Kernsplijting en fusie

Nucleaire fusie en kernsplijting zijn verschillende soorten reacties die energie vrijmaken vanwege de aanwezigheid van krachtige atomaire bindingen tussen deeltjes die in een kern worden aangetroffen. Bij splijting wordt een atoom gesplitst in twee of meer kleinere, lichtere atomen. Fusie vindt daarentegen plaats wanneer twee of meer kleinere atomen samensmelten, waardoor een groter, zwaarder atoom ontstaat.

Vergelijkingstabel

Nucleaire kernsplitsing versus vergelijking van kernfusie-vergelijking

	Kernsplijting	Nucleaire fusie
Definitie	Fission is het splitsen van een groot atoom in twee of meer kleinere.	Fusie is het samenvoegen van twee of meer lichtere atomen in een grotere.
Natuurlijk voorkomen van het proces	Fissiereactie komt normaal niet in de natuur voor.	Fusie vindt plaats in sterren, zoals de zon.
Bijproducten van de reactie	Fission produceert veel hoogradioactieve deeltjes.	Weinig radioactieve deeltjes worden geproduceerd door fusiereactie, maar als een splijtings "trigger" wordt gebruikt, zullen er radioactieve deeltjes uit voortvloeien.
Voorwaarden	De kritische massa van de stof en de hoge-snelheid neutronen zijn vereist.	Een omgeving met hoge dichtheid en hoge temperaturen is vereist.
Energiebehoefte	Het kost weinig energie om twee atomen te splitsen in een splijtingsreactie.	Extreem hoge energie is vereist om twee of meer protonen dicht genoeg bij elkaar te brengen zodat nucleaire krachten hun elektrostatische afstoting overwinnen.
Energie vrijgegeven	De energie die vrijkomt door kernsplijting is een miljoen keer groter dan die vrijkomt bij chemische reacties, maar lager dan de energie die vrijkomt door kernfusie.	De energie die vrijkomt door fusie is drie tot vier keer groter dan de energie die vrijkomt door kernsplijting.
Nucleair wapen	Eén klasse kernwapens is een splijtingsbom, ook bekend als een atoombom of atoombom.	Eén klasse kernwapens is de waterstofbom, die een splijtingsreactie gebruikt om een ​​fusiereactie te 'triggeren'.
Energie productie	Splijting wordt gebruikt in kerncentrales.	Fusie is een experimentele technologie voor het produceren van energie.
Brandstof	Uranium is de primaire brandstof die wordt gebruikt in energiecentrales.	Waterstofisotopen (Deuterium en Tritium) zijn de primaire brandstof die wordt gebruikt in experimentele kernfusiecentrales.

Inhoud: kernsplijting en fusie

• 1. Definities
• 2 Fission vs. Fusion Physics
  • 2.1 Voorwaarden voor kernsplijting en fusie
  • 2.2 Kettingreactie
  • 2.3 Energieratio's
• 3 Kernenergiegebruik
  • 3.1 Betreft
  • 3.2 Kernafval
• 4 Natuurlijk voorkomen
• 5 effecten
• 6 Gebruik van kernwapens
• 7 kosten
• 8 Referenties

Definities

Fusie van deuterium met tritium waardoor helium-4 ontstaat, een neutron vrijkomt en 17,59 MeV aan energie vrijkomt.

Kernfusie is de reactie waarin twee of meer kernen samenkomen en een nieuw element vormen met een hoger atoomnummer (meer protonen in de kern). De energie die vrijkomt in fusie is gerelateerd aan E = mc ² (Einstein's beroemde energie-massa-vergelijking). Op aarde is de meest waarschijnlijke fusiereactie Deuterium-Tritium-reactie. Deuterium en Tritium zijn isotopen van waterstof.

² ₁deuterium + ³ ₁Tritium = ⁴₂Hij + ¹₀n + 17.6 MeV

[Afbeelding: Fission-Reaction.svg | thumb | none | Fission Reaction]]

Kernsplijting is het splitsen van een massieve kern in fotonen in de vorm van gammastralen, vrije neutronen en andere subatomaire deeltjes. In een typische nucleaire reactie waarbij ²³⁵U en een neutron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

gevolgd door

²³⁶₉₂U = ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹ ₃₆Kr + 3n + 177 MeV

Fission vs. Fusion Physics

Atomen worden bij elkaar gehouden door twee van de vier fundamentele krachten van de natuur: de zwakke en sterke nucleaire banden. De totale hoeveelheid energie die in de binding van atomen wordt vastgehouden, wordt bindingsenergie genoemd. Hoe meer bindende energie in de bindingen wordt vastgehouden, hoe stabieler het atoom. Bovendien proberen atomen stabieler te worden door hun bindingsenergie te vergroten.

