;)i;;;;f:^i;(:iiiii!ty5!y(im!ï;; IfM'KJ^tllIjiWIIllföittiKil? i. i:>!j(!;k aat VOO in-238 gezet in warmte, net zo lang tot de brokstukken zijn stilgevallen. Reactie geeft reactie Een kernreactie houdt zichzelf in stand. Alleen bij het opstarten van de reactie, moet je neutronen op de brandstof schieten. Die splijten de eerste kernen. Daarna gaat het vanzelf, want bij elke splijting van een uraniumkern komen twee of drie neutronen vrij. Die splijten op hun beurt ook weer kernen. Toch blijft deze kettingreactie beheersbaar, omdat niet alle neutronen een nieuwe reactie in gang zetten. In het reactorvat zitten zogeheten regelstaven die zijn gemaakt van materiaal dat neutronen opneemt. Zo kapen ze neutronen weg uit de reactie. Kloosterman: 'Door deze staven op en neer te bewegen, kun je de kettingreactie regelen.' Als de reactie om een of andere reden toch uit de hand loopt, vallen die regelstaven naar beneden. Zitten ze helemaal in de reactorkern, dan worden alle neutronen opgenomen en valt de reactie direct stil. Met de reactie kan dus niets misgaan. zijn de meeste brokstukken die bij kernsplijting ontstaan radioactief. Ook splijt niet al het plutonium dat uit het onsplijtbare uranium ontstaat. Een deel blijft intact, en een deel verandert in het element americium. En dat is net als plutonium radioactief. 'Dit is het radioactieve afval van de centrale', zegt Kloosterman Sommige splijtingsproducten zijn al na een uur niet Straling is probleem Toch kleven er problemen aan de opwekking van kernenergie. Zo Hoe maakt een kerncentrale stroom? $ii1f».ll'i^>{:{')s<')')l''<*v/oi!il»m,.v/»)<il(.iw;! r\',vi)i!!l>. '.:>V! ltj ; it(! ii> i m i ^ n i! B ) i.('iri(:i,/i jiiitiff3' f)«l<*!»«1(!l:1r(tf<<l l«lw:h«v<>lif ylfut)!l')ii fii;i;(. lv,'/'uii;ril,i»);i IJ!Oii «s)ii(!li!!lil:ii.twil<t)riiiwml!iii ': :JlWPlil<:)li,l;(l lilwll>v(ikii: l' In het reactorvat ontstaat warmte. Deze warnfite zet het water dat door de stoomgenerator stroomt om in stoom. De stoom drijft een turbine aan. De turbine drijft een generator aan 36 rêrrainrt^nïïïl die vervolgens elektri citelt produceert. In een condensor koelt de stoom af tot het weer water Is. De Westerschelde levert het koelwater. Het opgewarmde koelwater wordt daar ook weer In geloosd. I»»MiiMili(ii.-i<.iis;w.nii itji;. ovejujjiijril! i t lï i 011 (! j ü li I i i f ^ ^ J hoogte genoeg lucht hebben om door te werken. Ook heeft de centrale een watervoorraad van 700 kubieke meter. nog warmte en straling af. Het water koelt en houdt tegelijk de straling tegen.

4 plek bewaard moeten worden De USS Nautilus maakte in 1979 zijn laatste tocht. Oranje goed H oewel alles in de kerncentrale van Borssele hermetisch Is afgesloten, kunnen er radioactieve deeltjes buiten het reactorvat terechtkomen. Een keer per jaar gaat het reactorvat namelijk open om een deel van de brandstofstaven te wisselen en onderhoud uitte voeren. Radioactieve deeltjes kunnen zich dan hechten aan stof Kom je door het poortje? Dan mag je naar huis. Wel eerst weer even je eigen kloffie aantrekken. meer radioactief. Andere reactieproducten zijn echter honderden jaren radioactief, americium zelfs duizenden jaren. Dat afval wordt goed beschermd opgeslagen (zie het kader 'Pakketje afval'). Maar een echte oplossing is er nog altijd niet voor. Een heel ander probleem is dat de straling de reactorkern opwarmt, ook als de centrale uit staat en de en zich verspreiden In de ruimte buiten het reactorvat. Om te voorkomen dat ze via medewerkers het gebouw verlaten, draagt ledereen speciale bedrijfskleding. Die blijft altijd binnen en wordt gewassen In een wasserij in het reactorgebouw. Als de kleding schoon Is, gaat die naar de kleedkamers. De kleding is opvallend oranje gekleurd, dat geldt ook voor de sokken, onderbroeken en bh's. De kans datje per ongeluk vergeet je ondergoed te wisselen wordt daarmee erg klein. kettingreactie al lang is gestopt. Daarom moet een centrale zeker nog een jaar lang worden gekoeld als hij is uitgeschakeld. Het belang daarvan zie je als de koeling door een ramp uitvalt, zoals in Japan gebeurde toen een tsunami de kust trof in Kloosterman: 'Als de hitte niet langer weg kan, kunnen brandstofstaven smelten.' Er kan dan radioactief materiaal lsf*ii;;niiïi y:,\v/j( :*lil 'J/;iii ;;ilil(l!!i;!i!.i(4\ Schadelijke straling W aarom zitten de reactor en het afval van een kerncentrale achter dikke lagen beton verstopt? Omdat de brandstof en het afval in de brandstofstaven radioactief zijn. Dat wil zeggen dat ze zogenoemde ioniserende straling uitzenden. Die is schadelijk voor je gezondheid. De straling kan alleriei weefsels in je lichaam beschadigen, waaronder je erfelijk materiaal, je DNA. Er zijn 3 soorten ioniserende straling: alfa-, bèta- en gammastraling. Alfastraling is het makkelijkst tegen te houden. Dat lukt al met een velletje papier. Bètastraling komt niet door een centimeter aluminium of plexiglas heen. Gammastraling is de lastigste. Om die te stoppen, heb je tientallen centimeters beton of meters water nodig. De kem van de centrale zit dus vooral goed ingepakt om gammastraling tegen te houden. Door straling uit te zenden, veranderen radioactieve stoffen uiteindelijk in een stof die niet meer radioactief is. Maar bij hoogradloactief materiaal kan dat wel jaar duren. p ^ [ nfi/9ni^ 37

