Inhoudsopgave
Urenlijst
Voorwoord
Het atoom
Ioniserende straling
E=mc2
Kernsplijting
Kernfusie
Antimaterie
Bronnen Kernenergie Verantwoording: Kernenergie is een vrij nieuwe manier van het opwekken van energie die in de 20e eeuw van theorie tot werkelijkheid is veranderd. Het lijkt me een boeiend onderwerp en er is veel over te vertellen. Ik hoop in dit werkstuk een zo duidelijk mogelijke uitleg te geven van wat kernenergie is en op welke manieren het benut kan worden. Deelonderwerpen: 1. Het atoom
Wat is het atoommodel volgens de huidige wetenschap?
Hoe is het huidige atoom model ontstaan
2. Ioniserende straling
Wat is ioniserende straling
Wat zijn de gevaren van ioniserende straling
3. E=mc2
Wie heeft deze formule bedacht? Hoe is deze formule tot stand gekomen? Wat houd deze formule in? 4. Kernsplijting
Wat is kernsplijting? Hoe werkt kernsplijting? Hoe word kernsplijting toegepast? Welke stoffen komen er aan te pas? Welke toepassingen zijn er voor kernsplijting? 5. Kernfusie
Wat is kernfusie? Hoe werkt kernfusie? Word kernsplijting toegepast en zo ja hoe? Welke stoffen zijn er nodig voor kernfusie? Welke toepassingen zijn er voor kernfusie? 6. Antimaterie
Wat is antimaterie? Wat zijn de toepassingen van antimaterie? Waar haalt men anti materie vandaan? Urenlijst Hoeveelheid tijd (Uur) Bezigheid
1 Mogelijke onderwerpen bedenken
1 Deelonderwerpen bedenken, enkele deelvragen daarbij verzonnen
3 Bronnen zoeken
4 Bronnen bestuderen
3 Deelonderwerp: het atoom
1 Deelonderwerp: straling
3 Deelonderwerp: kernsplijting
4 Deelonderwerp: kernfusie
5 Deelonderwerp: antimaterie
0.166 Urenlijst
Totaal: 25.166 De hierboven genoemde hoeveelheid uren kan afwijken van het aantal uren dat ik constant bezig ben geweest, dit omdat ik vaak meerdere dingen tegelijk zat te doen. Het atoom
Zo’n 500 jaar voor Christus was de meest aangenomen theorie dat alles bestaat uit 4 elementen, water, aarde, lucht en vuur. Maar rond dezelfde tijd bestonden er ook theorieën over het atoom, het woord stamt af van het Griekse a-tomos dat ondeelbaar betekend. Het deeltje zou onzichtbaar zijn omdat het zo klein was, het was ondeelbaar, het was massief, het was omgeven door leegte en ze hadden een oneindig aantal vormen. In 1869 maakte Dimitri Mendeleïev voor het eerst een tabel maken waarin alle atomen geclassificeerd werden naar hun chemische eigenschappen. Dit zou later bekend worden als het periodiek systeem der elementen. Een aantal jaar later in 1897 ontdekte Thompson het elektron, een negatief geladen deeltje, hij stelde een atoommodel op dat de bijnaam Thomsons pudding kreeg. Het was een bol van een positief geladen materiaal, met daarin de negatief geladen elektronen. Later in 1912 werd de nucleus ontdekt door Rutherford, dit leidde tot een nieuw model waarbij de elektronen als satellieten om de nucleus vlogen, de nucleus was positief geladen en de elektronen negatief, waardoor deze elkaar aantrokken. De Elektronen bewogen met zo’n snelheid dat ze precies in een baan om de nucleus heen bleven draaien. Rutherford veronderstelde dat de nucleus weer onderverdeeld was in protonen en neutronen. Rutherford maakte hiermee een stap in de goede richting, maar er was een probleem met zijn model. Volgens de wetten van Maxwell die stellen dat beweging van de elektronen word omgezet in straling, hierdoor zullen de elektronen langzamer gaan bewegen waardoor ze dichter bij de kern zouden komen en uiteindelijk op de nucleus neervallen. Enige tijd later kwam Bohr met zijn atoommodel dat de baan van de elektron beter beschreef. De elektronen bevonden zich in schillen rond de nucleus. De elektronen konden van de ene schil naar de andere komen door licht uit te stralen of op te nemen. Dit loste een hoop problemen op, maar toen men zich bezig ging houden met de botsingspatronen van neutronen en protonen. Kwam men tot de conclusie dat er iets niet klopte, de botsingspatronen waren anders dan dat de wiskundige modellen die gebaseerd waren op alles wat ze van de deeltjes wisten hadden voorspelt. Dit leidde tot de veronderstelling dat neutronen en protonen uit nog kleinere deeltjes bestaan, deze deeltjes heten quarks en verklaarde wat de wetenschappers zagen. Neutronen en protonen bestaan elk uit drie quarks, deze quarks bepalen de lading. Elke quark bezig een lading van -1/3e, of +2/3e zo heeft een proton dus twee quarks met een lading van +2/3e en een quark met een lading van -1/3e. Een neutron bevat twee quarks met een lading van –1/3e en een met een lading van +2/3e. De quarks komen