Het nucleon van een ijzeratoom is het meest stabiele nucleon dat in de natuur wordt gevonden, en het smelt niet en splitst niet. Dit is de reden waarom ijzer bovenaan de bindende energiecurve staat. Voor atoomkernen die lichter zijn dan ijzer en nikkel, kan energie worden gewonnen door combineren ijzer- en nikkelkernen samen door kernfusie. Daarentegen, voor atoomkernen zwaarder dan ijzer of nikkel, kan energie worden vrijgegeven door splitsing de zware kernen door kernsplijting.

Het idee van het splitsen van het atoom ontstond uit het werk van de Nieuw-Zeelandse Britse fysicus Ernest Rutherford, wat ook leidde tot de ontdekking van het proton..

Voorwaarden voor kernsplijting en fusie

Splijting kan alleen voorkomen in grote isotopen die meer neutronen bevatten dan protonen in hun kernen, wat leidt tot een enigszins stabiele omgeving. Hoewel wetenschappers nog niet volledig begrijpen waarom deze instabiliteit zo nuttig is voor splijting, is de algemene theorie dat het grote aantal protonen een sterke afstotende kracht tussen hen creëert en dat te weinig of te veel neutronen "hiaten" creëren die verzwakking van de nucleaire binding, leidend tot verval (straling). Deze grote kernen met meer "openingen" kunnen worden "gesplitst" door de impact van thermische neutronen, zogenaamde "langzame" neutronen.

Voorwaarden moeten goed zijn voor een fissiereactie. Wil de kernsplitsing zelfonderhoudend zijn, dan moet de stof een kritische massa bereiken, de minimale vereiste hoeveelheid massa; tekortkoming van de kritische massa beperkt de reactielengte tot slechts enkele microseconden. Als de kritische massa te snel wordt bereikt, wat betekent dat er te veel neutronen in nanoseconden vrijkomen, wordt de reactie puur explosief en komt er geen krachtige afgifte van energie vrij.

Kernreactoren zijn veelal gecontroleerde splijtingssystemen die magnetische velden gebruiken om strooie-neutronen te bevatten; dit creëert een ruwweg 1: 1 verhouding van neutronenvrijstelling, wat betekent dat er één neutron uit de impact van één neutron komt. Aangezien dit aantal in wiskundige verhoudingen zal variëren, onder wat bekend staat als Gauss-verdeling, moet het magnetische veld worden gehandhaafd om de reactor te laten functioneren en moeten regelstaven worden gebruikt om neutronenactiviteit te vertragen of te versnellen.

Fusie gebeurt wanneer twee lichtere elementen samen worden geforceerd door enorme energie (druk en warmte) totdat ze samensmelten in een andere isotoop en energie vrijgeven. De energie die nodig is om een ​​fusiereactie te starten is zo groot dat er een atoomexplosie nodig is om deze reactie te produceren. Toch, als de fusie eenmaal begint, kan het theoretisch doorgaan met het produceren van energie, zolang het wordt gecontroleerd en de basis-isotopen worden geleverd.

De meest voorkomende vorm van fusie, die optreedt in sterren, wordt "D-T-fusie" genoemd, verwijzend naar twee waterstofisotopen: deuterium en tritium. Deuterium heeft 2 neutronen en tritium heeft 3, meer dan het ene proton van waterstof. Dit maakt het fusieproces eenvoudiger omdat alleen de lading tussen twee protonen moet worden overwonnen, omdat het samensmelten van de neutronen en het proton de natuurlijke afstotende kracht van gelijk geladen deeltjes moet overwinnen (protonen hebben een positieve lading, vergeleken met het gebrek aan lading van neutronen) ) en een temperatuur - voor een ogenblik - van bijna 81 miljoen graden Fahrenheit voor DT-fusie (45 miljoen Kelvin of iets minder in graden Celsius). Ter vergelijking: de kerntemperatuur van de zon is ongeveer 27 miljoen F (15 miljoen C).^[1]

Zodra deze temperatuur is bereikt, moet de resulterende fusie lang genoeg worden ingesloten om plasma te genereren, een van de vier toestanden van materie. Het resultaat van een dergelijke insluiting is een afgifte van energie uit de D-T-reactie, het produceren van helium (een edelgas, inert voor elke reactie) en het opslaan van neutronen dan waterstof voor meer fusiereacties kan "zaaien". Op dit moment zijn er geen veilige manieren om de initiële fusietemperatuur te induceren of de fusiereactie te bevatten om een ​​stabiele plasmastatus te bereiken, maar de inspanningen zijn aan de gang.

