Kernsplijting

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Kernsplijting (zelden: kernfissie) is in de natuurkunde een proces waarbij een zware onstabiele atoomkern zich deelt of splijt in twee of meer lichtere kernen, waarbij aanzienlijke hoeveelheden energie vrijkomen.

Gestimuleerde splijting[bewerken]

Als een vrij neutron met een geschikte kinetische energie wordt ingevangen door de kern van een splijtbaar atoom raakt de kern in een aangeslagen toestand. Deze onstabiele kern deelt zich dan in verschillende splijtingsproducten: atoomkernen van andere elementen (brokstukken van min of meer willekeurige grootte (zie figuur) van de oorspronkelijke kern), gammafotonen, neutrino's en snelle neutronen.

De energieverdeling is ruwweg 3,5% gammastraling, 2,5% snelle neutronen en 94% in de kinetische energie van de brokstukken, die door de elektrostatische afstoting versneld worden tot 3% van de lichtsnelheid. Bij een atoombom wordt door de lading en snelheid van deze brokstukken ook zachte röntgenstraling gevormd.

Bijzonder bij gestimuleerde kernsplijting is dat het invangen van één neutron de productie van meerdere neutronen kan veroorzaken. Hierdoor kunnen de gevormde neutronen ook weer andere kernen splijten en ontstaat de mogelijkheid van een kettingreactie. De energie die vrijkomt bij één splitsingsreactie ligt in de orde van 100 miljoen eV. Bij chemische reacties zijn dat hooguit enkele eV, zodat de energieopbrengst gigantisch genoemd kan worden, als er inderdaad een kettingreactie optreedt en een aanzienlijk percentage van de kernen zich splijt. Een kerncentrale heeft in de orde van honderden tonnen uranium in de reactor, een kernwapen bevat enkele kilo's uranium of plutonium.

Een voorbeeld van een splijtingsreactie.

Een bekende splijtbare isotoop is uranium-235, waarmee vele splijtingsreacties mogelijk zijn. Enkele voorbeelden zijn:

  • 235U + 1 neutron \rightarrow 2 neutronen + 92Kr + 142Ba + E (energie)
  • 235U + 1 neutron \rightarrow 2 neutronen + 94Sr + 140Xe + E
  • 235U + 1 neutron \rightarrow 3 neutronen + 90Kr + 143Ba + E

Spontane kernsplijting[bewerken]

Spontane splijting treedt op bij een aantal isotopen van zware elementen (thorium en zwaarder) die meestal ook al instabiel zijn door andere spontane vervalprocessen. Een goed voorbeeld is de plutoniumisotoop 236Pu. Deze kern kan zowel door het uitzenden van een α-deeltje als door uiteenspatten in twee brokken zijn bestaan beëindigen. In 69% van de gevallen doet het het eerste, in de resterende 31% het laatste. Spontane splijting is een voorbeeld van het tunneleffect in de kwantummechanica, waardoor bij toeval incidenteel toch 'onmogelijke' reacties optreden. Spontane kernsplijting van uranium-238 wordt in de praktijk gebruikt door de analyse van uraniumkristallen. Spontane splijtingsproducten veroorzaken karakteristieke sporen in het kristal. Het aantal van deze sporen is een maat voor de ouderdom van het kristal. Californium-252 (halfwaardetijd 2,645 jaar, percentage spontane splitsing 3.09), wordt gebruikt als neutronenbron in luchthavens voor de detectie van explosieven en in vele toepassingen die het watergehalte van een materiaal bepalen.

Geschiedenis[bewerken]

Het splijtingsproces werd in 1938 ontdekt door Otto Hahn en Fritz Strassmann in Berlijn. Doorslaggevend bij deze ontdekking was ook de analyse van hun resultaten door Lise Meitner. De aanzet van de ontdekking was dat er een radioactieve stof werd gevormd die chemisch identiek bleek te zijn met Barium, atoomnummer 56, wat tot dan toe voor onmogelijk werd gehouden, aangezien bij alle eerdere experimenten zogenaamde transuranen werden gevormd, met atoomnummers groter dan die van Uranium. Het uiteenvallen van een atoomkern in grotere brokstukken werd voordien als ondenkbaar beschouwd, waardoor lang met publicatie van de bevindingen werd gewacht.