voor in 6 'smaken' (soorten dus). Up, down, strange, charm, bottom, top respectievelijk van lage naar hoge energie. Neutronen en protonen bestaan alleen uit up (+2/3e) en down quarks(-1/3e). Quarks kennen ook ‘kleuren’, het woord kleur is een beetje verraderlijk, de kleur van een quark heeft niks te maken met het kleurenspectrum dat wij kennen, noch met welke andere vorm van elektromagnetische straling dan ook. Een quarkkleur is een alternatieve lading die een quark heeft. Stel je een systeem voor waar er niet slechts plus en min is, maar er drie soorten ladingen zijn, zoals bij een quark rood, blauw en groen. Deze lading zorgt ervoor dat quarks alleen in groepjes voor kunnen komen. Een groepje quarks heeft altijd een “witte” lading, als je het vergelijkt met het kleurenspectrum dat wij waarnemen dan zou dit een combinatie van rood groen en blauw moeten zijn. Zo is het ook bij de quarks, om een groepje quarks te vormen moet er van elk van de drie kleuren een aanwezig zijn. Een quark kan niet geïsoleerd voorkomen, dit omdat er geen deeltjes bestaan die geen witte lading hebben. Dit is ook de reden waarom er nog nooit een quark is gezien, wel zijn ze indirect aangetoond. Het is allemaal een lastig verhaal dus hier nog een illustratie: Een helium atoom, verhoudingen tussen afstanden en grootten kloppen niet precies. Ook zit er om de protonen, neutronen en quarks in het echt geen schil. Onder bepaalde (extreme) omstandigheden kan een quark zich omzetten in een andere quark. De zogenaamde quarktransmutatie vind plaats wanneer een proton in een neutron veranderd, een van zijn up quarks veranderd in een down quark, de lading van +2/3e word dus omgezet in een lading van –1/3e. De lading die verdwijnt (+2/3e - -1/3e= +1) ontsnapt als een positron, een elementair deeltje dat precies hetzelfde is als een elektron, maar met een positieve lading. Ook ontsnapt er een neutrino, een ander elementair deeltje. Quarks en leptonen en worden op dit moment beschouwt als fundamentele deeltjes, de kleinste vorm van massa, maar ervaring laat weten dat dit wellicht niet het geval is en dat ze uit nog kleinere deeltjes bestaan. De meest populaire theorie op dit moment is dat elektronen en quarks weer zijn opgebouwd uit eendimensionale snaartjes. Deze zogenaamde snaartheorie is zeer veelbelovend en het verklaart een aantal dingen waar men met klassieke- en kwantumnatuurkunde niet uit kan komen. Ioniserende Straling Ioniserende straling komt vrij wanneer een atoom een elektron, foton of een helium nucleus uitzend. Dit kan onder verschillende omstandigheden voorkomen, bij het verval van een atoom, bij kernfusie, kernsplijting, bij extreem hete objecten en bij versnelde deeltjes. Om ioniserend te zijn moet de straling, moet de straling een hoge energie waarde hebben en het moet de elektrische lading van het atoom veranderen. Neutronen doen dit niet direct, ze kunnen er wel voor zorgen dat een atoom radioactief wordt maar veranderen de lading niet direct, hierdoor is neutronen straling niet ioniserend. Fotonen kunnen dit wel doen, mits deze genoeg energie hebben. Een foton kan een elektron uit zijn baan schieten waardoor het atoom ioniseert. Dit principe wordt toegepast in zonne-energie, siliconen cellen worden geraakt door zonlicht en deze zenden een elektron uit. Gamma straling raakt het elektron waarna het uit zijn baan wordt geschoten
De meest voorkomende soorten ioniserende stralingen zijn alfa, bèta en gamma straling. Alfa straling bestaat uit heliumkernen, bèta straling bestaat uit elektronen (of positronen) en gamma straling bestaat uit licht (fotonen).Gamma straling is over het algemeen de meest schadelijke van de drie, dit komt vooral door het hoge doordringend vermogen ervan. Het wordt gebruikt in röntgenapparaten. Gamma straling word door het lichaam gezonden en aan de andere kant word het opgevangen bij een grotere dichtheid in het lichaam (bot) gaat er minder gamma straling door heen waardoor de straling aan de andere kan ook minder is.
Alfa straling heeft een minder doordringend vermogen, omdat de deeltjes van alfa straling zoveel groter zijn. Een vat met een stof die alfa straling uitzendt zou in principe afgedicht kunnen worden met een stuk papier. Dit zorgt ervoor dat alfa straling in principe niet veel kwaad kan, maar het bezit een hoog energie gehalte waardoor het wel degelijk dodelijk kan zijn. Bèta straling bestaat uit elektronen of positronen en heeft daardoor een groter doordringend vermogen, waardoor het schadelijker is voor mensen.
