Kernenergie

Inleiding Als er reacties zijn met of tussen atoomkernen komt daar vaak energie bij vrij. Deze energie wordt kernenergie genoemd. Bij kerncentrales wordt deze manier van energiewinning gebruikt. De energie die dan vrijkomt is zo te regelen dat er precies op ingespeeld kan worden. In een kernbom of kernraket komt de energie tot uiting in de vorm van een explosie. Net als bijvoorbeeld de ruimtevaart is kernenergie een erg geavanceerde technologie. Mensen komen steeds meer te weten over kernenergie. De kracht van kernenergie werd pas duidelijk toen Amerika aan het eind van de tweede wereldoorlog atoombommen gooide op Hiroshima en Nagasaki. De moderne toepassingen van kernenergie zijn vaak afgeleid van de wapenindustrie. De meningen over kernenergie zijn erg verdeeld. Veel mensen zijn tegen kernenergie omdat de risico’s volgens hen te hoog zijn. Het radioactieve afval is te gevaarlijk voor de volksgezondheid. Alle bovengenoemde dingen zijn bewijzen voor het feit dat kernenergie een interessant en levend onderwerp is. Daarom hebben wij besloten ons werkstuk voor ANW over kernenergie te houden.

De ontdekking van de kernenergie Van veel vindingen kan men zeggen dat ze ontdekt zijn door een persoon wiens vindingen later zijn aangescherpt en bijgewerkt tot de theorie of de vondst die wij nu kennen. De anti-conceptie-pil of de relativiteitstheorie hebben bijvoorbeeld hele duidelijke ontdekkers. Kernenergie is echter een heel ander verhaal. Kernenergie is ook een begrip en het gebruik van kernenergie is het eindresultaat van vele theorieën en experimenten uitgevoerd door vele wetenschappers over een erg lange periode. Men zou kunnen zeggen dat de Griek Loukippos in de 5e eeuw voor Christus met zijn atoommodel de eerste duit in het zakje heeft gedaan. Maar als je zo gaat beginnen wordt dit wel een heel lang hoofdstuk. De ontdekking van radioactiviteit in 1896 door Henri Becquerel was uiteraard een grote stap op de weg naar kernenergie. Ook de familie Curie heeft belangrijke stappen gezet naar het begrijpen van radioactiviteit.In 1932 kwam James Chadwick tot de formulering van het bestaan van het neutron in de atoomkern. Hij was ook hoofd van het Britse atoombomproject. De atoombom en de tweedewereldoorlog zijn erg belangrijk geweest voor de ontwikkeling van de kernenergie. Ook belangrijk is het atoommodel van Bohr, dit model is vaak verfijnd maar vormt de basis voor de internationale interpretatie van het begrip atoom. Ook Bohr maakte deel uit van de Los Alamos staf evenals:

Hans Albrecht Bethe
Leider theoretische afdeling. Verklaarde de energieopwekking in de zon en sterren.

Niels Henrik David Bohr
Bekend door zijn atoommodel.

Albert Einstein
E=mc2 Schreef een brief naar Roosevelt.

Enrico Fermi
Produceerde plutonium door beschieting van neutronen in uranium.

Leslie Groves
Militair leider project

Leo Szilard
Heeft de brief van Einstein veroorzaakt en geholpen bij het bouwen van de eerste kerncentrale