De resultaten van het beschieten van uranium met neutronen waren interessant en raadselachtig. Enrico Fermi en zijn medewerkers waren de eersten die dit in 1934 bestudeerden maar de resultaten werden pas enige jaren later correct geïnterpreteerd.

Op 16 januari 1939 arriveerde Niels Bohr uit Kopenhagen in de VS om verscheidene maanden in Princeton door te brengen. Hij was vooral gekomen om enkele abstracte problemen met Albert Einstein te bespreken. Net voor hij Denemarken verliet hadden twee van zijn collega's, Otto Frisch en Lise Meitner (allebei gevlucht uit Duitsland) hem verteld over hun idee dat de absorptie van een neutron door een uraniumkern soms ertoe leidde dat die kern in twee ongeveer gelijke delen splitste, waarbij enorm veel energie vrijkwam, een proces dat al spoedig 'kernsplijting' werd genoemd.

Deze hypothese werd ingegeven door de belangrijke ontdekking door Otto Hahn en Fritz Strassmann in Duitsland (gepubliceerd in Naturwissenschaften, vroeg in januari 1939) waarbij werd aangetoond dat bij het beschieten van uranium met neutronen een bariumisotoop ontstond. Meteen na zijn aankomst in de VS gaf Bohr dit idee door aan zijn voormalige student J.A. Wheeler en anderen op de Universiteit van Princeton, en van daaruit werd het mondeling doorgegeven en bereikte ook Enrico Fermi op de Universiteit van Columbia. Als gevolg van conversaties tussen Fermi, J.R. Dunning, en G.B. Pegram werd toen op Columbia gezocht naar de sterke ionisatiepulsen die je zou verwachten bij de zware rondvliegende fragmenten van een uraniumkern.

Op 26 januari 1939 werd een conferentie gehouden over theoretische natuurkunde in Washington D.C.. Fermi kwam voor deze bijeenkomst over uit New York voordat de splijtingsexperimenten in Columbia waren verricht. Na de bijeenkomst discussieerde Fermi met Bohr over kernsplijting, en Fermi noemde daarbij specifiek de mogelijkheid dat hierbij ook neutronen vrij zouden kunnen komen. Hoewel dit maar een gok was, was de implicatie daarvan, namelijk het mogelijk kunnen bestaan van een kettingreactie, aan insiders meteen duidelijk. In de pers verschenen een aantal sensationele stukjes over dit onderwerp. Al voordat het congres in Washington was afgelopen waren er verschillende andere experimenten in gang gezet om het bestaan van kernsplijting te bevestigen, en uit vier verschillende laboratoria (universiteit van Columbia, het Carnegie Institution of Washington, Johns Hopkins University en de University of California) werd bevestiging gepubliceerd in het nummer van 15 februari van Physical Review. Rond deze tijd had Bohr ook gehoord dat vergelijkbare experimenten rond 15 januari in zijn eigen laboratorium in Kopenhagen hadden plaatsgevonden. (De brief van Frisch aan Nature was gedateerd 16 januari en werd gepubliceerd in het nummer van 18 februari.) Frédéric Joliot in Parijs had ook zijn eerste resultaten gepubliceerd in de Comptes Rendus van 30 januari 1939. Vanaf dit moment verscheen er een niet aflatende stroom van publicaties over kernsplijting, zodat tegen de tijd dat J. Turner, van Princeton, een overzichtsartikel schreef in Reviews of Modern Physics op 6 december 1939, er al haast 100 publicaties beschikbaar waren. Een volledige analyse en bespreking van deze artikelen verscheen in het artikel van Turner en elders.

Verloop van een kernsplijting[bewerken]

Druppelmodel van kernsplijting.
De kansverdeling voor de gevormde splijtingsproducten van uranium-235.

