Werkstuk ANW Kernenergie

Transcriptie

1 Werkstuk ANW Kernenergie Werkstuk door een scholier 3473 woorden 13 april ,9 220 keer beoordeeld Vak ANW Inhoudsopgave 1. Inhoudsopgave 2. Inleiding. 3. Hoe wordt Kernenergie gemaakt? 4. Regelstaven 5. Kernfusie. 6. De gevaren van Kernenergie. 7. Radioactief afval. 8. Toepassingen van Kernenergie. 9. De geschiedenis van Kernenergie. 10. De Voor- en Nadelen van Kernenergie 11. Bronvermelding + Eigen Mening. Inleiding Wat is energie eigenlijk? Energie is afkomstig van 2 Griekse woorden. Die ongeveer betekenen: de mogelijkheid om werk te verrichten. Dat klopt wel, want om je voort te bewegen heb je altijd energie nodig. Je hebt 3 soorten energie: Fossiele energie, fossiel betekent: versteend overblijfsel van een plant of dier uit de oertijd, dat is Pagina 1 van 8

2 bijvoorbeeld steenkool of aardolie. Permanente energie, permanent betekent blijvend. Een voorbeeld van blijvende energie is zonneenergie. Nucleaire energie, dat is energie die vrij komt in een kerncentrale. In dit werkstuk ga ik het vooral hebben over de laatste vorm van energie, nucleaire energie (kernenergie) en alles wat er bij komt te kijken om het te verwekken. Nucleaire energie uit atomen kan op twee manieren worden vrijgemaakt, zowel door kernfusie als door kernsplijting. Bij kernfusie komt er energie vrij wanneer de kernen van atomen samensmelten. Dit is de manier waarop de zon energie produceert. Het grootste voordeel van kernfusie is het feit dat het alleen radioactief afval produceert met een zeer korte levensduur. Bij kernsplijting komt er energie vrij als de kernen van atomen worden gesplitst. Op dit moment kan er alleen van kernsplijting gebruik worden gemaakt voor de productie van elektriciteit. Wetenschappers zijn er nog niet in geslaagd een stabiele kernfusiereactor te ontwerpen. Hoe wordt kernenergie gemaakt? Een kerncentrale is een fabriek dat elektriciteit opwekt door middel van kernenergie. Het gedeelte waarin kernenergie wordt opgewerkt heet: het reactorvat. In een reactorvat is. Alles is opgebouwd uit atomen. Zo'n atoom kun je vergelijken meteen superklein zonnestelsel compleet met zonnen en planeten. Een atoom is heel klein maar heeft onwaarschijnlijk grote krachten. Ieder atoom bestaat uit een kern en een of meer elektronen die daar omheen cirkelen. Afb. 1. In de kern zitten protonen (kleine deeltjes van de atoom met positieve elektrische lading) en neutronen (kleine deeltjes van de atoom met een negatieve lading). Een sterke verbindingskracht houdt deze bijeen. Sommige stoffen hebben een atoomkern met speciale eigenschappen (bijvoorbeeld uranium en plutonium). Als zo'n kern getroffen wordt door een vrij bewegend neutron, kan deze in brokstukken ("splijtingsproducten") uiteenvallen. Daarbij komt energie vrij in de vorm van warmte. Bij de splijting ontstaan er twee nieuwe kernen en wat losse neutronen. Die losse neutronen schieten in het rond en gaan zelf ook atoomkernen splijten. Daardoor houdt het proces zichzelf in stand: er ontstaat een kettingreactie. De, door splijting, verkregen warmte of energie die vrijkomt in de reactor is de kernenergie die in de centrale wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken. In een kernreactor bevindt zich een aantal splijtstofelementen. Dit zijn bundels van splijtstofstaven: dunwandige hulzen waarin een hoeveelheid uraniumtabletten is opgestapeld. Maar dat is niet voldoende voor de kernsplijting. Er doet zich namelijk een probleem voor. De rondvliegende neutronen hebben een zeer hoge snelheid. Niet afgeremd schieten ze hun doel, de atoomkern, letterlijk voorbij. Daarom staan de splijtstofelementen in een vat met water. De neutronen botsen dan met waterdeeltjes en verliezen zo een deel van hun snelheid. Behalve water zijn er nog andere stoffen die de neutronen kunnen afremmen. Grafiet bijvoorbeeld. Zo'n afremmer heet een moderator. Het water dat als moderator wordt gebruikt, heeft nog een tweede functie: het transporteert de opgewekte warmte. De staven geven hun warmte af Pagina 2 van 8

