Netherlands

Je hebt zeker al gehoor van kernbommen of atoombommen, een voorbeeld van het gebruik van kernenergie voor militaire doeleinden. Een kernbom is gebaseerd op een ongecontroleerde kettingreactie van splijtbaar materiaal. Dit alles gebeurt in een zeer korte tijd, waardoor er een zeer grote hoeveelheid energie vrij komt en de temperatuur extreem hoog wordt, tot enkele tientallen miljoenen graden.

Little Boy, de atoombom die op Hiroshima werd afgeworpen. (Bron: U.S> National Archives, RG 77-AEC, "declassified' in 1960).

Bij dergelijk hoge temperaturen loopt ook de druk in het splijtbaar materiaal in de bom zeer hoog op waardoor de bom ontploft. Dit kan echter maar gebeurden als er een voldoende hoeveelheid splijtbaar materiaal aanwezig is (de zogenaamde kritische massa; in feite moet er zelfs meer zijn, superkritisch dus). Dat betekent echter niet dat al het splijtbare materiaal in de bom ook effectief splijting ondergaat. De meeste atoombommen bevatten twee grote stukken uranium die door de ontploffing van gewone springstof die aan beide kanten van de stukken uranium geplaatst zijn, tegen elkaar worden gedrukt. Door de snelheid van de explosie krijgen niet al de 235U kernen in de bom de kans om te splijten. In de atoombom die op Hiroshima geworpen werd, is maar ongeveer 2% van het uranium in de bom gespleten.

De extreem dodelijke kracht van een atoombom in vergelijking met andere, "klassieke’ bommen, roept belangrijke ethische vragen op bij het onderzoek naar en de ontwikkeling van atoomwapens.

De mogelijkheid dat terroristen kernwapens in handen zouden krijgen en zouden gebruiken is een belangrijk en mogelijk zeer dringend probleem voor de algemene veiligheid. In april 2010 werd het gevaar van nucleair terrorisme besproken op de Nucleaire Veiligheidstop in Washington D.C. Daarbij werden door de deelnemers aan deze top concrete afspraken gemaakt over een versterking van de beveiliging van nucleair materiaal en een beperking van de beschikbaarheid van plutonium en hoog verrijkt uranium.

Kernenergie kan gebruikt worden in zeer kleine toestellen, niet groter dan een gewone batterij. Bij de exploratie van de ruimte en van de planeten in ons zonnestelsel is het belangrijk om te beschikken over batterijen die op een betrouwbare manier en tegelijk lang energie kunnen leveren. Daarom worden hiervoor al sinds 1961 radioactieve energiebronnen gebruikt.

Er zijn twee verschillende types van dergelijke energiebronnen:

1) thermoionische radioisotopen energiegeneratoren waarin de nucleaire warmte gebruikt wordt om een elektrisch potentiaalverschil tussen twee metalen elektrodes te creëren, en

2) 2. RTG –op radioisotopen gebaseerde thermoelektrische generatoren waarbij de warmte die vrij komt bij het verval van bijvoorbeeld 238Pu (0.56 Watt/gram) gebruikt wordt om een p-n type halfgeleiderjunctie te verwarmen (thermokoppel).

De Voyager ruimtetuigen, de Galileo missie naar Jupiter, en de Cassini missie naar Saturnus gebruiken voor hun energievoorziening allemaal RTG’s. De Spirit en Opportunity Mars wagentjes gebruiken zonnepanelen om elektriciteit op te wekken en RTG om de nodige warmte te produceren. Het Mars wagentje Curiosity gebruikt RTG’s om zowel elektriciteit als warmte op te wekken omdat zonnepanelen in dit geval niet de nodige hoeveelheid elektriciteit zouden kunnen leveren.

Het gebruik van kernbrandstof in een reactor genereert een energie-output die ongeveer 100 miljoen (108) keer groter is dan wat bekomen wordt door een vergelijkbare hoeveelheid stoffen die chemisch reageren te gebruiken!

Klassieke raketten worden aangedreven door chemische processen. Daarnaast werden er tot nog toe twee aandrijfsystemen voor ruimtetuigen ontwikkeld die gebruik maken van kernreactoren. Bij het eerste, het zogenaamde nucleair thermisch aandrijfsysteem (in het kort NTR, wat staat voor ‘Nuclear Thermal Rockets’), wordt waterstof die bij lage temperaturen, in vloeibare vorm is opgeslagen, verhit en naar buiten gestuwd. Door het waterstofgas bij een temperatuur van 2500 °C door een kleine opening naar buiten te drijven, ontstaat er stuwkracht.
Bij het tweede systeem, nucleair-elektrische aandrijving (NEP, ‘nuclear-electric propulsion’), wordt kernenergie in elektrische energie omgezet die dan wordt gebruikt om een elektromagneet die ionen tot een zeer grote snelheid versneld, te laten functioneren. Deze versnelde ionen worden geneutraliseerd wanneer ze door de kleine opening passeren, waardoor een snelle stroom (een ‘jet’) van neutrale atomen ontstaat die de motor verlaten en zo stuwkracht leveren. Dit soort van aandrijving werd gebruikt in een groot aantal, vooral Russische, ruimtetuigen die in een baan om de aarde werden gebracht. Het is duidelijk dat vooral voor langdurige ruimtemissies nucleaire aandrijving voordeliger is dan chemsichs aandrijving.