Atoomkernen bestaan uit protonen en neutronen. Het aantal protonen is gelijk aan het atoomnummer Z. Het aantal neutronen N is gelijk aan het verschil tussen het massagetal A en het atoomnummer. Op deze deeltjes werken twee soorten krachten, de gewone Coulomb-krachten waardoor deeltjes met eenzelfde (positieve) lading elkaar afstoten, en de sterke kernkrachten die alleen op zeer korte afstand (één of twee kerndeeltjes) werkzaam zijn en die de deeltjes in de kern samenbinden. De afstotende kracht werkt dus alleen tussen de protonen onderling, terwijl de sterke kernkracht tussen alle soorten kerndeeltjes werkt. Hierdoor zorgt de aanwezigheid van neutronen voor een stabilisatie van kernen met meer dan één proton.

In de gangbare modellen van kernsplijting wordt de kern voorgesteld als een druppel waarin de kerndeeltjes zich vrijelijk kunnen bewegen. De kern is bolvormig door de oppervlaktespanning. De tendens van kerndeeltjes om zo veel mogelijk buren te hebben leidt ertoe dat het kernoppervlak wordt geminimaliseerd. De aangeslagen kern van een splitsend atoom kan echter door vibraties uit elkaar worden gescheurd, door insnoering van de kern en de daaropvolgende elektrische afstoting van de twee brokstukken. De massaverdeling van de brokstukken is vrij willekeurig, maar de brokstukken hebben over het algemeen even atoomnummers. Kernen met een even aantal protonen zijn namelijk stabieler. Op grond van theoretische overwegingen betreffende de laagste energie kan ook afgeleid worden dat de verdeling in massacomponenten van 95 en 140 het gunstigst is.

Het werkingsprincipe van zowel een kernwapen als een kernreactor is dat er een nucleaire kettingreactie moet optreden. Als een neutron een splijting veroorzaakt die meer dan één nieuw neutron produceert, kan het aantal splijtingen enorm toenemen, met daarbij ook een enorme energieproductie. Dit is allemaal een kwestie van statistische kansen. Er zijn precies vier mogelijke resultaten voor een neutron dat bij een splijtingsreactie wordt geproduceerd:

  1. het ontsnapt volledig aan het splijtbare materiaal
  2. het wordt ingevangen door splijtbaar materiaal zonder tot een splijting te leiden
  3. het wordt ingevangen door niet-splijtbare verontreinigingen in het materiaal
  4. het wordt ingevangen en leidt tot een nieuwe splijtingsreactie

Als het verlies van neutronen door de eerste drie processen kleiner is dan het overschot dat door het vierde proces ontstaat, treedt de kettingreactie op; anders niet. Dit wordt vaak numeriek uitgedrukt als de neutronenvermenigvuldigingsfactor k, in:

k = f - l \,

waarbij f het gemiddelde aantal neutronen is dat een splijting veroorzaakt, en l de gemiddelde som is van de verloren neutronen door de mechanismen 1, 2 en 3 hierboven aangegeven. Ieder van de eerste drie verliesprocessen hierboven kan binnen een gegeven configuratie zo waarschijnlijk zijn dat de bij splijtingsreacties gecreëerde extra neutronen niet voldoende zijn om de reactie aan de gang te houden. Als bijvoorbeeld het invangen door uraniumkernen van neutronen zonder dat dit wordt gevolgd door een splijting veel waarschijnlijker zou zijn dan een splijtende vangst, blijkt het principieel onmogelijk om een kettingreactie opgang te brengen. In een kernreactor maakt men daarom over het algemeen gebruik van neutronenmoderatoren die de neutronen afremmen zodat ze meer kans hebben te worden ingevangen door de uraniumkernen.

Als het aantal neutronen in een reactor dat een splijting veroorzaakt in de loop van de tijd afneemt, wordt de reactor 'subkritisch' genoemd. Als het aantal over de tijd gelijk blijft, wordt de reactor 'kritisch' genoemd en als het aantal met de tijd toeneemt heet hij 'superkritisch'. De kritikaliteit van de reactor wordt weergegeven door bovenstaande k, geschreven Keff (K-effectief), waarbij Keff het aantal neutronen in een generatie aangeeft gedeeld door het aantal neutronen in de vorige generatie.