Een derde type reactor wordt een kweekreactor genoemd. Het werkt door splitsing te gebruiken om plutonium te maken dat kan zaaien of dienen als brandstof voor andere reactoren. Fokkerreactoren worden veel gebruikt in Frankrijk, maar zijn onbetaalbaar en vereisen aanzienlijke beveiligingsmaatregelen, omdat de output van deze reactoren ook kan worden gebruikt voor het maken van kernwapens.

Kettingreactie

Splijtings- en fusie-kernreacties zijn kettingreacties, wat betekent dat één nucleaire gebeurtenis ten minste één andere kernreactie veroorzaakt, en meestal meer. Het resultaat is een toenemende cyclus van reacties die snel ongecontroleerd kunnen worden. Dit type kernreactie kan bestaan ​​uit meerdere splitsingen van zware isotopen (bijv. ²³⁵ U) of het samenvoegen van lichte isotopen (bijv. ²H en ³H).

Sparingskettingreacties vinden plaats wanneer neutronen onstabiele isotopen bombarderen. Dit type "impact en scatter" -proces is moeilijk te controleren, maar de beginvoorwaarden zijn relatief eenvoudig te bereiken. Een fusie-kettingreactie ontwikkelt zich alleen onder extreme druk- en temperatuuromstandigheden die stabiel blijven door de energie die vrijkomt bij het fusieproces. Zowel de beginvoorwaarden als stabiliserende velden zijn zeer moeilijk uit te voeren met de huidige technologie.

Energieratio's

Fusiereacties geven 3-4 keer meer energie vrij dan splijtingsreacties. Hoewel er geen op aarde gebaseerde fusiesystemen zijn, is de output van de zon typerend voor de productie van fusie-energie in die zin dat het waterstofisotopen constant in helium omzet en spectra van licht en warmte uitzendt. Fission genereert zijn energie door één kernkracht (de sterke) af te breken en enorme hoeveelheden warmte af te geven die worden gebruikt om water te verwarmen (in een reactor) om vervolgens energie (elektriciteit) te genereren. Fusie overwint 2 nucleaire krachten (sterk en zwak) en de vrijkomende energie kan direct worden gebruikt om een ​​generator van stroom te voorzien; dus niet alleen wordt meer energie vrijgegeven, het kan ook worden gebruikt voor meer directe toepassing.

Gebruik van kernenergie

De eerste experimentele kernreactor voor energieproductie startte in 1947 in Chalk River, Ontario. De eerste nucleaire energiefaciliteit in de VS, de Experimentele Fokker Reactor-1, werd kort daarna in 1951 gelanceerd; het kan 4 lampen aansteken. Drie jaar later, in 1954, lanceerde de VS zijn eerste nucleaire onderzeeër, de U.S.S. Nautilus, terwijl de U.S.S.R. 's werelds eerste kernreactor voor grootschalige elektriciteitsopwekking lanceerde, in Obninsk. De Verenigde Staten hebben een jaar later hun productiefaciliteit voor kernenergie ingehuldigd, waardoor Arco, Idaho (nummer 1.000) werd verlicht.

De eerste commerciële faciliteit voor energieproductie met kernreactoren was de Calder Hall Plant, in Windscale (nu Sellafield), Groot-Brittannië. Het was ook de locatie van het eerste nucleair ongeval in 1957, toen een brand uitbrak als gevolg van stralingslekken.

De eerste grootschalige Amerikaanse kerncentrale werd geopend in Shippingport, Pennsylvania, in 1957. Tussen 1956 en 1973 werden in de VS bijna 40 kernreactoren voor kerncentrales gelanceerd, waarvan de grootste unit een was van de kerncentrale van Zion in Illinois, met een capaciteit van 1.155 megawatt. Geen andere bestelde reactoren sinds ze online zijn gekomen, hoewel andere na 1973 werden gelanceerd.