E=mc2
In 1905, op 26-jarige leeftijd, publiceerde Einstein in de Annalen der Physik drie artikelen, die elk voor zich van fundamenteel belang zouden blijken te zijn: a. een artikel waarin het foto-elektrisch effect verklaard werd. Einstein stelde de hypothese der lichtquanten (fotonen) op, die thans een van de grondslagen van de moderne atoomfysica is geworden. Voor zijn verdiensten voor de theoretische fysica en speciaal voor zijn ontdekking van de wet voor het foto-elektrisch effect werd hem in 1922 de Nobelprijs voor natuurkunde voor 1921 toegekend; b. een artikel waarin de brownbeweging theoretisch verklaard werd. Hiermede leverde Einstein het definitieve bewijs voor de juistheid van de kinetische gastheorie en voor het bestaan van moleculen, c. een artikel getiteld Zur Elektrodynamik bewegter Körper, dat de grondslagen bevat van de speciale relativiteitstheorie. Einstein werkte deze verder uit en voorspelde enige effecten waaraan de theorie getoetst kon worden.
In 1916 verscheen Die Grundlagen der allgemeinen Relativitatstheorie, die tevens een nieuwe gravitatietheorie inhoudt. In populaire vorm beschreef hij zijn theorieën in Über die spezielle und die allgemeine Relativitatstheorie (vertaald: Relativiteit, speciale en algemene theorie, 1978). Vanaf 1929 werkte hij aan een algemene veldtheorie, die zwaartekracht en elektromagnetisme tot één systeem zou moeten verbinden. Toen hij uiteindelijk een theorie gevormd had, publiceerde hij dit. Al snel bleek zijn theorie niet te kloppen. De rest van zijn leven is Einstein bezig geweest met het bereiden van een simpele formule die alles kon verklaren. Dit is nooit gelukt, maar Einstein heeft nog wel veel voor de wetenschap betekend, hij werd symbool van de moderne natuurkunde. Ook heeft hij zich ingezet voor het ontwikkelen van een kernwapen en na de bom op Hiroshima heeft hij zich ingezet voor internationale vrede.
Op 15 mei 1905 loste Einstein het probleem uiteindelijk op. Hoe zit het nou eigenlijk met licht en de lichtsnelheid, dat was de vraag. Hoe komt het dat licht geen doppler effect vertoont zoals geluid? Het antwoord op dit vraagstuk is vrij makkelijk, de lichtsnelheid is de lengte gedeeld door de tijd. Hierbij is niet de lichtsnelheid variabel, maar juist de tijd. Naarmate een object sneller beweegt zal de tijd trager gaan lopen, in het meest extreme geval zal (een object met de snelheid van het licht) zal de tijd op dat punt stil staan.
Als we E=mc2 willen gaan bewijzen is het het makkelijkst om uit te gaan van kennis die we al hebben. We weten dat
dit is de kracht die werkt op een puntmassa m met de snelheid v. Als we ervan uitgaan dat F x Δs= -ΔU, kunnen we stellen dat U+0.5mv2 constant is. Als we vervolgens de relavistische krachtwet erbij pakken krijgen we: of
Vervolgens kunnen we deze vereenvoudigen tot
of
constant
Verolgens kunnen we hieruit herleiden dat
W=mc2 of E=mc2 Kernsplijting Kernsplijting is de eerste kernreactie die door de mens op gang gebracht kon worden. Het werd voor het eerst gebruikt als atoombom. Ondertussen is dit ook de reactie waar onderzeeërs mee voort gedreven worden, waar kerncentrales energie uit halen en waar ruimtesondes die ver van onze zon vandaan missies uitvoeren hun energie uit halen. Kernsplijting is het proces waarbij een atoomkern splitst in twee kleinere atoomkernen. Bij sommige (onstabiele) atomen komt dit proces natuurlijk voor. Een goed voorbeeld is de plutoniumisotoop 236Pu. Deze kern kan door het uitzenden van een α-deeltje als door uiteenspatten in twee bijna even grote atomen. Elk atoom bestaat uit neutronen, protonen en elektronen. De nucleus, of atoomkern, bestaat echter alleen uit de neutronen en protonen. Het soort atoom wordt bepaald door het aantal protonen, dit word ook wel het atoomnummer genoemd. Op deze deeltjes werken twee soorten krachten, de gewone elektrische Coulombkrachten waardoor deeltjes met eenzelfde (positieve) lading elkaar afstoten, en de sterke kernkrachten die alleen op zeer korte afstand werkzaam zijn en die de deeltjes in de kern samenbinden
Als er weinig neutronen en protonen zijn, ontstaat er een stabiele kern als de aantallen van beide soorten kerndeeltjes ongeveer gelijk zijn. Voor grotere kernen zijn er meer neutronen nodig om een stabiele kern te kunnen vormen. Uiteindelijk, aan het eind van de tabel van het periodiek systeem, waar er meer dan 90 protonen en bijna 150 neutronen per kern aanwezig zijn, bestaan er geen volledig stabiele kernen meer. U-235 wordt gespleten en veroorzaakt een kettingreactie Uranium wordt verrijkt in een centifuge
Natuurlijk uranium bestaat gemiddeld voor 0.72% uit U-235, dit is voor de conventionele reactor niet genoeg om een reactie tot stand te houden. Hiervoor moet het 3 tot 4% U-235 bevatten, om deze concentratie te bereiken moet het dus eerst gefilterd worden. Dit proces heet verrijken, dit kan doormiddel van een ultracentrifuge of door gasdiffusie. De ultracentrifuge is een centrifuge die de verschillende massa’s van de isotopen gebruikt om ze te scheiden. De centrifuge werkt door heel snel rond te draaien, de middelpuntzoekende kracht wordt hierbij zo hoog dat deeltjes met een verschillende massa zich van elkaar scheiden, ook deeltjes die maar een fractie zwaarder zijn dan de deeltjes om zich heen zich zullen scheiden van de omringende deeltjes. Om een redelijk percentage U-235 te scheiden zijn er meerdere centrifuges nodig de verrijkingscentrale in Nederland heeft er zo’n 250 in serie geschakeld.