Robbert Oppenheimer
Hoofd van de operatie

Los Alamos

Leo Szilard was een Hongaars kernfysicus die in 1934 uitweek naar de VS zeer verontrust over het gebrek aan Amerikaanse pogingen om tot kernenergie te komen en omdat zeker in de tweede wereldoorlog waar Amerika in verwikkeld leek te gaan raken was het wel of niet hebben van een atoombom toch zeer doorslaggevend. Leo Szilard besloot om prominente wetenschappers te trachten overhalen opdat zij zouden verzoeken om actie. Leo Szilard begon bij Enrico Fermi, maar het lukte hem niet deze te overtuigen. Vervolgens wendde hij zich tot Albert Einstein, hij legde uit dat Uranium waarschijnlijk gesplitst kon gaan worden in Duitsland wat de weg vrij zou maken voor de atoombom. Hij vroeg Einstein om aan de Belgische Koningin te schrijven of ze haar uiterste best wou doen om de grote hoeveelheid uranium erts in de Congo (kolonie) buiten Nazi-handen te houden. Einstein vond het een goed idee, maar schreef zelf liever een brief aan de ambassadeur. Hij dicteerde een brief in het Duits. Szilard had een gesprek met de econoom Alexander Sachs. Sachs was een adviseur van de President. Sachs zei dat Einstein de brief direct aan de President moest sturen en dat hij hem dan persoonlijk zou bezorgen. Als de president zou willen luisteren werd de uranium erts in België een wat minder groot probleem. Szilard maakte een kladversie en stuurde deze aan Einstein. Einstein wou de brief wel herschrijven, dus nodigde hij Szilard uit om langs te komen. Einstein was tegen het maken van wapens, maar vond het onacceptabel dat Nazi-Duitsland het enige land zou zijn met atoombommen. Einstein wou een kortere begrijpelijkere brief. Hij dicteerde een brief in het Duits aan Szilard. Die vertaalde deze brief in het Engels en maakte een korte en een lange versie. Uiteindelijk stuurde hij de lange versie op. Deze brief heeft veel betekend voor de ontwikkeling van kernenergie. Want Roosevelt stelde onmiddellijk een uranium comité op. Dit had weliswaar niet zo veel budget, maar toen Amerika in de oorlog betrokken werd het omgevormd tot het Manhattan Project in Los Alamos en dat heeft geleid tot de de atoombom en daarmee tot de sleutel tot kernenergie. Hieronder volgt de brief. [plaatje0][plaatje1] Uiteindelijk voltooide Enrico Fermi in een squashzaal in Chicago de eerste kernreactor. In het begin van de jaren zestig werden de eerste commerciële kerncentrales gebouwd. Zo werkt kernenergie Kernsplitsing
Er zijn in principe twee soorten kernreacties die gebruikt kunnen worden voorkernenergie: kernsplijting en kernfusie. Elk atoom heeft een bepaalde hoeveelheid energie. Deze hoeveelheid energie is voor elk atoom anders. Als je bijvoorbeeld een Uranium-235 atoom neemt en je vergelijkt die met twee lichtere brokstukken van U-235, dan blijkt in dit geval dat de energie van U-235 groter is als van de twee brokstukken samen. Als U-235 dus vervalt in deze twee brokstukken komt er energie vrij. Dit is kernsplijting of kernsplitsing. Hoewel het dus energie kost om Uranium helemaal tot elementaire deeltjes te ontleden, kan het toch zo zijn dat je met deze losse deeltjes twee andere atomen kan maken waarvan de totale energie kleiner is dan die van het oorspronkelijk Uranium atoom. Netto is er dan toch nog energie vrijgekomen. Er bestaan twee (belangrijke) soorten Uranium: U-235 en U-238. Bij kernsplijting wordt U-235 gespleten. U-238 (vrijwel) niet. Dat is jammer, want in de natuur (en dus in de mijnen waar Uranium gewonnen wordt) komt vrijwel alleen U-238 voor. Het spul in de kerncentrale wordt eerst verrijkt: Het wordt in een grote centrifuge gestopt waardoor het zware U-238 naar buiten geslingerd wordt, zodat het erts in het midden gemiddeld wat meer U-235 bevat. (Het erts bevat ongeveer 1% U-235, en het verrijkte erts ongeveer 3%). De reactie van U-235 is vrij complex. In principe vangt het U-235 deeltje een neutron in, en splijt dan in stukken, waarbij weer andere neutronen vrij kunnen komen. Er zijn verschillende reacties mogelijk, maar gemiddeld komen er weer 2,5 neutronen vrij. Deze neutronen worden weer ingevangen door een andere U-235 kern, die dan weer splijt, enzovoort. Het is dus een kettingreactie. Het grote probleem bij kernsplijting is om deze kettingreactie netjes te laten verlopen. Van de gemiddeld 2,5 neutronen die per reactie vrijkomen wil je dat er een bepaald deel gebruikt wordt voor een volgende reactie. Worden er minder gebruikt, dan dooft de reactie langzaam uit, gebruik je er meer, dan krijg je een ramp zoals in Tsjernobyl. Een deel van de neutronen raak je kwijt doordat ze de wand van de kernreactor invliegen. Een ander deel wordt door U-238 kernen geabsorbeerd. Dat is dus ook de reden dat je Uranium eerst moet opwekken: doe je dat niet dan zit er zo weinig U-235 in dat alle neutronen door U-238 worden geabsorbeerd voordat ze een U-235 kern treffen en daar een reactie op gang brengen. Om de snelheid van de reacties zo goed mogelijk te controleren, en te zorgen dat in geval van nood snel de reactie stopgezet kan worden, zit in elke kernreactor een remstof (meestal water of koolstof). Hoe meer er daarvan in zit, hoe meer neutronen er afgevangen worden, en hoe minder reacties er op volgen. Heb je teveel remstof, dan stopt de reactie, heb je te weinig dan loopt het uit de hand. Op deze manier werkt een kernbom ook: je hebt twee halve bollen met voornamelijk Plutonium (Plutonium heeft net als Uranium een vervalsproces met invangen van neutronen die later weer vrijkomen). Omdat de halve bollen net klein genoeg zijn vliegen de meeste vrijkomende neutronen naar buiten: de kettingreactie stopt. Zou de bol nu twee keer zo groot zijn, dan heb je (2x2x2=) acht keer zoveel reacties en acht keer zoveel neutronen. Het oppervlak is echter slechts (2x2=) vier keer zo groot geworden, er vliegen \'slechts\' vier keer zoveel neutronen weg. Netto hou je dus meer neutronen over voor de kettingreactie. Bij een kritiek punt houdt het elkaar net in evenwicht. Zo\'n halve bol is net iets kleiner dan die kritieke massa. Alleen, als je nu twee halve bollen bij elkaar brengt krijg je dus een kettingreactie die doorgaat en dan krijg je het effect van een atoombom.