Al van bij het begin van het bestaan van kernreactoren werd het gebruik er van in duikboten en in vliegtuigen overwogen. Door het mogelijke gevaar dat toch verbonden is aan het gebruik van kernreactoren in vliegtuigen werd dit echter niet gerealiseerd, noch in burger- noch in militaire vliegtuigen. Het gebruik van kernenergie voor ruimtevaartuigen wordt wel nog verder ontwikkeld. Voor de aandrijving van moderne schepen (zowel militair las burgerlijk) wordt kernenergie wel al effectief gebruikt.

De eerste door kernenergie aangedreven duikboot van de Verenigde Staten, de “Nautilus”, waarvan de bouw al in 1946 startte en die werd voltooid in 1954, was de eerste duikboot die onder de ijskap langs de Noordpool voer, op 23 juli 1958. De door kernenergie aangedreven ijsbreker “Arktica” van de vroegere Sovjetunie was dan weer het eerste schip dat op zee de Noordpool bereikte, op 17 augustus 1977. De Verenigde Staten hebben ook vliegdekschepen gebouwd die door kernenergie worden aangedreven. Het eerste, de USS Enterprise, werd in 1960 te water gelaten. Het eerste vrachtschip op kernenergie, de NS Savannah, werd in 1959 in de Verenigde Staten te water gelaten, en het eerste koopvaardijschip op kernenergie, Mitsu, in Japan in 1962.

De kernreactoren die in schepen gebruikt worden zijn allemaal van het PWR type. Alle Russische duikboten en al hun schepen worden van energie voorzien door twee reactoren. Daarom is het belangrijk dat die zo compact mogelijk zijn. In het begin werd dit gerealiseerd door zeer hoog-verrijkt uranium te gebruiken, met concentraties aan 235U van 90%. Tegenwoordig zijn de gebruikte verrijkingsfactoren ongeveer 20 tot 25% voor de Amerikaanse mariene schepen en ongeveer 50% voor de Russische.

Op het eerste zicht lijkt het logisch om ook voor auto’s kernenergie te willen gebruiken. Ze zouden immers vele jaren kunnen gebruikt worden zonder de brandstofelementen te moeten vervangen. Maar de kleine kernreactor die nodig zou zijn om een auto op kernenergie te laten rijden, zou natuurlijk ook neutronen produceren, die als ioniserende straling een hoog doordringingsvermogen hebben. Deze straling zou schadelijk zijn voor al de inzittenden, en zelfs voor de voorbijgangers op straat. Om de bestuurder en de passagiers tegen deze neutronen te beschermen zou er rond het centrale deel van de reactor een groot en zwaar biologisch schild moeten geplaatst worden, iets dat niet echt past bij ons idee van een moderne auto.

Maar zelfs als men er zou in slagen om een veilige auto op kernenergie te bouwen, bijvoorbeeld door efficiënte thermo-elektrische convertoren te gebruiken, dan zou er nog steeds het probleem van de radioactieve materialen zijn.

De Ford Nucleon was een schaalmodel van een ontwerp door Ford Motor Company in 1958 om te tonen hoe een door kernenergie aangedreven auto er zou kunnen uit zien. Het ontwerp voorzag een kleine kernreactor aan de achterzijde van de auto, er van uitgaande dat de afmetingen van kernreactoren op de duur zo klein zouden kunnen zijn, dat dit mogelijk werd. Deze auto zou dan een stoommotor gebruiken die van energie zou worden voorzien door de splijting van uranium, op dezelfde manier al bij duikboten.

Waterstof speelt een belangrijke rol in de scheikunde, in de landbouw (voor de productie van stikstof voor bemesting), in de olie-industrie, en mogelijk ook als brandstof. Men zou verwachten dat tussen de vele mogelijke toepassingen van waterstof, het gebruik er van in brandstofcellen het meest populair zou zijn. In het licht van de groeiende interesse in waterstof zijn er schattingen dat de energie die nodig is voor de productie er van snel wel eens even groot zou kunnen worden als de huidige productie van elektriciteit.

