Praktische opdracht Scheikunde Kernenergie

Transcriptie

1 Praktische opdracht Scheikunde Kernenergie Praktische-opdracht door een scholier 2118 woorden 6 februari ,6 128 keer beoordeeld Vak Scheikunde Inleiding In dit literatuur onderzoek gaan we kijken hoe kerenergie wordt opgewekt. Vervolgens kijken we wat voor invloeden kernenergie heeft op het milieu. We zijn met meer zin en ook eerder begonnen aan dit literatuur onderzoek dan vorig jaar dus we zijn ook van plan een hoger cijfer te halen (vorig jaar hadden we een 1,8). Onderzoeksvraag Hoe wordt kernenergie opgewekt en wat is de invloed op het milieu? Belang van het onderzoek: Het onderzoek is in deze tijd wel van belang aangezien de fossiele brandstof voorraden binnen enkele tientallen jaren op zullen raken. We zullen dan andere energiebronnen nodig hebben. Men experimenteert nu al met brandstofcellen en men gaat ook steeds meer aan wind- zon- en biogasenergie doen. Maar zoals het er nu uitziet is dit nooit genoeg om alle energie die men nodig heeft te leveren. Daarom is er een discussie opgelaaid, of men nu wel of niet op grote schaal kernenergie moet produceren. Vandaar dat het onderzoek wel van belang is. Samenvatting conclusies Kernenergie mag! Planning We hebben op internet veel informatie gevonden over kernenergie, van voor- en tegenstanders. We selecteren de beste informatie, en die gebruiken we voorons verslag Uitvoering Hoe wordt kernenergie opgewekt? Allereerst zijn er twee soorten kernenergie. Kernsplijting en kernfusie. In kernreactoren wordt vooral gebruikt gemaakt van kernsplijting. Om een kernsplijting te begrijpen moeten we even door wat natuurkunde. Pagina 1 van 6

2 Elementen In de natuur komen 92 elementen voor. Vele daarvan kennen we wel: waterstof, zuurstof, ijzer, nikkel, goud, uranium, enzovoorts. Alle elementen zijn opgebouwd uit atomen. Er zijn dus zeker 92 verschillende atomen. Elk atoom heeft een relatief zware kern, waaromheen lichtere deeltjes cirkelen. Dit zijn de elektronen, die negatief geladen zijn. Wanneer we naar de kern kijken, zien we dat deze bestaat uit twee soorten kerndeeltjes: protonen en neutronen. De protonen zijn positief geladen, de neutronen zijn neutraal. Protonen en neutronen zijn ongeveer even zwaar. Periodiek systeem Alle elementen zijn ondergebracht in een zogenoemd periodiek systeem een soort bevolkingsregister van de elementen. Alle elementen hebben hierin een eigen uniek nummer, het atoomnummer. Het atoomnummer is gelijk aan het aantal protonen in de kern. Het element met de lichtste atomen is waterstof, dat als kern 1 proton heeft, met daarom heen cirkelend 1 elektron. Het heeft het atoomnummer 1. In het periodiek systeem wordt waterstof met de letter H aangeduid. Eén van de zwaarste elementen is uranium, het heeft atoomnummer 92. Uranium is zelfs zwaarder dan lood. In het periodiek systeem wordt uranium met de hoofdletter U aangeduid. Twee soorten uranium Uranium wordt in kernreactoren gebruikt als brandstof. Het woord brandstof is eigenlijk niet geheel correct, want er wordt niet echt iets verbrand zoals dat bij gasgestookte centrales wel gebeurt. Uranium, zoals dat in de natuur wordt aangetroffen, is een mengsel van twee soorten uranium. Deze verschillen van elkaar qua gewicht. Ze hebben wel hetzelfde aantal protonen in de kern en dus hetzelfde atoomnummer (92), maar ze verschillen in het aantal neutronen. De ene soort heeft 143 neutronen, de andere heeft er 146. Wanneer we het aantal protonen bij het aantal neutronen optellen krijgen we de massa van de kern, de atoommassa genoemd. Bij de ene soort is die dus: = 235. Bij de zwaardere soort is die atoommassa = 238. Om de soorten uranium te kunnen onderscheiden spreken we van U-235 en U-238. Kernsplijtingsproces en kettingreactie Voor het kernsplijtingsproces is vooral U-235 van belang. Dit is splijtbaar, in tegenstelling tot U-238. Voor het proces moeten we de kern van U-235 voorstellen als een bolletje opgebouwd uit protonen en neutronen (zie hiernaast). Wanneer we van buiten een neutron in de kern schieten, valt de kern in twee brokstukken uiteen: kernen van nieuwe atomen. Dit zijn de zogenoemde splijtingsproducten. Bovendien komen er 2 tot 3 nieuwe neutronen vrij, die ook weer kernsplijtingsprocessen kunnen starten. Van de gemiddeld 2,5 neutronen die bij splijting vrijkomen, wordt gemiddeld 1,5 neutron geabsorbeerd door niet-splijtbare materialen die zich in de buurt van de kernreacties bevinden. Er blijft gelukkig minimaal 1 neutron over om weer een ander U-235 kern te splijten. Ook daarbij blijft weer een neutron over, zodat gesproken kan worden over een kettingreactie. In de figuur hiernaast zien we de opeenvolgende gebeurtenissen van links naar rechts. Eerst zien we de kern waar een neutron op af vliegt. Daarna zien we het resultaat van de botsing: twee uit elkaar bewegende (positief geladen) brokken. Tenslotte zien we splijtingsproducten, neutronen en energie Pagina 2 van 6