Kernfusie
Naast kernsplitsing kun je ook energie winnen door kernfusie. Kernfusie is het versmelten van twee atoomkernen. Hierbij komt energie vrij. (Hiervan heeft Einstein zijn beroemde formule E=mc2.) Dit kan eigenlijk alleen winstgevend zijn als de twee atoomkernen relatief licht zijn. Omdat de atoomkernen elkaar vaak afstoten in plaats van te gaan fuseren komt kernfusie niet zo vaak voor. Er zijn twee soorten van kernfusie. De eerste soort is inertiële fusie. Met een laser wordt dan een brandstofkogeltje heel even (een paar miljardste van een seconde) verhit waardoor de buitenste laag brandstofkogel verdampt en drukt de binnenste laag fijn door de plotselinge gasvorming en dus volumetoename. De druk in het kogeltje loopt zo ontzettend hoog op. De temperatuur wordt daardoor enkele tientallen miljoenen graden Kelvin. Deze hoge temperatuur zorgt ervoor dat de dichtstbijzijnde atomen beginnen te fuseren. Daarbij komt ook weer een ontzettend hoge temperatuur vrij waardoor andere atomen gaan fuseren en zo is er dus een kettingreactie op gang gebracht. Een andere manier van kernfusie is magnetische kernfusie. Deze methode is veel succesvoller gebleken dan inertiële kernfusie. Doordat de brandstof bij kernenergie zo ongelofelijk heet is raakt de brandstof geïoniseerd. Dat houdt in dat de brandstof omgevormd is tot een plasma. In een plasma zijn geen afzonderlijke atomen meer. Het is een mengsel van atoomkernen en neutronen die onafhankelijk van elkaar rondzwerven. Door de Lorentzkrachten klitten de geladen deeltjes samen aan de magneetveldlijnen. Door de magneetveldlijn ringvormig te maken kan worden voorkomen dat de machinewand te veel in contact komt met het plasma. Dit is niet wenselijk omdat het plasma veel te heet is. Kernfusie wordt eigenlijk niet toegepast omdat er geen echt effectieve manier is om de atomen zo heet te krijgen zonder dat de machine te heet wordt. Wel waren de eerst kerncentrales kernfusiecentrales en ook de waterstof bom is gebaseerd op kernfusie. De kettingreactie werd dan wel opgewekt met een kernsplitsingbom.