3 aan het water in het reactorvat. Afhankelijk van het type reactor gaat het water zelf koken of geeft het z'n warmte af in een stoomgenerator. Er ontstaat stoom, de turbine kan gaan draaien en zo kan stroom opgewekt worden. Wanneer hetzelfde water dat als remstof dient, gaat koken en in stoom verandert, spreek je van een 'kokendwaterreactor'. Maar er zijn ook andere typen reactoren. De kerncentrale in Borssele bijvoorbeeld is een 'drukwaterreactor'. Het water in het reactorvat staat hier onder zo'n hoge druk dat het wel heet wordt, maar niet gaat koken. Het water geeft zijn warmte af aan het water van het 'secundair circuit' via de zogenaamde stoomgenerator. Het water van dit 'secundair circuit' gaat wel koken. Afb. 1. Op het plaatje hieronder zie je een plaatje van een atoom. Het heeft een kern van rode en witte bolletjes, dat zijn de protonen en neutronen. Daar omheen vliegen nog een aantal andere deeltjes, de elektronen. Regelstaven Door de splijting van de atomen in de kerncentrale ontstaat er een kettingreactie. Het probleem van kettingreacties is hoe je ze in bedwang houdt. Zonder enige controle, kan een kerncentrale simpelweg ontploffen. Natuurlijk gebeurt dat niet, 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, zie afb. 2. Als je deze reactie niet kunt beïnvloeden levert elke reactie drie nieuwe neutronen, die elk weer een nieuwe kernsplijting kunnen veroorzaken op. Op deze wijze kan het erg snel uit de hand lopen. Het is dus zeker 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. Zo kun je de kettingreactie in bedwang houden. Afb. 2. De kettingreactie van kernsplijting, bij elke kernsplijting ontstaan er weer 3 nieuwe neutronen, die weer een nieuwe kernsplijting veroorzaken. Kernfusie De tweede vorm van nucleaire energie is kernfusie. Het fusieproces werkt door lichte atomen onder extreem hoge temperaturen (meer dan een miljoen graden Celsius) en grote druk te laten samensmelten tot zwaardere atomen. Splijting dus werkt precies andersom. Grote en zware atomen worden daarbij gespleten in twee of meer lichtere componenten. Zowel bij kernfusie als bij kernsplijting komen er enorme hoeveelheden energie vrij die kunnen worden omgezet in warmte of elektriciteit. Het grootste voordeel van kernfusie is het feit dat het alleen radioactief afval produceert met een zeer korte levensduur. Kernfusie biedt daarnaast nog de volgende voordelen. De brandstof zijn overvloedig beschikbaar tegen geringe kosten. Fusie levert de hoogste energie opbrengst. Een fusie reactor kan niet worden vernietigd door oververhitting. Er is geen verontreiniging van de atmosfeer. Er worden geen broeikas- of zure gassen Pagina 3 van 8

