Kernenergie is een van de krachtigste energiebronnen ter wereld. Over het algemeen wordt het in grote kerncentrales gebruikt om op grote schaal elektriciteit op te wekken. Weinigen kennen echter de processen die het mogelijk maken dat de atoomkernen worden omgezet in praktische energie voor het dagelijks leven. In het algemeen wordt deze energie opgewekt uit twee verschillende processen: Nucleaire splitsing y kernfusie.
In dit artikel gaan we dieper in op het proces van Nucleaire splitsing, waarin wordt uitgelegd hoe dit soort energie wordt opgewekt, wat het mechanisme ervan is en hoe het verschilt van kernfusie, naast andere belangrijke onderwerpen.
Wat is kernsplijting?
Kernsplijting is een soort kernreactie waarbij de kern van een zwaar atoom zich splitst in lichtere kernen, waarbij daarbij een grote hoeveelheid energie vrijkomt. Deze energie wordt vervolgens, in het geval van kerncentrales, voornamelijk omgezet in elektriciteit.
Bij dit proces botst een neutron met de kern van een onstabiel atoom, zoals uranium-235 of plutonium-239. Door het genoemde neutron te vangen, wordt de kern wordt nog onstabieler en splitsingen, waarbij extra neutronen en energie vrijkomen in de vorm van warmte en straling.
Deze extra neutronen kunnen op hun beurt meer splijtingsreacties veroorzaken door in botsing te komen met andere onstabiele kernen, waardoor een kettingreactie die, als ze niet goed worden gecontroleerd, op een destructieve manier kunnen leiden tot een enorme hoeveelheid energie. Dit is het basisprincipe dat de werking van een kernreactor mogelijk maakt.
Een enkele gespleten kern Het kan miljoenen keren meer energie genereren dan een typische chemische reactie, zoals het verbranden van steenkool of gas. Deze indrukwekkende energieprestaties zijn de reden dat kernenergie zo’n aantrekkelijke optie is voor de elektriciteitsproductie.
Kettingreactie
Wanneer kernsplijting plaatsvindt, komen er verschillende neutronen vrij (meestal tussen twee en drie). Deze neutronen kunnen blijven interageren met andere nabijgelegen splijtbare kernen, waardoor meer splijtingen ontstaan en daardoor nog meer neutronen en energie vrijkomen. Dit wordt genoemd kettingreactie.
Om een kettingreactie duurzaam te laten zijn, is het noodzakelijk dat ten minste één van de neutronen die vrijkomen bij de initiële splijting een nieuwe splijting veroorzaakt. Als aan deze voorwaarde wordt voldaan, kan de reactie gecontroleerd worden voortgezet. Dit is het werkingsprincipe van kernreactoren.
Een van de grote uitdagingen van kerncentrales is het kunnen beheersen van dit proces. Te veel splijtingen achter elkaar kunnen een plotselinge vrijgave van energie veroorzaken, terwijl te weinig splijtingen het onmogelijk maken om voldoende energie op te wekken. Kernreactoren zijn ontworpen om dit evenwicht te behouden door gebruik te maken van moderators en controlebalken Ze absorberen neutronen wanneer dat nodig is.
Verschillen tussen kernsplijting en fusie
Bij zowel splijting als fusie komt energie vrij die zich in de kern van een atoom bevindt, maar het mechanisme achter beide is heel verschillend.
In de Nucleaire splitsingeen zware kern deelt zich in kleinere kernen, zoals eerder vermeld, terwijl in de kernfusie, het proces is omgekeerd: lichte kernen, meestal waterstof, smelten ze samen tot een zwaarder exemplaar, waarbij een enorme hoeveelheid energie vrijkomt.
Voorbeeld van splijting:
Wanneer een neutron een atoom raakt van uranium-235, het atoom splitst zich in twee lichtere kernen, barium-144 en krypton-89, waarbij drie nieuwe neutronen en een grote hoeveelheid energie vrijkomen. Het is een zeer gecontroleerd proces in kerncentrales.
Fusie voorbeeld:
In de zon smelten waterstofkernen voortdurend samen tot heliumkernen, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen in de vorm van licht en warmte. De omstandigheden die nodig zijn voor een fusiereactie op aarde zijn echter uiterst moeilijk te verwezenlijken vanwege de noodzaak van temperaturen van miljoenen graden en hoge druk. Ondanks decennia van onderzoek, gecontroleerde kernfusie is nog niet op een commercieel haalbare manier gerealiseerd.
Kritieke massa
La kritieke massa Het is de minimale hoeveelheid splijtbaar materiaal die nodig is om een aanhoudende kettingreactie mogelijk te maken. Als de gebruikte massa kleiner is dan de kritische massa, zullen de neutronen die bij elke splijting vrijkomen verloren gaan voordat nieuwe splijtingen ontstaan en stopt de reactie.
De kritische massa is afhankelijk van verschillende factoren, zoals zuiverheid van materiaal, de geometrie ervan en of het omgeven is door neutronenreflecterende materialen, die verliezen verminderen.
Een voorbeeld hiervan is dat kernreactoren doorgaans bolvormig of cilindrisch worden ontworpen om het aantal neutronen in het systeem zo lang mogelijk op peil te houden en ervoor te zorgen dat de splijting duurzaam doorgaat.
Spontane kernsplijting
spontane kernsplijting Het is een minder gebruikelijk, maar belangrijk fenomeen waarbij een kern zich deelt zonder tussenkomst van een invallend neutron. Dit gebeurt in zeer onstabiele isotopen zoals plutonium-239.
Hoewel de kans dat dit spontaan optreedt klein is, heeft dit fenomeen gevolgen voor het beheer van nucleaire materialen en de reactorveiligheid.
Dit soort splijting kan leiden tot de emissie van straling en vormt een potentieel gevaar als het niet op de juiste manier wordt beheerd, omdat het ongewenste reacties kan veroorzaken als de juiste omstandigheden worden bereikt.
Dit is waarom veiligheid in kerncentrales is van cruciaal belang om incidenten en rampen zoals die in Tsjernobyl of Fukushima te voorkomen.
Kernsplijting blijft een van de leidende technologieën voor energieproductie in de wereld, vooral vanwege het vermogen ervan om grote hoeveelheden elektriciteit op te wekken met een beperkte ecologische voetafdruk.