Vertraagde vorming van neutronen in kernreactoren[bewerken]

Het is mogelijk kernreactoren te bouwen met een gecontroleerde kettingreactie doordat een gedeelte van de neutronen niet onmiddellijk door de splijting worden vrijgemaakt, maar enige tijd later door bepaalde splijtingsproducten, met halfwaardetijden van rond de 15 secondes worden geproduceerd. Dit resulteert erin in dat de gemiddelde levensduur van een neutron 0,1 seconde is [1]. De toe of afname van het aantal neutronen in de reactorkern (N) kan worden beschreven met:

\frac{dN}{dt} = \frac{\alpha N}{\tau}

met daarbij:

  • \alpha een exponentiële proportionaliteitsconstante
  • \tau de gemiddelde levensduur van een neutron in de kern

Doordat \tau gelijk is aan ongeveer 0,1 seconde, door het aandeel van de later gevormde neutronen is de reactie controleerbaar. Na 1 seconde wordt bij een \alpha van 0,01 het aantal neutronen dan (1+\alpha)1/\tau × N= 1,0110 ~ 1,1 × N , een toename van tien procent. Als er alleen sprake zou zijn van direct gevormde neutronen (\tau = 0,001 seconde) dan zou de productie toenemen met een factor van ongeveer 21.000 (1,011000).

Kritische massa[bewerken]

De fractie neutronen die uit een hoeveelheid uranium ontsnapt, kan worden geminimaliseerd door de grootte en de vorm van de uraniummassa aan te passen. In een bol is een oppervlakte-effect evenredig met het kwadraat van de straal, en een volume-effect evenredig met de derde macht van de straal. De ontsnapping van neutronen uit een hoeveelheid uranium is een oppervlakte-effect dat afhangt van de grootte van het oppervlak, maar splijtingsreacties komen door het hele materiaal voor en zijn daarom volume-effecten. Dus: hoe meer uranium er aanwezig is, hoe kleiner de kans is dat neutron-ontsnapping de overhand zal hebben over neutronenvangst gevolgd door splijting, en een kettingreactie zal ontstaan. Het verlies van neutronen door vangst zonder dat dit door een splijting wordt gevolgd, is eveneens een volume-effect, zodat voor dit effect een groter volume splijtbaar materiaal geen verschil maakt.

De kritieke omvang van een apparaat dat uranium bevat, is gedefinieerd als de grootte waarbij de productie van vrije neutronen door splijting precies gelijk is aan het verlies ervan door ontsnapping en door niet-splijtende vangstreacties. Als dus de grootte kleiner is dan de kritieke omvang, kan per definitie geen kettingreactie ontstaan of blijven bestaan.

Moderators[bewerken]

Thermische neutronen (neutronen met een lage bewegingsenergie) hebben de grootste kans een splijtingsreactie te veroorzaken in U-235, maar de neutronen die bij de splijtingsreactie ontstaan hebben veel hogere snelheden (ze zijn niet thermisch). Te zeggen dat de kettingreactie zichzelf in stand zou kunnen houden als er door splijtingsreacties meer neutronen worden geproduceerd dan geabsorbeerd is een oversimplificatie, omdat de waarschijnlijkheid van zowel neutronvangst met splijting als neutronvangst zonder splijting afhangt van de snelheid van de neutronen. De snelheid waarbij de vangst zonder splijting het meest waarschijnlijk is ligt echter in tussen de gemiddelde snelheid van neutronen die ontstaan bij het splijtingsproces en de snelheid waarbij vangst gevolgd door splijting het meest waarschijnlijk is.