Daarom bestaat er een grote interesse in efficiënte energiebronnen voor de productie van waterstof, en kernreactoren zouden hier een belangrijke bijdrage kunnen leveren. Kernreactoren kunnen elektriciteit produceren voor de elektrolyse van water. De thermische energie die bij kernsplijting vrij komt kan ook gebruikt worden voor de productie van waterstof uit methaangas en, via thermochemische processen, uit water. In tegenstelling tot het chemisch proces waarbij de stoom methaangas verandert, hebben de thermochemische reacties het voordeel dat er geen kooldioxide geproduceerd wordt. Omdat in beide gevallen vrij hoge temperaturen nodig zijn (tussen 1000 K en 1300 K), zullen hiervoor bij voorkeur hoge-temperatuur reactoren gebruikt worden. Terwijl deze dan overdag als een gewone kerncentrale zouden functioneren waarbij ze stroom voor het net produceren, zouden ze ’s nachts voor het produceren van waterstof kunnen gebruikt worden.

Kernenergie wordt al gebruikt bij de ontzilting van zeewater, een zaak van uitzonderlijk belang voor een groot deel van de wereld waar niet voldoende drinkbaar water aanwezig is, wat vooral problematisch is in grote delen van Azië en Afrika. Dergelijke, kleine, kernreactoren kunnen daarnaast natuurlijk ook voor de productie van elektriciteit gebruikt worden. Het idee hier achter is dan ze te gebruiken om elektriciteit te produceren voor het net wanneer er een grote vraag naar elektriciteit is en om, op momenten dat er minder vraag is, de geproduceerde elektriciteit te gebruiken voor ontzilting. Een voorbeeld van een kleine reactor die op die manier gebruikt wordt, is de snelle reactor BN-350 in Aktau, Kazakhstan. Zowel Rusland, Japan als Canada hebben ervaring met de kernreactoren die voor de ontzilting van water gebruikt worden en het Internationaal Atoomenergie Agentschap (IAEA) promoot deze toepassing van kernenergie zeer sterk. Er lopen momenteel projecten in India, China, Rusland, Pakistan, Tunesië, Marokko, Egypte, Algerije, Iran, Zuid-Korea, Indonesië en Argentinië.

Neutronen zijn ook deeltjes die erg interessant zijn om te gebruiken in wetenschappelijk onderzoek. Ze hebben wel geen elektrische lading, maar ze gedragen zich toch wel als kleine magneten: we zeggen dat ze een magnetic moment hebben. Vrije neutronen zijn niet stabiel en vervallen naar een proton, waarbij dan een elektron en een elektron-antineutrino worden uitgezonden, met een halfwaardetijd van ongeveer 10 minuten (wat betekent dat na ongeveer 10 minuten de helft van een bepaalde hoeveelheid neutronen zal veranderd zijn in een proton). Neutronen die bij kernreacties in de Zon worden geproduceerd hebben dus geen enkele kans om tot bij de Aarde te geraken. Ook al hebben neutronen geen elektrische lading, toch zoeken wetenschappers of ze misschien toch niet een heel klein beetje lading met zich dragen. Indien dit zo zou zijn, zou dit onmiddellijk wereldnieuws zijn. Tot nu toe is er al aangetoond dat de elektrische lading van een neutron zeker kleiner is dan 10-21 keer de lading van een elektron (de elementaire lading)! Maar we weten dat er zich binnen in een neutron zowel positieve als negatieve ladingen bevinden (in een neutron zitten er twee down-quarks met een negatieve lading en één up-quark met een positieve lading) die door maar door een zeer kleine afstand gescheiden zijn. Hierdoor kan men zich dan de vraag stellen of die ladingen binnen in een neutron misschien een elektrische dipool vormen, wat inhoudt dat de gemiddelde positie van de positieve ladingen en die van de negatieve ladingen (die binnen in het neutron constant in beweging zijn) niet exact samenvallen, maar dat en permanent een kleine afstand tussen deze twee gemiddelde posities is. Tot hier toe is er nog geen zo een elektrisch dipoolmoment van het neutron gevonden, en weten we dat de afstand tussen de gemiddelde posities van de positieve en negatieve ladingen in een neutron kleiner moet zijn dan 10-26 cm. Dit kleine getal toont aan hoe nauwkeurig wetenschappelijke experimenten tegenwoordig wel kunnen zijn!

Om dergelijk experimenten uit te voeren zijn grote hoeveelheden neutronen nodig en kernreactoren zijn hierbij heer nuttig omdat het in feite grote fabrieken van neutronen zijn. Kernreactoren die ontworpen zijn om neutronen te produceren voor wetenschappelijk onderzoek worden onderzoeksreactoren genoemd. Er zijn talloze toepassingen van onderzoeksreactoren in de wetenschap, geneeskunde en technologie.

TRIGA onderzoeksreactor in het AERE instituut in Bangladesh. (Bron: IAEA).