4 geproduceerd (dus geen broeikaseffect of zure regen). Door al deze voordelen van kernfusie worden er geen grote protesten verwacht met de introductie ervan. Helaas, kernfusie is geen optie op dit moment en het zal nog minstens tientallen jaren duren. Want eerst zullen de hoge onderzoeksinspanningen op het gebied van kernfusie nog moeten leiden tot de daadwerkelijke opwekking van elektriciteit. In de afgelopen 35 jaar heeft alleen de VS al 6.1 miljard dollar uitgegeven aan dit onderzoek en men verwacht dat er in de toekomst nog eens 18 miljard dollar nodig is voordat men zo'n kerncentrale kan testen. Kernfusie zou wel eens de belangrijkste energiebron van de toekomst kunnen worden. Er niet veel meer dan zeewater nodig als energiebron, waaruit via kernfusie enorme hoeveelheden energie kunnen worden vrijgemaakt. Het zou een belangrijke rol kunnen spelen bij de industrialisatie van ontwikkelingslanden die zich geen duurdere elektriciteit kunnen veroorloven.of we straks daadwerkelijk gebruik kunnen maken van kernfusie energie zal afhangen van verder onderzoek, de kosten van de elektriciteit die ontstaat door de kernfusie en de totale vraag naar elektriciteit in de 21ste eeuw. De gevaren van kernenergie Kernenergie brengt grote risico's met zich mee. Het ongeluk in Harrisburg (1979) schudde de wereld voor het eerst wakker. De ramp met de centrale van Tsjernobyl in 1986 maakte het definitief duidelijk: de krachten in een kerncentrale zijn ongekend. Talloze veiligheidssystemen kunnen het risico van ongelukken verkleinen, maar uitsluiten is onmogelijk. Het ongeluk met reactor nr. 4 bij de centrale van Tsjernobyl vond plaats in de nacht van 25 op 26 april 1986 tijdens een veiligheidstest. De ploeg ingenieurs wilde testen of de turbines genoeg energie konden leveren om de koelpompen draaiende te houden bij een stroomuitval, totdat het nood dieselaggregaat zou worden ingeschakeld. Om te voorkomen dat de test zou worden onderbroken, werden de veiligheidssystemen met opzet uitgeschakeld terwijl de reactor werd teruggeschakeld naar 25% vermogen. Deze procedure verliep niet volgens plan en om onbekende redenen viel het vermogen van de reactor terug tot minder dan 1 procent, zodat het vermogen geleidelijk weer moest worden opgeschroefd. Totdat zich 30 seconden na het begin van de test een onverwachte en snelle vermogenstoename voordeed. Het nood afschakelsysteem van de reactor, dat de kettingreactie had moeten stoppen, werkte niet. Binnen een fractie van een seconde steeg het vermogen en de temperatuur vele malen. De reactor raakte volledig onbeheersbaar, wat uiteindelijk tot een enorme explosie leidde. Het 1000 ton wegende dak van het reactorgebouw werd eraf geblazen en de brandstofstaven smolten bij een temperatuur van meer dan 2000 C. Het grafiet van de reactor vatte vlam en in de hel die daarop losbarstte, werden de radioactieve splijtingsproducten die bij de 'meltdown' waren vrijgekomen, de atmosfeer ingeblazen. Na de ramp in Tsjernobyl riep de nucleaire industrie dat dit een typisch Oost-Europees probleem was en dat dergelijke ongelukken in 'Westerse' centrales niet konden gebeuren. Toch voltrok zich op 30 september 1999 een nieuwe ramp in Japan, een land met de nieuwste Westerse technologie. Uranium in een tank begon spontaan te splijten en de straling die daarbij vrijkwam maakte evacuatie van de omgeving noodzakelijk. Het ongeluk is er de oorzaak van dat Japan de plannen voor meer kerncentrales herziet. Radioactief afval Bij elke reactor ouder dan 2 jaar wordt er eens per jaar een deel van de splijtstoffen vervangen door Pagina 4 van 8