Uraniumhexafluoride (een gas) word in de ultracentrifuge toegevoerd, vervolgens zullen de U-238 richting de buitenkant van de centrifuge gaan en de U-235 zal meer in het midden zitten. De mate van ontmenging wordt bepaald door de fractioneringfactor ε = (M1 - M2)v2/2RT, waarbij v de omtreksnelheid van de draaiende trommel is, R de gasconstante en T de temperatuur. Voor UF6-gas, waarin de uraanisotopen U-235 en U-238 voorkomen in een verhouding van ca. 1:140, is ε = 0,1 bij v = 400 m/s en T = 300 K.
Bij het splijten ontstaat er een enorme hoeveelheid energie volgens de formule: E=mc². E staat hierbij voor de opgewekte energie, de m voor de verloren massa en de c voor de lichtsnelheid (in vacuüm). Deze energie ontsnapt als straling (warmte en bèta straling), die weer omgezet kan worden in bruikbare energie. Dit gebeurt doormiddel van een kernreactor, een apparaat dat deze warmte omzet in stroom. Er zijn verschillende soorten kernreactors: lichtwaterreactoren, zwaarwaterreactoren en watergekoelde grafietreactoren. In elk van deze reactoren is het effect hetzelfde, de kernsplijting verwarmt een stof die daardoor in beweging komt, deze beweging word omgezet in elektriciteit door een turbine (dynamo). Hierna word de verwarmde stof afgekoeld om vervolgens het circuit weer te doorlopen.
De drukwaterreactor is de meest voorkomende reactor, deze reactor ziet er ongeveer zo uit
schematische weergave van een drukwaterreactor
De regelstaven zijn gemaakt van een stof die gemakkelijk neutronen kan absorberen zodat de ketting reactie, als dit moet, afgebroken kan worden. Het primaire koelsysteem bestaat uit water dat onder een druk staat van zo’n 150 bar, dit zodat het niet kan koken. De temperatuur van dit water zal worden opgehoogd tot zo’n 300 graden Celsius. Het primaire koelsysteem warmt een secundair koelsysteem op door middel van een warmtewisselaar, het water in dit koelsysteem raakt aan de kook en komt in beweging, deze beweging drijft een turbine aan die op zijn beurt een generator (dynamo) aandrijft. Vervolgens wordt dit water weer afgekoeld door een koelwaterbron (bijvoorbeeld uit een rivier). Dit tertiaire koelsysteem kan vaak niet gewoon terug gedumpt worden in de koelwaterbron, dit zou het leven in de bron ernstig kunnen beschadigen. Vaak wordt er dan gekozen voor een koeltoren dit is het meest kenmerkende onderdeel van de kernreactor. Een hoge cilindervormige toren die stoom uitblaast. Het principe van een warmtewisselaar is vrij simpel. De koelvloeistof word door een grote hoeveelheid parallel lopende metalen buizen geleid waardoor de vloeistof de warmte afgeeft aan de metalen buizen die op hun beurt weer die warmte afgeven aan de koelvloeistof om de buizen heen, deze vloeistof word weer verder doorgepompt. De koeltoren van een kerncentrale is in principe een hele grote warmtewisselaar. Maar deze is niet gebouwd om de warmte-energie zo efficiënt mogelijk door te geven, deze is gemaakt om het water zo snel mogelijk af te koelen. Hierbij gaat er vrij veel water verloren, dit verdampt omdat het water te warm is om zomaar af te koelen. Het hete water wordt omhoog gepompt in de toren en word ergens in het midden lost gelaten. Het water dat te warm is om nog efficiënt af te koelen verdampt en komt uit de toren als een synthetische wolk. Het water dat niet warm genoeg is om te verdampen valt naar beneden in de toren waardoor het verder afkoelt, onderin wordt het opgevangen om weer gebruikt te worden of weer terug gedumpt te worden in de rivier. Op 6 augustus 1945, werd het stadje Hiroshima in Japan in een klap weggevaagd, de wereld maakte voor het eerst kennis met de kracht van het atoom. Met een kracht waar voorheen 13.000 ton TNT voor nodig was geweest ontplofte de bom met de bijnaam ‘Little Boy’. Het was het hoogtepunt van jarenlang onderzoek naar de kracht van kernsplijting. De ‘Little boy’ is hier links schematisch weergegeven. Toen de bom geactiveerd was en het op een hoogte van 1800 voet kwam, activeerde de ontsteking waardoor het explosief ontplofte. Vervolgens werd het U-235 projectiel door de U-238 laag geschoten en kwam het in aanraking met het U-235 doelwit. Zo bereikt het geheel de kritieke massa en volgt er een zeer snelle (explosieve) kernsplijtingreactie. Het loden omhulsel zorgt ervoor dat er geen straling naar buiten uitgezonden wordt tijdens de opslag van de bom. De U-238 zorgt ervoor dat er geen voortijdige reactie plaats vind. De ‘Little Boy’, de atoombom die Hiroshima trof . Kernfusie Kernfusie is de reactie waar de zon zijn energie vandaan haalt en in dat opzicht dus ook de energie die