3 ontstaan. Energie uit de atoomkernen Wanneer we de brokstukken en de neutronen zouden wegen, zouden we merken dat ze te samen lichter zijn dan de uraniumkern waarmee we begonnen zijn. Er is dus massa verdwenen! Sinds de beroemde natuurkundige Einstein weten we dat materie (massa) geheel omgezet kan worden in energie. Dat is precies wat hier gebeurt: kernenergie ontstaat uit het omzetten van kernmassa in energie. Kernfusie verloopt als volgt: Bij kernfusie worden een of meer nieuwe atoomkernen gevormd met iets minder massa dan de gezamenlijke massa van de oorspronkelijke kernen. Daarbij komt bindingsenergie vrij. Als voorbeeld enkele van de reacties die een hoofdrol spelen in de fusieprocessen in onze zon: 1H + 1H --> 2H + positron + neutrino 1H + 2H --> 3He + foton 3He + 3He --> 4He + 1H + 1H Het onderzoek op het gebied van de plasmafysica voor fusiereactoren richt zich voornamelijk op de volgende reacties: 2H + 2H --> 3He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 2H + 2H --> 3H (1,01 MeV) + 1H (3,02 MeV) 2H + 3H --> 4He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) Het doel van het fusieonderzoek is om een beheerst verloop van de fusiereacties mogelijk te maken, en op zo'n manier dat de vrijkomende energie (in de vorm van warmte) nuttig is te gebruiken. Bij de conversie van 1 kg deuterium (2H-2H-reactie) komt een energie van ongeveer 24 miljoen kwh vrij. Dat is vergelijkbaar met de verbrandingswarmte van 3 miljoen ton steenkool. In een fusiereactor moet het plasma tot een temperatuur van meer dan 100 miljoen graden worden verhit. Kernfusie staat dus nog in de kinderschoenen. Men is nog bezig met de onderzoeken. Bij kernfusiereactoren ontstaat evenals bij splijting radioactief afval, tengevolge van de activering van constructiematerialen en het gebruik van tritium. Het grote verschil met splijting ligt naar verwachting in de grotere veiligheid van het proces, de geringere hoeveelheid afval en bovendien de kleinere radioactiviteit daarvan. Hoe werkt een kerncentrale precies? 1. reactorvat 2. uranium 3. stoomgeneratoren 4. turbine 5. generator 6. condensor 7. koelwater uit een rivier of andere bron Veilig afgeschermd door staal en beton bevindt zich in het hart van een kerncentrale de "kern" (1). Hierin Pagina 3 van 6

4 wordt warmte geproduceerd. Die ontstaat door het splijten van Uranium, de splijtstof. De warmte wordt opgenomen door water onder hoge druk en circuleert door de drukwaterreactor (2). Met de warmte wordt stoom gemaakt in een tweede, afgescheiden systeem, de stoomgenerator (3). De stoom drijft een schoepenrad (turbine, 4) aan, daaraan zit een as die een dynamo (generator, 5) aandrijft. De stroom die de generator opwekt wordt aan het elektriciteitsnet geleverd. De stoom wordt in een condensor (6) gekoeld tot water. Dat koelen gebeurt door koud oppervlaktewater uit een rivier of zee (7) langs het stoomsysteem te voeren. Dat is kortweg het productieproces in een kerncentrale. Wat is de invloed van kernenergie op het milieu Er zijn verschillende invloeden. Dit geven wij weer in de voor- en nadelen. Géén CO2 de lucht in 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. Weinig en goed beheersbaar afval Een kerncentrale produceert radioactief afval. 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. Zuinig met grondstoffen Voor kernenergie is weinig grondstof nodig. Voorbeeld: Om 1 kilowattuur stroom te maken, is ongeveer 1 kilo hout nodig. Kolen bevatten veel meer energie: 1 kilo kolen levert 3 kilowattuur stroom. Met 1 kilo uranium wordt kilowattuur gemaakt. Uranium is een delfstof die ruim voorhanden is en een grote geografische spreiding heeft. Er is niet één regio die het monopolie heeft, er is veel marktwerking en grote zekerheid van beschikbaarheid. (Je bent niet afhankelijk van instabiele regio s) Kernenergie is een goedkope vorm van energieproductie De grondstof, uranium, wordt bij het productieproces zo zuinig mogelijk ingezet. Een bijkomend voordeel is dat uranium een goedkope brandstof is. 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. Alleen voor windenergie zijn de "verborgen kosten" lager dan voor kernenergie. De nadelen van kernenergie Pagina 4 van 6