5 nieuwe. De oude splijtstoffen worden eerst even bij de kerncentrale zelf opgeslagen en daarna naar een opwerkingsfabriek vervoerd. In Nederland gaat splijtstof tegenwoordig nog naar buitenlandse fabrieken. Je zou de oude splijtstoffen ook kunnen weggooien of opbergen. Maar omdat er niet echt een overvloed is aan splijtstoffen wordt een deel weer opgewerkt en verwerkt tot nieuwe splijtstof. Dat noem je opwerking. Opwerking zorgt niet dat we alle stoffen weer kunnen hergebruiken een deel is nu zeer radioactief geworden en moet worden opgeborgen. Omdat het stoffen zijn die na gebruik nog straling uitzenden. Een te grote hoeveelheid straling is schadelijk voor mens en milieu. Een belangrijke taak van de medewerkers van de kerncentrale is het vermijden van contact met radioactieve stoffen. Er zijn verschillende categorieën radioactief afval: Laag actief, met een relatief geringe activiteit, wat hierdoor geschikt is om in speciaal daarvoor gemaakte faciliteiten aan het aardoppervlak opgeborgen te worden. Middel actief, met een hogere activiteit wat betere afscherming en isolatie voor mens en milieu noodzakelijk maakt. Hoog actief, met een hoge activiteit maar daarnaast geeft het afval tengevolge van de activiteit ook nog warmte af. De hoeveelheid hoog radioactief afval van een jaar lang stroom maken is gelukkig klein. Het past als het ware onder een tafel. Bovendien is de radioactiviteit goed meetbaar. Je kunt de straling laten zien door gebruik te maken van een dosi-meter. Het afval is dus beheersbaar. Sommige radioactieve stoffen zijn na een paar minuten niet gevaarlijk meer. Radioactiviteit neemt namelijk in de tijd vanzelf af. Dit wordt uitgedrukt met halfwaarde tijden, de periode waarin een radioactieve stof de helft minder gaat stralen. Sommige radioactieve stoffen (kernsplijtingsafval) blijven duizenden jaren gevaarlijk. Technieken om deze stoffen om te zetten in minder gevaarlijke producten zijn wel in ontwikkeling, maar nog niet beschikbaar. Het omkapselen gebeurt in lagen met respectievelijk glas, beton, staal en nog eens een laag beton. Dit garandeert een stralingsvrij schild voor een aantal jaren. Aangezien de halveringstijd van dit materiaal zo n jaar is kan eigenlijk niet het risico worden genomen om het te dumpen in de oceaan of op te slaan in zoutkoepels. Je moet er eigenlijk altijd bij kunnen als er iets aan de hand is. De beste oplossing is het bouwen van zware bunkers. Ook hebben de wetenschappers eraan gedacht om het met een raket naar de zon te sturen.vanaf 1940 tot 1980 werden er regelmatig vaten met radioactief afval gedumpt in de oceanen. Ongeveer 10 jaar later ontdekte men dat minimaal 1 kwart van deze vaten lek waren. Toepassingen van kernenergie Kernenergie komt heel veel voor. Veel mensen, inclusief ik voordat ik aan dit werkstuk begon, denken bij kernenergie vaak alleen aan kerncentrales en kernbommen, maar in de natuur komt kernenergie ook heel veel voor. Er zit bijvoorbeeld kernenergie in het zonlicht. In dit hoofdstuk wil ik vertellen waar kernenergie voorkomt en hoe het wordt gebruikt. Kerncentrales en Kernbommen Pagina 5 van 8

6 Zoals ik al heb verteld wordt er veel gebruik gemaakt van kernenergie in kerncentrales. In feite is een kernbom een kerncentrale in het klein. In een kernbom wordt op dezelfde manier kernenergie opgewekt als in een kerncentrale. Geneeskunde Ook in de geneeskunde wordt kernenergie toegepast. Sommige ziekten kunnen worden genezen door de mensen te bestralen met nucleaire middelen. Veel straling is erg gevaarlijk. Vooral radioactieve straling kan veel schade aanrichten in ons lichaam. Straling maakt het lichaam stuk. Soms is dat gunstig, omdat het ook kankergezwellen stuk kan maken en zo voor genezing kan zorgen. Straling kan dus kanker opwekken en vernietigen. De geneeskunde is zich ervan bewust dat men