Al voor de ontdekking van de kernsplijting was de gebruikelijke methode om neutronen te vertragen ze door een materiaal met lage atoommassa's te laten passeren, zoals waterstofbevattende verbindingen. Zo'n materiaal wordt een moderator genoemd. Het vertragingsproces bestaat simpelweg uit elastische botsingen tussen de deeltjes met hoge snelheid en deeltjes die nagenoeg stilstaan. Hoe dichter de massa van het neutron en het geraakte deeltje bij elkaar liggen, hoe meer kinetische energie het neutron bij een botsing zal verliezen. De (kernen van) lichte elementen zijn daarom het meest effectief als moderator voor neutronen, mits zij zelf niet deze neutronen invangen in de kern. Het is om die reden dat bijvoorbeeld borium niet geschikt is als moderator, ondanks de lage atoommassa (maar des te beter geschikt als materiaal voor regelstaven). Ook lithium valt op grond van die overweging af. Helium is slecht bruikbaar omdat het een gas is en geen verbindingen vormt. De keus ging daarom tussen waterstof, deuterium (beide in de vorm van water, resp. zwaar water), beryllium en koolstof. Ook tegenwoordig zijn dit nog steeds de meest praktische mogelijkheden. Enrico Fermi en Leo Szilard stelden als eersten het gebruik van grafiet (een vorm van koolstof) voor als moderator van een kettingreactie.

Een aantal natuurkundigen kwam op het idee dat het wellicht mogelijk was om uranium met een moderator te mengen. Dan zouden de hoog-energetische neutronen die vrijkomen bij splijtingsreacties, nadat ze uit de gespleten kern zijn gevlogen en voordat ze weer een nieuwe uraniumkern tegenkomen, door botsingen met de moderator zoveel snelheid verliezen dat hun snelheid onder de snelheid kwam te liggen waarbij vangst zonder splijting zeer waarschijnlijk is.

Vermindering van vangst zonder splijting door isotopenscheiding[bewerken]

Een extra complicatie wordt veroorzaakt door het feit dat natuurlijk uranium uit 3 isotopen bestaat: 234U, 235U en 238U, die respectievelijk 0,006, 0,7 en 99,3 procent van het natuurlijk voorkomend uranium uitmaken. De waarschijnlijkheden van processen (2) en (4) voor verschillende isotopen verschillen van elkaar, alsook de waarschijnlijkheden voor neutronen met verschillende energieën.

Voor neutronen met een bepaalde snelheden (overeenkomend met een energie van enkele elektronvolt) heeft 238U een grote werkzame doorsnede voor de productie van 239U maar niet voor een splijtingsreactie. Er is ook een aanzienlijke kans op niet-elastische botsingen (waarbij dus geen vangst optreedt) tussen neutronen met hoge snelheden en 238U kernen. De aanwezigheid van 238U leidt dus zowel tot vertraging van snelle neutronen als tot het invangen van middelsnelle neutronen zonder splijting. Hoewel invangen zonder splijting bij 235U ook wel eens optreedt is het nu evident dat als we het 235U kunnen scheiden van het 238U en dit laatste kunnen verwijderen, we het optreden van vangst zonder splijting kunnen verminderen en daardoor de mogelijkheid van een kettingreactie kunnen vergroten. De kans op splijting van 235U ook door snelle neutronen is zelfs zo groot dat het gebruik van een moderator overbodig wordt als het 238U eenmaal is verwijderd. Helaas bestaat natuurlijk uranium voor slechts 1/140 deel uit 235U. Ook het relatief kleine verschil tussen de massa's van de isotopen maakt de afscheiding ervan lastig. Niettemin werd de mogelijkheid van het afscheiden van 235U al in een vroeg stadium van het Manhattanproject als zeer belangrijk onderkend.

Productie en zuivering van het materiaal[bewerken]

Hierboven is al gezegd dat de vangstdoorsnee voor neutronen voor verschillende materialen zeer verschilt. Bij sommige materialen is deze zeer groot, vergeleken met de maximale splijtingsvangstdoorsnee van uranium. Als we dus tot een kettingreactie willen komen moeten we effect (3) (niet tot splijting leidende vangst door verontreinigingen) terugbrengen tot een niveau waar dit geen belangrijk invloed meer uitoefent. Dit houdt in een zeer zorgvuldige zuivering van zowel het uraniummetaal als van het moderatormateriaal. Berekeningen tonen aan dat de maximaal toegestane concentraties van vele verontreinigende elementen slechts een paar delen per miljoen zijn (ppm), zowel in het uranium als in de moderator.
Voor 1940 was de totale hoeveelheid in de VS geproduceerd uranium niet meer dan een paar gram van twijfelachtige zuiverheid. De totale hoeveelheid metallisch beryllium was niet meer dan een paar kilo. De totale hoeveelheid geconcentreerd deuterium was niet meer dan een paar kilo, en koolstof was nog nooit in grote hoeveelheden geproduceerd met een zuiverheid die de benodigde kwaliteit voor een moderator zelfs maar benaderde. Productie en zuivering was dus een zeer belangrijk probleem.