onze aarde leefbaar maakt. Het is een proces waarbij kleinere kernen samensmelten tot een grotere kern. De zon zet per seconde 600 miljoen ton waterstof om in 596 miljoen ton helium. Hierbij word energie in grote hoeveelheden geproduceerd volgens de formule E=mc2. Hoewel het op dit moment alleen praktisch kan worden toegepast in waterstofbommen, is er een goede hoop dat kernfusie ooit het energie probleem zal oplossen. Aanvankelijk was de zon, zoals elke ster, een gasbol die zich door zijn eigen zwaartekracht begon samen te trekken. Naarmate de zon kleiner werd nam de kinetische energie van de materie toe. Dit had een grote temperatuursstijging tot gevolg, door deze temperatuursstijging vormde er zich een plasma, een mengsel van losse elektronen en ‘naakte’ atoomkernen. Uiteindelijk hadden deze kernen zo’n hoge kinetische energie dat er ondanks de elektromagnetische afstotingskrachten toch kernfusies plaatsvonden. Zo houd deze reactie zich nog steeds tot stand. Sinds de wetenschap zich rond 1920 voor het eerst realiseerde wat de oorzaak is van de enorme hoeveelheid energie die de zon uitstraalt, is het een droom geweest om die energiebron op aarde te leren beheersen. Aan het begin van het fusieonderzoek voorspelde men dat een werkende fusiereactor binnen 20 jaar realiseerbaar moest zijn, maar dat bleek te optimistisch. Inmiddels is er veel meer bekend over deze vrijwel onuitputtelijke en schone bron van energie. De eenvoudigste fusiereactie is die tussen deuterium en tritium, deze twee smelten samen en vormen een helium kern, een neutron en een heleboel energie. Kernfusie reactie tussen deuterium en tritium
Het grootste voordeel van kernfusie tegenover de andere vormen van kernenergie is dat de benodigde materialen ervoor relatief gemakkelijk te vinden zijn. Men kan 10 gram deuterium uit elke 500 liter water halen. Tritium is een wat lastigere kern om aan te komen, het word uit het metaal lithium gehaald, uit elke 30 gram lithium kan men 15 gram tritium halen. Dit kan doormiddel van kernsplijting, als een lithium (6Li) kern word beschoten met een neutron zal hij vervolgens splijten tot een 4He en een 3H (tritium) kern uiteensplijten. Kernfusie levert veel energie volgens de wet E=mc2. Of beter gezegd ΔE=Δmc2
Fusie heeft belangrijke positieve milieu- en veiligheidseigenschappen. Omdat fusie geen kettingreactie is, kan de reactie niet uit de hand lopen. Het eenvoudig stoppen van de brandstoftoevoer is genoeg om de reactie snel te stoppen. De brandstoffen, deuterium en lithium, zijn beide voor iedereen beschikbaar, en in voldoende mate aanwezig voor miljoenen jaren energievoorziening. Fusie produceert geen broeikasgassen. Het fusieproces zelf produceert alleen helium, een onschadelijk gas. Het belangrijkste veiligheidsaspect betreft de aanwezigheid van het radioactieve tritium, dat in de reactor uit lithium wordt gemaakt. Omdat het tritium in de centrale zelf wordt gemaakt, is er geen vervoer van radioactieve brandstoffen nodig buiten de centrale. Omdat steeds maar weinig tritium nodig is, kan de hoeveelheid die in de centrale aanwezig is zo laag mogelijk worden gehouden. Het wandmateriaal van plasmavat wordt radioactief, maar dat verdwijnt grotendeels na zo'n 50 jaar. Maar er wordt nog steeds geëxperimenteerd met andere stoffen die als wand zouden kunnen dienen. Een van de grootste problemen van kernfusie is dat je te maken hebt met een plasma. Iets dat op zich geen probleem zou vormen maar de temperatuur van het plasma is ver boven 10.000K. Als het in aanraking zou komen met de wand van de reactor, zou deze smelten en het apparaat grote schade toebrengen. In de JET, ‘s werelds grootste fusiereactor, probeert men temperaturen te bereiken van wel 100 tot 200 miljoen K. Dit omdat de temperatuur waarom de reactie plaats vind invloed heeft op de snelheid waarmee energie word opgewekt. Bij 10 miljoen K zou deze snelheid met een factor van 40.000 lager liggen. Om te voorkomen dat het plasma in aanraking komt met de reactorwand, bouwt men een sterk magnetisch veld om het plasma dat deze op zijn plaats houd. Het feit dat men het magnetische veld niet zo goed onder controle heeft zorgt ervoor dat kernfusie nog niet kan worden toegepast om als constante bron voor energie te zorgen. Op dit moment word er aan een fusiereactor (de ITER) gewerkt die naar alle verwachting voor 500 seconden een fusiereactie tot stand kan houden. Een andere manier om een fusiereactie tot stand te brengen is door kleine bolletjes fusiemateriaal te gebruiken en deze bekogelen met zeer intense laser of elektron straling. Deze wordt daardoor