met gevaarlijke middelen bezig is en er wordt dan ook de grootste aandacht geschonken aan de veiligheid bij het behandelen. De zon Zoals iedereen wel weet is de zon een belangrijk element in ons zonnestelsel. Mede door de aanwezigheid van de zon is er leven op aarde mogelijk. De zon zorgt voor warmte en licht, zodat organismen kunnen groeien. De zon is dus een onmisbare energiebron voor de aarde. De energie die de zon afgeeft is kernenergie. De zon is een ster en daardoor is het zo warm binnenin de zon, dat atoomkernen met elkaar beginnen te fuseren, dus er treed kernfusie op. Dit zorgt voor zoveel energie dat de zon zich als een stralende bol in het heelal bevindt. Gewone verbrandingen zouden niet mogelijk zijn op de zon, want de stof zuurstof is daar niet aanwezig en die is nodig om een normale verbranding te laten verlopen Het hele bestaan van de huidige planeet aarde berust dus ook op de aanwezigheid van kernenergie. De geschiedenis van de kernenergie De aarde heeft veel energiebronnen, zoals olie, kolen en gas. De reden dat men opzoek is gegaan naar andere energiebronnen is dat de bronnen uitputbaar zijn. Ook zijn deze grondstoffen duur. Voordat men erachter kwam dat er energie uit kernen op te wekken is, was er een heel proces aan vooraf gegaan om te weten dát er kernen zijn. Dit proces was het ontdekken van atomen. Het idee dat alles om ons heen bestaat uit deeltjes is al zo n 2500 jaar oud en kwam van de Griekse filosoof Demokritos. Hij noemde die deeltjes atomen, wat betekent niet te delen. Dat is dus eigenlijk een verkeerde naam, want atomen wel deelbaar. De Brit Thomsom ontdekte eind de 19e eeuw dat er elektronen bestonden, die onder hoge elektrische spanning in een glazen buis met lage druk ontstonden. Dit leverde het eerste atoommodel op: het krentenbolmodel. Ook dit model bleek niet juist te zijn, maar hieruit bleek al wel dat er kernen in de atomen zaten die gespleten konden worden. Het onderzoek naar de atomen ging verder, maar nu kreeg het onderzoek naar splijting van kernen nieuw leven ingeblazen. Het Frans- Poolse echtpaar Curie, Pierre Curie en Marie Curie werd in 1903 gezamenlijk bekroond met de helft van de Nobelprijs voor natuurkunde Deze kregen ze omdat ze de straling g die door uranium werd uitgezonden ontdekten. In 1939 werd door de Duitse scheikundigen Hahn en Strassmann de splijting van uranium-atoomkernen Pagina 6 van 8

7 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. In 1942 werd 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, lukte. 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 geëxperimenteerd voor wapens. Daarbij denken we aan de atoombommen. Na de Tweede Wereldoorlog zag men dat kern (splijting) energie ook een betere toepassing kon hebben. De ontwikkeling van de betere toepassing van kernenergie is op twee manieren verlopen. Aan de ene kant zijn kernreactoren ontwikkeld die gebruik maken van natuurlijk uranium en aan de andere kant zijn er kernreactoren ontwikkeld die met verrijkt uranium worden geladen. De eerste commerciële kernreactor die gebouwd is voor elektriciteitsproductie werd in 1957 in werking gesteld in Shippingport (V.S). Daarna waren er in de jaren zestig zeer optimistische verwachtingen over kernenergie. 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. Het Nederlandse uranium werd gebruikt voor de eerste splijtstoflading van de Jeepreactor in Kjeller, dichtbij Oslo. De Jeepreactor werd in 1951 gemaakt en was de eerste reactor in Europa. De eerste reactor in Nederland werd gebouwd in 1961 in Petten. 