De meest gebruikte bronnen van neutronen voor wetenschappelijk onderzoek zijn zgn. ‘steady-state’ reactoren die een continue stroom van neutronen produceren. In de meeste er van is de kernbandstof ondergedompeld in een groot waterbad. Het water is een deel van het koelsysteem, functioneert als biologisch schild (het water stopt de radioactieve straling die bij de splijting van uranium in de bandstofstaven vrij komt), en zorgt tegelijk voor de moderatie (vertraging) van de neutronen. Al de kerncentrales voor de productie van elektriciteit gebruiken ook dergelijke ‘steady-state’ reactoren.

Naast de ‘steady-state’ reactoren bestaan er ook gepulste neutronenbronnen, die periodisch een puls van neutronen genereren. Sommige gebruiken daarvoor in plaats van kernsplijting een zogenaamde spallatiereactie. Daarbij wordt dan geen kernreactor maar een deeltjesversneller gebruikt. Hiermee worden dan bijvoorbeeld protonen versneld tot een zeer hoge energie, zodat ze bijna met de lichtsnelheden bewegen. Deze snelle bundel van protonen wordt dan bijvoorbeeld op een hoeveelheid lood geschoten. Bij de hevige botsingen tussen de protonen en de kernen van de loodatomen worden deze laatste letterlijk in stukken geschoten, waarbij atoomkernen van lichtere loodatomen gevormd worden en er ook grote hoeveelheiden neutronen vrijkomen.

Kernsplijting, een proces dat heel wat zowel fysische als technische kennis en inzicht vereist om het op een gecontroleerde manier te laten verlopen, heeft zich ongeveer 2 miljard jaar geleden spontaan in de natuur voorgedaan. In de uraniummijn Oklo in Gabon, in West-Afrika, heeft men een opzienbarende ontdekking gedaan in juni 1972. Men ontdekte dat de hoeveelheid 235U in het uraniumerts in de mijn beduidend lager was dan de 0.72% die overal elders ter wereld gevonden wordt. Wat kon de reden hier voor zijn?

Als men uit gaat van een relatieve hoeveelheid van 0.72% aan 235U in het uranium in de mijn, en rekening houdt met het feit dat 235U een kortere halfwaardetijd heeft dan 238U (en dus gemiddeld gezien sneller zijn radioactieve straling uitzendt),kan men berekenen dat de relatieve hoeveelheid 235U zo’n 2 miljard jaar geleden ongeveer 3 tot 4% moet zijn geweest. Maar dat is precies de hoeveelheid 235U in de brandstof van de kernreactoren die we gebruiken. Men kwam daarom tot de conclusie dat zo’n 2 miljard jaar gelden de hydro-geologische omstandigheden in de mijn in de omgeving van het uranium dat toen 3 tot 4% 235U bevatte, geschikt zijn geweest om gedurende een zekere tijd een kettingreactie van splijtingen in gang te houden. Het aanwezige water was een goede moderator voor neutronen, en kan ook dienst gedaan hebben als reflector voor de neutronen, waardoor een kettingreactie op gang is kunnen komen, en er dus gedurende een zekere tijd in Oklo een aantal natuurlijke kernreactoren actief zijn geweest. Door de kettingreacties nam de hoeveelheid 235U in het erts natuurlijk wel af, zodat de kettingreacties op een bepaald moment ook weer stil vielen. Het overblijvende 235U is dan verder radioactief vervallen. Omdat een deel van de oorspronkelijke hoeveelheid 235U echter opgebruikt was in de natuurlijke kernreactoren vinden we nu in het uraniumerts in de Oklo mijn minder 235U dan in het uraniumerts elders in de wereld, waar het 235U niet gedurende een zekere tijd in kettingreacties verbruikt is geweest.

Men schat dat deze natuurlijke kernreactoren in Oklo (tot nog toe zijn er 17 dergelijke ‘fossiele’ kernreactoren gevonden) gedurende ongeveer 1 miljoen jaar actief zijn geweest. Onderzoek heeft verder uitgewezen dat die kernreactoren in Oklo ook 239Pu hebben geproduceerd dat dan (via alfa-verval) verviel naar 235U, zodat het dus in feite natuurlijke ‘kweekreactoren’ waren (kweekreactoren zijn kernreactoren die hun eigen brandstof, 235U dus, produceren)! Het feit dat deze natuurlijke kernreactoren actief zijn geweest in Oklo, heeft het ook mogelijk gemaakt om onderzoek te doen naar de snelheid waarmee lang-levende fissiefragmenten in de grond diffunderen. Dit is van uitzonderlijk groot belang voor onderzoek naar de effectiviteit van de ondergrondse opslagplaatsen voor kernafval die momenteel in aanbouw zijn omdat zich in dat kernafval nog steeds een groot aantal kernsplijtingen voordoen die dergelijke lang-levende fissiefragmenten produceren.