De Fransen lanceerden hun eerste kernreactor, de Phénix, die in staat was 250 megawatt vermogen te produceren, in 1973. De krachtigste energieproducerende reactor in de VS (1315 MW) werd in 1976 geopend in Trojan Power Plant in Oregon. In 1977 had de VS 63 kerncentrales in bedrijf, die 3% van de energiebehoeften van de natie leverden. Nog eens 70 zouden in 1990 online verschijnen.

Unit Two op Three Mile Island leed een gedeeltelijke meltdown, waardoor inerte gassen (xenon en krypton) in de omgeving vrijkwamen. De anti-nucleaire beweging kreeg kracht van de angst die het incident veroorzaakte. De vrees werd nog verder aangewakkerd in 1986, toen eenheid 4 in de Tsjernobyl-fabriek in Oekraïne werd getroffen door een weggelopen nucleaire reactie die de faciliteit explodeerde en radioactief materiaal door het hele gebied en een groot deel van Europa verspreidde. In de jaren negentig hebben Duitsland en vooral Frankrijk hun kerncentrales uitgebreid, met de nadruk op kleinere en dus beter beheersbare reactoren. China lanceerde zijn eerste 2 nucleaire faciliteiten in 2007 en produceerde een totaal van 1.866 MW.

Hoewel kernenergie op de derde plaats staat achter kolen en waterkracht in het geproduceerde wereldwijde wattage, heeft het streven om kerncentrales te sluiten, in combinatie met de stijgende kosten om dergelijke faciliteiten te bouwen en te exploiteren, het gebruik van kernenergie voor elektriciteit teruggedraaid. Frankrijk is koploper in de elektriciteitsopwekking door kernreactoren, maar in Duitsland heeft zonne-energie kernenergie ingehaald als energieproducent.

De VS hebben nog steeds meer dan 60 nucleaire installaties in gebruik, maar stembiljetinitiatieven en reactorleeftijden hebben gesloten fabrieken in Oregon en Washington, terwijl tientallen meer worden getarget door demonstranten en milieubeschermingsgroepen. Op dit moment lijkt alleen China zijn aantal kerncentrales uit te breiden, omdat het zijn zware afhankelijkheid van kolen wil verminderen (de belangrijkste factor in zijn extreem hoge vervuilingsgraad) en een alternatief zoekt voor de import van olie..

Bedenkingen

De angst voor kernenergie komt uit het extreme, zowel als wapen en krachtbron. Splijting uit een reactor creëert afvalmateriaal dat inherent gevaarlijk is (zie meer hieronder) en dat geschikt kan zijn voor vuile bommen. Hoewel verschillende landen, zoals Duitsland en Frankrijk, uitstekende staat van dienst hebben met hun nucleaire faciliteiten, hebben andere minder positieve voorbeelden, zoals die op Three Mile Island, Tsjernobyl en Fukushima zijn gezien, veel aarzelingen om kernenergie te accepteren, hoewel het is veel veiliger dan fossiele brandstof. Fusiereactoren kunnen op een dag de betaalbare, overvloedige energiebron zijn die nodig is, maar alleen als de extreme omstandigheden die nodig zijn om fusie te creëren en te beheren, kunnen worden opgelost.

Nucleair afval

Het bijproduct van splijting is radioactief afval dat duizenden jaren nodig heeft om zijn gevaarlijke stralingsniveaus te verliezen. Dit betekent dat kernsplijtingsreactoren ook garanties moeten hebben voor dit afval en het transport ervan naar onbewoonde opslag- of stortplaatsen. Lees voor meer informatie over het beheer van radioactief afval.

Natuurlijk voorkomen

In de natuur vindt fusie plaats in sterren, zoals de zon. Op Aarde werd kernfusie voor het eerst bereikt in de creatie van de waterstofbom. Fusie is ook gebruikt in verschillende experimentele apparaten, vaak met de hoop op gecontroleerde wijze energie te produceren.

Aan de andere kant is splijting een nucleair proces dat normaal niet voorkomt in de natuur, omdat het een grote massa en een invallend neutron vereist. Toch zijn er voorbeelden geweest van kernsplitsing in natuurlijke reactoren. Dit werd ontdekt in 1972 toen uraniumafzettingen uit een Oklo, Gabon, mijne bleken een natuurlijke splijtingsreactie te hebben gehad zo'n 2 miljard jaar geleden.

