Wat is kernenergie?
Kernenergie
Het algemene principe bestaat in de omzetting van warmte (opgewekt door het splijtingsproces) in elektriciteit.
De hitte van de kernreactor wordt afgestaan aan water dat via een gesloten kringloop langs de splijtstofstaven circuleert. Dit eerste circuit wordt de primaire kringloop genoemd. Het water in die kringloop bereikt een temperatuur van gemiddeld 300 °C. In een drukwaterreactor kan het water het kookpunt niet bereiken omdat het onder druk staat: daarvoor zorgt de pressurizer of het drukregelvat. Het verhitte water in de primaire kringloop staat op zijn beurt warmte af aan een tweede gesloten circuit, de secundaire kringloop. Beide kringlopen zijn hermetisch van elkaar gescheiden. De warmtewisseling vindt plaats in een stoomgenerator, een grote cilindervormige warmtewisselaar die uit duizenden buizen bestaat. De hitte zet het water van de secundaire kringloop om in stoom.
De stoom die in de secundaire kringloop wordt geproduceerd, zet zich uit over verschillende turbinelichamen en doet de turbine draaien. Een alternator, gekoppeld aan de turbines, zet ten slotte de bewegingsenergie om in elektriciteit die het hoogspanningsnet voedt.
De stoom waarmee de turbines worden aangedreven, koelt vervolgens af in een condensor waar hij opnieuw in water wordt omgezet na in contact te zijn gekomen met duizenden buizen waarin het koelwater van een derde kringloop (op zijn beurt volledig gescheiden van de tweede kringloop) circuleert. Dit water wordt vervolgens naar de stoomgenerator teruggevoerd om er andermaal voor stoomproductie te worden gebruikt.
Naar het voorbeeld van grote thermische centrales beschikken ook kerncentrales over een koeltoren om de temperatuur van het gebruikte koelwater via natuurlijke luchtcirculatie te doen dalen. Zo wordt in kerncentrales het water van de derde kringloop hergebruikt om de stoom in de condensor af te koelen. Slechts 1,5% van dit water verdampt: het is de damppluim die uit de koeltoren ontsnapt.
Kernenergie is een niet-fossiele energievorm waarbij de energie ontstaat door het splijten van een atoomkern (kernsplijting) of door het samensmelten van twee atoomkernen (kernfusie).
Kernsplijting
Elke stof bestaat uit miljoenen kleine deeltjes die men atomen noemt. Een atoom bestaat uit een kern van protonen en neutronen. Deze deeltjes zijn gebonden door de sterke kernkracht. Het kost veel energie om ze uit elkaar te halen. Rond de kern vliegen nog andere deeltjes, de elektronen.
Alle atomen van een chemisch element (bijvoorbeeld ijzer, zuurstof, uranium, plutonium, …) hebben dezelfde chemische eigenschappen. Echter, atomen kunnen verschillen in massa. De atomen van eenzelfde chemisch element met verschillende massa worden isotopen genoemd.
Deze isotopen hebben verschillende fysische eigenschappen. Zo kan het uraniumisotoop met massagetal 235 wel gesplitst worden door een langzaam neutron, terwijl het uraniumisotoop met massagetal 238 niet op die manier gesplitst kan worden.
Bij kernsplijting spat een uraniumatoom in stukken uit elkaar nadat het een neutron heeft geabsorbeerd. Tijdens het uit elkaar vallen van de kern komt heel veel warmte (energie) vrij. Dit komt doordat de kerndeeltjes (protonen en neutronen) in de nieuw gevormde kleinere atomen, sterker gebonden zijn dan in de uraniumatomen. De hogere bindingsenergie komt vrij in de vorm van warmte en straling. Dit noemt men kernenergie.
Als de kern uit elkaar valt, ontstaan er twee nieuwe kernen en twee of drie losse neutronen. De losse neutronen vliegen in het rond en kunnen zelf weer uraniumatomen splijten. Dat noemt men een kettingreactie.
Uranium is de enige stof die in de natuur voorkomt die gebruikt wordt voor kernsplijting. Het zijn de uraniumisotopen 235 en 233 die in aanmerking komen voor kernsplijting. In een kernreactor kunnen ook de kunstmatig aangemaakte stoffen gesplitst worden.
Toepassingen van kernsplijting
De bekendste toepassing van kernsplijting is het opvangen van de warmte die door kernsplijting is ontstaan. Kernsplijting gebeurt in een kernreactor.
De warmte die is ontstaan door de kernsplijting in kernreactoren kan worden gebruikt voor:
- de productie van elektriciteit;
- de ontzilting van zeewater;
- als aandrijving van atoomduikboten;
- als aandrijving van ijsbrekers;
- als aandrijving van ruimtetuigen;
- stadsverwarming.
Behalve de warmte kunnen ook de splijtingsproducten, de stoffen die ontstaan zijn door de kernsplijting, gebruikt worden voor allerlei toepassingen. In sommige daarvoor uitgeruste nucleaire onderzoeksreactoren worden splijtingsproducten door kernsplijting aangemaakt, die daarna in een laboratorium geïndustrialiseerd worden als medische of industriële radio-isotopen. Medische radio-isotopen worden in het lichaam van de patiënt ingespoten voor diagnose of behandeling. Radio-isotopen kunnen ook gebruikt worden in de industrie en de landbouw. Bijvoorbeeld voor het detecteren van lekken, het steriliseren van werktuigen of het steriliseren van landbouwproducten.
Radio-isotopen werden vroeger nog gebruikt in branddetectoren, bliksemafleiders of lichtgevende uurwerken.
Kernfusie
Kernfusie is het samensmelten van atoomkernen tot een nieuwe kern. Dat is niet eenvoudig omdat atoomkernen een gelijksoortige lading hebben. Daardoor stoten de kernen elkaar af wat een mogelijke samensmelting of fusie belemmert.
Het is wel mogelijk om fusiereacties tot stand te brengen als men de kernen voldoende energie meegeeft zodat ze die afstoting overwinnen. Wanneer meer energie vrijkomt dan nodig was voor de samensmelting heeft men een rendabele kernfusie.
Kernfusie is een proces dat ook plaatsvindt in de zon. Het energieproductiesysteem van de zon is echter op aarde niet na te bootsen omdat dit gebeurt bij extreem hoge temperaturen (ongeveer 15 miljoen graden) en extreem hoge drukken.
Een van de grondstoffen van kernfusie is deuterium (een isotoop van waterstof), dat uit zeewater kan gewonnen worden.
Kernenergie - Wat is het?