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. De voor- en nadelen van kernenergie Bij de meeste vormen van energieopwekking komt CO2 vrij. Dit is schadelijk voor ons milieu en is medeveroorzaker van het broeikaseffect. Bij de productie van energie in een kerncentrale komt geen CO2 vrij. Kernenergie heeft in vergelijking met bijvoorbeeld een kolen- gas- of oliecentrale nauwelijks nadelige gevolgen voor het milieu. Een groot nadeel is echter dan in kerncentrale radioactief afval vrijkomt. Als geen enkele andere industrietak zijn kerncentrales er op ingericht om veilig en gecontroleerd met dit afval om te gaan. Alles wordt geregistreerd en bewaakt opgeslagen in speciale bunkers of ondergrondse locaties. Radioactief afval blijft lang gevaarlijk, soms meer dan duizend jaar. Daar staat tegenover dat het weinig is. Nog een voordeel is dat Kernenergie een goedkope vorm van energieproductie is. De grondstof, uranium, wordt bij het productieproces zo zuinig mogelijk ingezet. Een bijkomend voordeel is dat uranium een goedkope brandstof is. We hebben wel voor duizenden jaren voldoende uranium voor energieproductie, omdat het zelfs uit zeewater gewonnen kan worden. Door de Europese Commissie is acht jaar lang gestudeerd op de "verborgen kosten" van diverse energiebronnen zoals de gevolgen voor gezondheid van de bevolking, kosten van ongelukken en milieuschade. Het blijkt uit deze onpartijdige studie dat die "verborgen kosten" voor kernenergie veel lager zijn dan voor kolen, olie, gas en zelfs lager dan voor "groene" energie zoals biomassa of zonne-energie. Pagina 7 van 8

8 Alleen voor windenergie zijn de "verborgen kosten" lager dan voor kernenergie. Kernenergie heeft dus zowel voor- als nadelen. Nog even alles op een rijtje, de voor- en nadelen van Kernenergie: Voordelen: Er kan veel energie uit een klein beetje splijtingsstof gemaakt worden. Er komt geen Co2 vrij Er is weinig afval, omdat er vele wordt hergebruikt. Weinig tot geen verborgen kosten De grondstof uranium is niet duur. Nadelen: Milieu verontreinigingen door radioactief afval Het radioactieve afval blijft soms wel duizenden jaren actief Het bergen van radioactief afval gaat moeizaam Kans op ongelukken waarvan de kosten hoog oplopen Bronnen: Www. klokhuis.nl Mijn mening: Nadat ik dit werkstuk heb gemaakt, ben ik erachter gekomen dat kernenergie zowel voordelen, maar ook zeker, nadelen heeft. Kernenergie is een moeilijk punt en er zullen altijd voor- en tegenstanders zijn. Na alles wat ik over kernenergie heb gelezen, ben ik tegen het gebruik van kernenergie. Er zijn veel voordelen, maar het gevaar dat kernenergie met zich meebrengt en het radioactief afval vind ik heel zwaar wegen. Ik denk dat de meeste mensen dezelfde mening hebben als ik. Er worden dan ook veel acties gevoerd, onder andere door Greenpeace, tegen het gebruik van kernenergie. Ook vind ik het gebruik van fossiele brandstoffen niet ideaal omdat ze erg slecht zijn voor het milieu. Ik hoop dat er in de toekomst meer gebuik wordt gemaakt van groene stroom. Dat is veel veiliger en ook niet slecht voor het milieu. Ik vond kernenergie een heel interessant, maar moeilijk onderwerp omdat er heel veel over te vertellen is. Ik heb de punten die ik belangrijk vind verder uitgewerkt in dit werkstuk. Ik heb zeker het idee dat ik er wat van heb geleerd. Ik heb geprobeerd om alles zo goed mogelijk in mijn eigen woorden uit te leggen en naar mijn mening is dat ook goed gelukt. Ik heb zeker geen spijt dat ik dit onderwerp heb gekozen. Pagina 8 van 8