Bijwerkingen

Kort gezegd: als een splijtingsreactie uit de hand loopt, explodeert het of de reactor die het produceert, smelt in een grote stapel radioactieve slakken. Dergelijke explosies of meltdowns maken tonnen radioactieve deeltjes in de lucht en elk aangrenzend oppervlak (land of water) vrij en verontreinigen het elke minuut dat de reactie voortduurt. In tegenstelling hiermee vertraagt ​​een fusiereactie die de controle verliest (ongebalanceerd wordt), en daalt de temperatuur totdat deze stopt. Dit is wat er met sterren gebeurt, terwijl ze hun waterstof in helium verbranden en deze elementen verliezen gedurende duizenden eeuwen uitdrijving. Fusion produceert weinig radioactief afval. Als er schade is, gebeurt dit met de directe omgeving van de fusiereactor en weinig anders.

Het is veel veiliger om fusie te gebruiken om kracht te produceren, maar fissie wordt gebruikt omdat het minder energie kost om twee atomen te splitsen dan om twee atomen samen te smelten. Ook zijn de technische uitdagingen bij het beheersen van fusiereacties nog niet overwonnen.

Gebruik van kernwapens

Alle kernwapens vereisen een kernsplitsingsreactie om te werken, maar "pure" splijtingsbommen, die alleen een splijtingsreactie gebruiken, staan ​​bekend als atoom- of atoombommen. Atoombommen werden voor het eerst getest in New Mexico in 1945, tijdens het hoogtepunt van de Tweede Wereldoorlog. In hetzelfde jaar gebruikten de Verenigde Staten ze als een wapen in Hiroshima en Nagasaki, Japan.

Sinds de atoombom hebben de meeste kernwapens die zijn voorgesteld en / of ontwikkeld, op de een of andere manier verhoogde splijtingsreactie (s) versterkt (zie bijvoorbeeld opgevoerd splijtingswapen, radiologische bommen en neutronenbommen). Thermonucleaire wapens - een wapen dat zowel splijting gebruikt en op waterstof gebaseerde fusie - is een van de bekendere wapenontwikkelingen. Hoewel het idee van een thermonucleair wapen reeds in 1941 werd voorgesteld, werd pas in de vroege jaren vijftig de waterstofbom (H-bom) voor het eerst getest. In tegenstelling tot atoombommen hebben waterstofbommen niet gebruikt in oorlogvoering, alleen getest (zie bijvoorbeeld Tsar Bomba).

Tot nu toe maakt geen enkel kernwapen gebruik van kernfusie alleen, hoewel programma's voor defensie van de overheid deze mogelijkheid aanzienlijk hebben onderzocht.

Kosten

Fission is een krachtige vorm van energieproductie, maar het heeft ingebouwde inefficiënties. De splijtstof, meestal Uranium-235, is duur om te mijnen en te zuiveren. De splijtingsreactie creëert warmte die wordt gebruikt om water te koken voor stoom om een ​​turbine te maken die elektriciteit genereert. Deze transformatie van warmte-energie naar elektrische energie is omslachtig en duur. Een derde bron van inefficiëntie is dat sanering en opslag van kernafval erg duur is. Afval is radioactief, moet op de juiste manier worden verwijderd en de beveiliging moet krap zijn om de openbare veiligheid te waarborgen.

Om fusie te laten plaatsvinden, moeten de atomen worden ingesloten in het magnetische veld en worden verhoogd tot een temperatuur van 100 miljoen Kelvin of meer. Dit vergt een enorme hoeveelheid energie om fusie te initiëren (atoombommen en lasers worden verondersteld die "vonk" te leveren), maar er is ook de behoefte om het plasmaveld op de juiste manier te bevatten voor energieproductie op lange termijn. Onderzoekers proberen nog steeds deze uitdagingen te overwinnen omdat fusie een veiliger en krachtiger energieproductiesysteem is dan splijting, wat betekent dat het uiteindelijk minder zou kosten dan splijting.

Referenties

• Fission en Fusion - Brian Swarthout op YouTube
• Nuclear History Timeline - Onderwijs Database Online
• Nucleaire stabiliteit en magische aantallen - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: kernfusie
• Wikipedia: kernsplijting