5 Zeer kleine kans op nucleair ongeluk Voor de kerncentrale is nagedacht over twee soorten onheil: - van buiten de centrale naar binnen toe (crash van een vliegtuig, overstromingen, explosies en aardbevingen) - van binnen de centrale naar buiten toe, een nucleair ongeluk. De kans dat er met de moderne en uitermate goed beveiligde kerncentrale een ongeluk gebeurt en een onveilige situatie ontstaat, is uitermate klein. Echter de veiligheid kan nooit voor 100% gegarandeerd worden, maar dat is in het algemeen het geval en hoort bij ons leven. We kennen ook geen 100% beveiliging tegen overstromingen, neerstortende vliegtuigen of chemische ongelukken. Ongelukken uit het verleden versterken angstgevoelens In heel de wereld is er ongeveer reactorjaren ervaring met kernenergie. En tijdens die jaren is er 1 groot ongeval geweest met slachtoffers: De ramp in Tsjernobyl (26 april 1986). Het ongeval met de Sovjet-kerncentrale had rampzalige gevolgen. Tot nog toe is bij 1800 kinderen die in de directe omgeving leefden, schildklierkanker gevonden. Wetenschappers denken, dat dit aantal zieken in de loop der tijd maximaal twee keer zo groot zal worden. Het vergelijken van Tsjernobyl met een Westerse kerncentrale, is het vergelijken van een slecht onderhouden Trabant met een roekeloze chauffeur met een goed onderhouden Westerse auto uit het top-segment voorzien van alle automatische veiligheidsopties. Het ernstigste ongeluk dat in het westen ooit plaatsvond, was dat in het Amerikaanse Harrisburg in De kern van reactor nr. 2 smolt nadat het koelwater was weggelopen, waardoor het gebouw ernstig radioactief besmet raakte. Er ontstond paniek omdat zoiets nog niet eerder was gebeurd. Maar buiten de centrale bleef iedereen ongedeerd. Alles is intussen netjes opgeruimd en de overgebleven andere reactor van Harrisburg is inmiddels weer in bedrijf. Kerncentrales produceren radioactief afval Elke industriële activiteit brengt afval met zich mee, ook een kerncentrale. Echter, een kerncentrale heeft te maken met radioactief afval. En dat vraagt een extra zorgvuldige aanpak. Bij radioactief afval gaat het om stoffen die na gebruik nog straling uitzenden. Een te grote hoeveelheid straling is schadelijk voor mens en milieu. Een kerntaak van de medewerkers van de kerncentrale is het vermijden van contact met radioactieve stoffen. Er zijn verschillende categorieën radioactief afval, waarvan hoog radioactief afval het langst blijft stralen. 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. Het afval is dus beheersbaar. Radioactief afval blijft lang gevaarlijk 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. We kunnen weinig anders dan deze stoffen opslaan. Op zich is dat niet gevaarlijk. Met de huidige stand van de technologie zijn wij in staat om deze stoffen voor Pagina 5 van 6

6 duizenden jaren veilig op te bergen Conclusies Onze conclusie over kernenergie is dat we het wel mogen toepassen. Als je alle voor- en nadelen naast elkaar legt dan blijkt dat de voordelen veel groter zijn, zeker als je het vergelijkt met fossiele brandstoffen. Zeker, we moeten in de toekomst ook veel investeren in duurzame energiebronnen zodat we later ook zonder kernenergie kunnen. Maar dat zal nog lang duren dus we vinden dat we tot die tijd zeker gebruik mogen maken van kernenergie. Evaluatie Het ging erg goed. We vonden veel en goed bruikbare informatie die we goed hebben gebruikt. Verder hebben we veel geleerd over kernenergie en we hebben een mening kunnen vormen op goed gegronde argumenten. Tijdsplanning De planning was goed want we hielden zelfs tijd over!! Bronnen Pagina 6 van 6