aan zo’n hoge druk blootgesteld dat het spontaan gaat fuseren. Hoewel deze reactie wel uit te voeren is, is het rendement ervan zo laag (1%) dat dit geen goede manier is om er energie uit op te wekken. Ook is er in dit geval geen sprake van een kettingreactie, er moet ten aller tijde energie toegevoegd blijven worden. Een fusiereactor zal uiteindelijk op een soortgelijke manier elektriciteit gaan opwekken als een kernsplijtingreactor, de energie word uitgezonden in de vorm van warmte die door een serie door een serie koelingsystemen wordt geleid en uiteindelijk door middel van een turbine en een generator word omgezet in elektriciteit. Omdat de reactie op zo’n hoge temperatuur plaats vind is het niet mogelijk om alle energie die er vrij komt om te zetten, slechts 0.753% ervan word daadwerkelijk gebruikt om om te zetten in elektriciteit. Onlangs is het de JET gelukt 65% van de energie die erin gestopt werd er weer uit te halen. Het reactorvat waarin de reactie plaatsvindt is een donut-vormige holte. Zo kunnen de magneten overal een vrijwel gelijke kracht uitoefenen op het plasma en deze onder controle houden. Bouwplan voor de ITER Fusiereactorvat in actie
Efficiënt zijn kernfusiereactoren niet, ten eerste kost het een heleboel energie om de reactie op gang te brengen. Het moet eerst opgewarmd worden tot meer dan 10.000K om het plasma te vormen. Als er een kettingreactie op gang is gekomen, zal deze zichzelf verder opwarmen zolang er deuterium en tritium toegevoegd blijft worden. Koude fusie werd in 1989 bekend toen Stanley Pons en Martin Fleischmann een persconferentie hielden waarin ze over een experiment vertelden met zwaar water (dideuterium oxide), een batterij en twee elektrodes. Er werd bij dit experiment warmte gecreëerd die volgens hen alleen verklaard kon worden door een nucleair proces. Het nieuws kreeg veel aandacht in de media en uitgebreid onderzoek werd ingesteld. Al snel bleek dan de behaalde resultaten lastig te nabootsen waren en als dit gebeurde was dit nog lastiger te verklaren. Al snel werd het beschouwt als een mythe, door het experimentele ontwerp was het lastig om precieze metingen te verrichten. Als er tijdens een experiment warmte werd gemaakt dan was deze lastig te verklaren, de warmte werd de ene keer wel geproduceerd maar de andere keer weer niet terwijl de experimenten op dezelfde manier werden uitgevoerd. Ook staat koude fusie in contrast met alles wat wij op dit moment van kernfusie weten. Zo is de dichtheid van deuterium in de experimenten lang niet genoeg om een effectieve botsing te krijgen tussen de deuterium atomen. Verder werden de te verwachten eindproducten van kernfusie (onder anderen Helium) niet in de aantallen gevonden die men verwachtte en er werd niet genoeg gammastraling gedetecteerd. Er wordt nog steeds onderzoek gedaan naar wat koude fusie precies is en of het ooit bruikbaar zal zijn. Een Koude fusie reactorvat zoals die Stanley Pons en Martin Fleischmann gebruikten, er bestaat nog steeds veel controversie over het bestaan van koude fusie en er is niet precies bekend wat er precies gebeurt bij dit experiment. Antimaterie De geschiedenis van antimaterie begint in 1928, toen Paul Dirac een vergelijking opstelde die de baan van een elektron beschreef. Tot zijn verbazing gaf de formule ook een baan aan voor een elektron met een positieve lading en een negatieve hoeveelheid energie. Dirac concludeerde dat voor elk deeltje materie er een deeltje antimaterie moest zijn, precies hetzelfde deeltje alleen dan met een negatieve lading. Bijvoorbeeld dat voor elke elektron er een “anti-elektron” moest zijn die precies hetzelfde was als een elektron maar dan met een positieve elektrische lading. Dirac’s vergelijking
In 1932 bestudeerde Carl Anderson, een professor aan “The California Institute of Technology”, regens van kosmische deeltjes. Hij zag dat het spoor verlaten werd door iets met een positieve lading en dezelfde massa als een elektron. Nadat hij het bijna een jaar lang bestudeerde besloot hij dat wat hij zag eigenlijk anti-elektronen waren, die elk geproduceerd waren samen met een elektron door de energie die vrij kwam bij de kosmische straling. Hij noemde het deeltje de positron en nadat zijn ontdekking bevestigd werd door Occhialini en Blackett ontving hij de nobel prijs voor zijn ontdekking.
Kosmische straling zet zich om in een elektron, positron, gamma straling en enkele leptonen. Kosmische stralen zijn de enige natuurlijke bron (op aarde) van hoge energie deeltjes. Als ze in de atmosfeer terecht komen produceren ze enorme regens van lagere energie deeltjes.