Toepassingen van kernenergie

Kernenergie komt veel voor. Mensen denken bij kernenergie vaak alleen aan kerncentrales en kernbommen, maar in de natuur is kernenergie een veelvoorkomend verschijnsel, er zit bijvoorbeeld kernenergie in het zonlicht. In dit hoofdstuk wordt bekeken waar kernenergie voorkomt en hoe het wordt gebruikt.

Kerncentrales en Kernbommen
Zoals wij bij “Zo werkt kernenergie” al hebben verteld wordt er veel gebruik gemaakt van kernenergie in kernbommen en kerncentrales. In feite is een kernbom een kerncentrale in het klein. In een kernbom wordt op dezelfde manier kernenergie opgewekt als in een kerncentrale. Hoe dat precies werkt kun je lezen in “Zo werkt kernenergie”.

Geneeskunde

Ook in de geneeskunde wordt kernenergie toegepast. Sommige ziekten kunnen worden genezen door de mensen te bestralen met nucleaire middelen
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. Ook onder druk van de wereldwijde protesten tegen kernenergie, ook al is deze niet direct tegen de geneeskunde gericht, zijn er verenigingen en samenwerkingsverbanden opgericht om controle te kunnen houden op wat er gebeurd aangaande de nucleaire behandelingen. Onderzoek wordt nog maar bij enkele instellingen gedaan waarbij men is aangesloten zodat geen enkele kliniek meer haar eigen onderzoeksruimte met gevaarlijke middelen nodig heeft.

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. [plaatje2] Visies op Kernenergie De visies op kernenergie zijn uiteraard verdeeld. Ze zijn grofweg te verdelen in 2 groepen. Een groep die vindt kernenergie een goede manier om energie op te wekken, maar wil erg hoge veiligheidseisen. Mensen die politiek meer naar rechts neigen zijn het hier vaak mee eens. Er zijn ook mensen die vinden dat kernenergie erg gevaarlijk is en kerncentrales schade aan de volksgezondheid opleveren. Hier komt de wet van Murphey naar voren. De wet van Murphey houdt in dat alles wat fout kan gaan een keer fout zal gaan. Dus al is er maar een uiterst minieme kans op een kernramp, als het kan dan gebeurt het ook. Hieronder wilden wij wel de standaard welles nietes discussie over kernenergie weergeven en niet enkele experts aan het woord laten. Volgens sommige mensen is kernenergie gewoon niet te tolereren. Deze mensen zien vooral de negatieve gevolgen van mislukte acties met kernenergie en ongelukken in kerncentrales. Deze mensen hebben niet ongelijk als je hun visies bekijkt, want er is zeker een kans dat er wat gebeurt, zoals de wet van Murphey beschrijft. Men vindt de gevolgen van een eventuele ramp zwaarder wegen dan de energiewinst die geboekt wordt. De minister heeft gezegd dat als Nederland bijvoorbeeld Borselle sluit, de milieu normen van de wereldmilieutop in Japan niet gehaald worden. Als er maar niks mis gaat is een kerncentrale namelijk een hele goedkope en milieuvriendelijke manier om energie op te wekken. Terecht wijzen wetenschappers erop dat de aanwezigheid van kerncentrales niet de mogelijkheid tot de ontwikkeling atoombommen vergroot. Het vergroot echter wel de angst van mensen voor kernenergie. Mensen wonen ook liever niet in de buurt van een kerncentrale. Henk vindt dat kernenergie een goede manier van energie opwekken is. Alleen moet er nog wel gewerkt worden aan een hogere veiligheid. Als er wat fout mocht gaan, moet niet gelijk het hele land dood gaan. Daarom lijkt het Henk handig dat er veel onderzoek gedaan wordt naar kernfusie. Daar komen namelijk minder schadelijke stoffen bij vrij. Henk is van mening dat de behoefte van de mens om energie te verkrijgen voor hun kapitalistische luxe leven nooit een risico mag vormen voor de natuur, het milieu of mensen die onschuldig zijn aan het verpesten van onze maatschappij. Kernenergie opwekken zal altijd een bepaald risico met zich meedragen, ook al worden de veiligheidsvoorzieningen verbeterd. Als de mensheid niet meer zonder de energie van kerncentrales kan, dan wordt het tijd dat men beseft dat er meer in het leven is dan de machines, apparaten en andere onzinnige voorzieningen die energie vreten, maar die niet nodig zijn om te leven. Henk is van mening dat kernenergie nu al onmisbaar is geworden in onze maatschappij, als we op de zonne-energie niet enorme stappen voorwaarts maakt dan is het enige wat we kunnen doen zoveel mogelijk veiligheidsmaatregelen nemen en kerncentrales voor lief nemen. Henk denkt dat zonne-engergie pas een uitontwikkelt gaat worden als daar accute noodzaak voor is. Als het “zo ook wel kan”, dan gaat het niet gebeuren. Kernenergie is ook pas tot stand gekomen omdat Amerika voor het einde van de wereld vreesde door Hitler met een atoombom. Zolang zonne-energie in handen van milieu fans blijft, zal kernenergie de enige serieuze energiebron blijven en dat moeten we maar leren accepteren.