5 Wereldcht I ter wereld e kernenergie 'iiiihiifsfflri Itelt op te wekken. Wereldwijd zijn 437 kerncentrales In gebruik en 71 in aanbouw. Van die 437 staan,ï),li;:i?)ilrijaii,,i-,r dt 12,3 van de elektriciteit in kerncentrales opgewekt. In Europa is dat ongeveer 15 procent. Met 58 kerncentrales heeft Frankrijk de meeste centrales van Europa. Ze zijn goed voor 77,7 procent v In het reactorgebouw heerst onderdruk, zodat eventuele radioactieve gassen niet naar buiten kunnen. Het gebouw is alleen via luchtsluizen tofigankeliik.jlifaime&een voor noodgevallen..<!!nr!'mi! l(iii!'ïifi(;!lti(?)iijöj:l U'HH«!.ilsK) v(i ( i I W H1} v f! Hl 1 In nieuwe veilige kerncentrales kan zelfs de koeling uitvallen zonder grote gevolgen uitlekken, datheeteenmeltdovvn. Als ook het reactorvat gescheurd is door bijvoorbeeld een explosie of een aardbeving, kan er radioactiviteit naar buiten. Het materiaal komt dan in het betonnen omhulsel om het reactorvat terecht. Maar als dat ook is beschadigd, kurmen radioactieve stoffen in de omgeving terechtkomen. Kern blijf koe\ ICerncentrales hebben veiligheidssystemen die zorgen dat het koelsysteem niet zomaar uitvalt (zie het kader 'Dubbel gekoeld'). Toch blijft die kans bestaan zolang de koeling afhankelijk is van hulpsystemen. Daarom wordeij er nu inherent veilige reactoren ontwikkeld, die voor hun koeling geen pompen en elektrische systemen nodig hebben. Een voorbeeld is de gasgekoelde hogetemperatuurreactor De reactorkern heeft in dit ontwerp een langere, dunnere vorm dan bijvoorbeeld de kern in de centrale in Borssele. Door zijn relatief grote oppervlak kan deze kern zijn warmte gemakkelijk aan het reactorvat en de omgeving afgeven, zelfs als de gaskoeling uitvah. Bovendien gebruikt dit type kernreactor ook een andere brandstof: grafietkogels die met minuscule uraniumkorrels zijn gevuld. Elke uraniumkorreltje is ingepakt in 4 laagjes die ervoor zorgen dat de radioactieve stoffen ook onder e.xtreme omstandigheden rüet vrij38 es^nfi/?ni.-^] (Hlitihili^kirH;!;!! ;)iï!i; ;= komen. Kloosterman; 'De grafietkogels kun je verhitten tot zo'n 2000 graden Celsius zonder dat ze kapot gaan. Maar dankzij het ontwerp kan de kern deze temperatuur helemaal nooit bereiken.' Afval moet minder Behalve met dit soort zelf koelende systemen experimenteren onderzoekers ook met een andere brandstof. I n India en China wordt aan onderzoeksreactoren gewerkt die lopen op thorium. Dat element is zelf niet splijtbaar, maar het wordt door neutronen in te vangen omgezet in uranium, dat vervolgens splijt. Het voordeel van thorium is dat er bij deze reactie geen plutonium ontstaat, dus ook geen lang stralend americium. En het radioactieve afval van dit type centrale hoeft geen duizenden jaren, maar slechts 500 jaar te worden opgeslagen. Waarom nog niet alle kerncentrales op thorium lopen? 'Het proces is ingewikkelder', verzucht Kloosterman. 'Pas over twintig tot dertig jaar zijn we misschien zo ver' elly.posthumus@quest.nl epz.nl: de kerncentrale In Borssele. tlnyurl.com/kernenergienl: informatie over kernenergie In Nederland. Pakketje afval D e brandstof van een kerncentrale gaat zo'n 4 jaar mee. Als het meeste splijtbare uranium In de brandstofstaven verbruikt is, worden die vervangen door nieuwe staven. In de kerncentrale in Borssele verversen ze elk jaar een kwart van de staven. Als dit gebeurt, ligt de centrale tijdelijk stil. De gebruikte staven zitten vol radioactief afval, dat nog ongeveer een jaar lang warmte uitstraalt. Een speciale hijskraan hijst deze staven uit het reactorvat en zet ze in een naastgelegen koelbad. Een jaar later gaan ze naar een verwerkingsbedrijf in Frankrijk. Daar wordt ongeveer 95 procent van de brandstof gerecycled, zoals het overgebleven uranium en plutonium. De rest wordt in glas ingepakt en gaat terug naar Nederiand, want elk land moet zijn eigen radioactieve afval opslaan. Dat gebeurt in een betonnen bunker. De kerncentrale in Borssele produceert elk jaar anderhalve kubieke meter van dit afval. Het ligt minstens 100 jaar in zo'n bunker. Ondertussen wordt onderzocht of het afval na deze periode wellicht ondergronds kan worden opgeslagen.