Het bestaan van anti-elektronen was nu bewezen en het wachten was op de antiprotonen en antineutronen, deze lieten nog 22 jaar op zich wachten. In oktober van 1955 was het uiteindelijk zover, Het antiproton werd geobserveerd door een team van wetenschappers onder leiding van Emilio Segre. Een jaar later werd ook de antineutron voor het eerst geobserveerd. In 1965 werd voor het eerst de antideuteron kern geobserveerd, deze bestaat uit een antineutron en een antiproton. In 1995 werd er met behulp van de Low Energy Antiproton Ring (LEAR), voor het eerst een antiwaterstof atoom gemaakt.
Antiprotonen en antineutronen zijn opgebouwd uit antiquarks. Deze antiquarks hebben antikleuren: antirood, antiblauw en antigroen. Zoals je je vast nog wel kan herinneren, moet de lading voor een groep quarks altijd “wit” zijn om een deeltje te kunnen vormen. Het grappige is dat antirood en rood samen ook wit vormen, zo ook antiblauw en blauw en antigroen en groen. Zo kan er een deeltje ontstaan dat uit twee quarks bestaat, zo’n deeltje noemt men een meson. De twee belangrijkste mesonen zijn pionen (pi-mesonen, p+ en p0) en kaonen (ook wel K-mesonen, ). Mesonen hebben een belangrijke rol gespeeld in het identificeren van de tweede- en derdegeneratie quarks (Strange Charm, Bottom en Top).
Zoals ik al eerder zei, voor elk deeltje materie is er een deeltje antimaterie. Beide werden gevormd tijdens de oerknal, waarbij een heleboel energie in een keer werd omgezet in massa. Het is te vergelijken met een munt die uit een stuk metaal wordt gedrukt. Als je er vanuit gaat dat de munt een atoom is dan is de plaat metaal (met gat erin) die je overhoud een antiatoom.
Antimaterie is interessant, omdat hiermee de zogenaamde annihilatie reactie mee uitgevoerd kan worden. Als antimaterie in aanraking komt met materie zullen beide deeltjes volledig omgezet worden in energie in de vorm van straling. Dit is de meest efficiënte kernreactie die er bestaat. Helaas is hetgeen dat deze reactie zo goed maakt, ook hetgeen dat ervoor zorgt dat deze vorm van energie nog lang niet opgewekt kan worden zonder enorme hoeveelheden energie te verliezen. Er komt geen antimaterie voor op aarde, dit komt door annihilatie dat ervoor zorgt dat als antimaterie onze atmosfeer binnen komt deze direct omgezet wordt in energie.
Voorlopig is de enige manier om antimaterie in grotere hoeveelheden te verkrijgen nog het zelf maken van materie. Dit is mogelijk door een deeltjesversneller, protonen worden op een plaat afgeschoten met enorme snelheden. Als deze botst met de plaat, zal de kinetische energie deels worden omgezet in massa. Als deze omzetting volledig efficiënt is, dan gelden er de volgende regel:
0.5mv2 = mc2 = E
De massa van een proton is 1,67262 x 10-27 kg en de lichtsnelheid is 2,99792458 x 108 ms-1 als we dit invullen dan krijgen we: Dit is de snelheid die een proton in een keer moet verliezen om omgezet te worden in energie. Omdat deze snelheid niet mogelijk is moeten er meerdere protonen worden versneld om de benodigde hoeveelheid energie op de wekken om een proton/antiproton paar te maken. In een deeltjesversneller zijn er ongeveer 1 miljoen protonen nodig om een proton/antiproton paar te maken. Maar gegeven het feit dat er ongeveer 10 triljoen protonen per minuut botsen, worden er toch zo’n 10 miljoen proton/antiproton paren per minuut aangemaakt met een deeltjes versneller. Als je dan uiteindelijk antiprotonen hebt gemaakt, dan is het zaak om deze te behouden. Dit is vrij lastig, als antimaterie in aanraking komt met materie zal er direct een annihilatie reactie plaats vinden, de enige manier om antimaterie te behouden is in een vacuüm. Door zeer sterke magneten te gebruiken kan men voorkomen dat de proton door de zwaartekracht tegen de apparatuur wordt getrokken. Daarna wordt deze richting een ‘antiproton decellerator’ (antiproton vertrager) gestuurd die met behulp van radiogolven en elektronen de antiprotonen vertraagd. Voorlopig is het gebruik maken van antimaterie om energie op te wekken nog iets dat ver weg is. Er is immers nog niet genoeg antimaterie om er een efficiënte energiebron van te maken hier op aarde. Antimaterie is op dit moment de duurste stof op aarde, het kost zo’n $62,5 biljoen dollar per gram om te produceren. Maar als er ooit een natuurlijke bron voor antimaterie gevonden zou worden, of er een goedkopere en makkelijkere manier gevonden wordt om het te maken, dan zal dit zich waarschijnlijk