Beheersing - wapens of energie?[bewerken]

De tot nu toe besproken problemen hebben alleen nog maar te maken met het op gang brengen van een kettingreactie. Als een dergelijke reactie nut moet afwerpen, moeten we hem kunnen beheersen. De aard van die beheersing verschilt naargelang we streven naar een gelijkmatige energieproductie of naar een explosie. Over het algemeen is voor kernenergie een door langzame neutronen opgewekte kettingreactie nodig die plaatsvindt in een mengsel of rooster van uranium en een moderator, terwijl voor een atoombom een kettingreactie door snelle neutronen in 235U of 239Pu nodig is, hoewel zowel langzame als snelle neutronen in beide gevallen een bijdrage kunnen leveren. Men dacht ook in 1940 al wel dat door gebruik van neutronen-absorberende elementen een kettingreactie voor de opwekking van energie zou kunnen worden beheerst. Het leek ook waarschijnlijk, hoewel niet zeker, dat een dergelijke kettingreactie zelfdovend zou zijn door de lagere kans op vangst gevolgd door splijting bij hogere temperaturen (door de uitzetting van het materiaal). Niettemin bestond de kans op een uit de hand lopende kettingreactie en het leek daarom verstandig het experiment met de kettingreactie in een onbewoond gebied uit te voeren.

Hierboven in dit artikel hebben we ons beziggehouden met het probleem hoe een nucleaire kettingreactie kan worden bereikt en onderhouden, maar nog niet hoe we hem kunnen gebruiken. De technologische kloof tussen het produceren van een beheerste kettingreactie en het gebruik daarvan als een grootschalige energiebron of een explosief apparaat is enigszins vergelijkbaar met de kloof tussen de ontdekking van het vuur en de fabricage van een stoomlocomotief.

Hoewel de productie van energie niet het eerste doel van dit project was, hebben we er genoeg aandacht aan besteed om het belangrijkste probleem te kunnen onthullen: het kunnen bereiken van een hoge werktemperatuur. Een efficiënte warmtemachine moet niet alleen warmte opwekken maar moet deze ook opwekken bij een voldoende hoge temperatuur. Om een systeem met een kettingreactie bij hoge temperatuur in bedrijf te houden en de opgewekte warmte om te zetten in arbeid is veel lastiger dan een dergelijk systeem bij lage temperaturen te laten werken.

Het bewijs dat een kettingreactie in principe mogelijk is betekent ook nog niet automatisch dat kernenergie effectief in een atoombom kan worden gebruikt. Om een atoombom te kunnen maken moet de kettingreactie zich ook heel snel uitbreiden; anders wordt maar een heel klein deel van de kernenergie vrijgemaakt voordat de bom uit elkaar vliegt en de kettingreactie door subkritisch worden van de splijtingsmassa tot stilstand komt. Het is ook nodig om te voorkomen dat de explosie voortijdig begint. Dit 'detonatieprobleem' was en is nog steeds een van de lastigste problemen bij het ontwerp van een efficiënte kernbom.

Er zijn al drie methoden genoemd om het ontstaan van een kettingreactie te vergemakkelijken: gebruik van een moderator; gebruik van zeer zuivere materialen; en gebruik van speciale materialen, 235U of 239Pu. Deze drie sluiten elkaar niet uit, en vele manieren zijn bedacht om kleine hoeveelheden 235U of 239Pu te gebruiken in een rooster dat verder vooral uit gewoon uranium of uraniumoxide bestaat en uit een moderator of verschillende moderators. Dergelijke configuraties staan meestal bekend als "verrijkte reactors" (enriched piles).

Noot[bewerken]

  1. Het aandeel van deze vertraagd vrijkomende neutronen is ongeveer 0,75% van het totaal

Zie ook[bewerken]

Externe link[bewerken]