Bronnenlijst

Gebruikte boeken

C.D. Andriesse en anderen
Kernenergie in beweging – Handboek bij vraagstukken over kernenergie
Keesing boeken Amsterdam 1982
Hoofdstuk 1 (blz. 11 t/m 18)

F.R. Bogstra
Kernenergie, Hoe zit dat? Loeb uitgevers Amsterdam 1981
Hoofdstuk 2 (blz. 24 t/m 35) en 4 (blz. 49 t/m 37)

A.J. van Loon
Kernenergie: voor of tegen? Het Spectrum Utrecht 1981
Hoofdstuk 10 (blz. 136 t/m 138)

Gebruikte Internetpagina’s

http://www.dannen.com
http://www.antenna.nl

Gebruikte CD-ROMs

Natuur en Techniek – Het Digitale Argief
Uitgeverij Segment BV 1998 “Kernenergie” “Kernfusie”

Encarta 98 Encyclopedie Winkler Prins Editie
Winkler Prins 1998 “Kernenergie”

Procesbeschrijving DATUM ACTIVITEIT GEDAAN DOOR: TIJD
14-01-1999 Naar de bibliotheek Henk en Henk 45 min
14-01-1999 Zoeken op Internet en op Encarta Henk 45 min
21-01-1999 Naar de bibliotheek Henk, Henk en Henk 45 min
17-02-1999 Verkregen informatie geordend Henk, Henk en Henk 60 min
18-02-1999 Indeling gemaakt Henk, Henk en Henk 45 min
10-03-1999 Schrijfplan gemaakt Henk, Henk en Henk 45 min
17-03-1999 Taakverdeling gemaakt Henk, Henk en Henk 45 min
24-03-1999 Begonnen met schrijven Henk, Henk en Henk 45 min
26-03-1999 Verder geschreven Henk, Henk en Henk 90 min
01-04-1999 Verder geschreven Henk, Henk en Henk 45 min
08-04-1999 Verder geschreven Henk, Henk en Henk 45 min
09-04-1999 Procesbeschrijving uitgewerkt Henk, Henk en Henk 30 min
15-04-1999 Verder geschreven Henk, Henk en Henk 45 min
16-04-1999 Computer defect; back-ups gezocht Henk, Henk en Henk 90 min
19-04-1999 Verder geschreven Henk, Henk en Henk 120 min
20-04-1999 Procesbeschrijving bijgewerkt Henk en Henk 20 min
20-04-1999 Verder geschreven Henk 20 min
22-04-1999 Werkstuk opgemaakt en uitgewerkt Henk, Henk en Henk 45 min