ontwikkelen tot een van de voornaamste bronnen voor energie. In de serie Star Trek word er een aandrijf systeem gebruikt dat de annihilatie reactie gebruikt om de ruimteschepen voor te stuwen. In theorie is dit een zeer efficiënte manier om een ruimteschip aan te drijven. Een dergelijk ruimteschip is reeds ontworpen aan de universiteit van Pennsylvania in Amerika. Het zou volgens berekeningen een ruimtereis naar Mars inkorten naar zo’n zes weken. Antimaterie raket ontworpen aan ‘Pennsylvania State University’ Antimaterie wordt op dit moment al gebruikt in de medische wereld, de zogenaamde PET (Positron Emission Tomography) scan gebruikt positronen om een duidelijke scan te maken van organen in het lichaam, zonder het ernstig te beschadigen. De patiënt word geïnjecteerd met een stof die vervalt en daarbij een positron uitscheid. Zodra deze een elektron tegenkomt vindt er een annihilatie reactie plaats waarbij er gamma straling vrijkomt, deze word opgevangen door een detector die de gegevens omzet in een plaatje. Bronnen Boeken: Binas Informatieboek Havo- Vwo 4e druk 1998
Kronig Leerboek Der Natuurkunde 7e druk 1966
Fundamentals of nuclear science (druk onbekend) 1974 Internet: http://www.noordik.nl/vakken/scheikunde/atoommodellen.doc/het_atoommodel_van_ernest_ruthe.html
http://www.kennislink.nl/web/show?id=105111
http://www.nirond.be/nederlands/6.3.1_Kern_nl.html
http://www.kitsune.addr.com/Rifts/Rifts-Rules/Anti-Matter.htm
http://www.geocities.com/thesciencefiles/emc2/emc2.html
http://www.natuurwetenschappen.nl/modules.php?name=News&file=article&sid=446
http://www.zamandayolculuk.com/cetinbal/gravityantimatter.htm
http://www.vectorsite.net/tprel.html
http://www.studyworld.com/newsite/ReportEssay/Science/Physical%5CAnti-Matter-383068.htm
http://www.omroep.nl/schooltv/sites/studiehuis/nt/nt2woorden.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Dirac_equation
http://public.web.cern.ch/Public/Welcome.html
http://www.iter.org/ Anders: Microsoft Encarta 2004
ontbreken door de beperkingen van scholieren.com's toevoeg pagina.
Voorwoord
Het atoom
Ioniserende straling
E=mc2
Kernsplijting
Kernfusie
Antimaterie
Bronnen Kernenergie Verantwoording: Kernenergie is een vrij nieuwe manier van het opwekken van energie die in de 20e eeuw van theorie tot werkelijkheid is veranderd. Het lijkt me een boeiend onderwerp en er is veel over te vertellen. Ik hoop in dit werkstuk een zo duidelijk mogelijke uitleg te geven van wat kernenergie is en op welke manieren het benut kan worden. Deelonderwerpen: 1. Het atoom
2. Ioniserende straling
Wat is ioniserende straling
Wat zijn de gevaren van ioniserende straling
3. E=mc2
Wie heeft deze formule bedacht? Hoe is deze formule tot stand gekomen? Wat houd deze formule in? 4. Kernsplijting
Wat is kernsplijting? Hoe werkt kernsplijting? Hoe word kernsplijting toegepast? Welke stoffen komen er aan te pas? Welke toepassingen zijn er voor kernsplijting? 5. Kernfusie
Wat is kernfusie? Hoe werkt kernfusie? Word kernsplijting toegepast en zo ja hoe? Welke stoffen zijn er nodig voor kernfusie? Welke toepassingen zijn er voor kernfusie? 6. Antimaterie
Wat is antimaterie? Wat zijn de toepassingen van antimaterie? Waar haalt men anti materie vandaan? Urenlijst Hoeveelheid tijd (Uur) Bezigheid
1 Mogelijke onderwerpen bedenken
1 Deelonderwerpen bedenken, enkele deelvragen daarbij verzonnen
3 Bronnen zoeken
3 Deelonderwerp: het atoom
1 Deelonderwerp: straling
3 Deelonderwerp: kernsplijting
4 Deelonderwerp: kernfusie
5 Deelonderwerp: antimaterie
0.166 Urenlijst
Totaal: 25.166 De hierboven genoemde hoeveelheid uren kan afwijken van het aantal uren dat ik constant bezig ben geweest, dit omdat ik vaak meerdere dingen tegelijk zat te doen. Het atoom
Zo’n 500 jaar voor Christus was de meest aangenomen theorie dat alles bestaat uit 4 elementen, water, aarde, lucht en vuur. Maar rond dezelfde tijd bestonden er ook theorieën over het atoom, het woord stamt af van het Griekse a-tomos dat ondeelbaar betekend. Het deeltje zou onzichtbaar zijn omdat het zo klein was, het was ondeelbaar, het was massief, het was omgeven door leegte en ze hadden een oneindig aantal vormen. In 1869 maakte Dimitri Mendeleïev voor het eerst een tabel maken waarin alle atomen geclassificeerd werden naar hun chemische eigenschappen. Dit zou later bekend worden als het periodiek systeem der elementen. Een aantal jaar later in 1897 ontdekte Thompson het elektron, een negatief geladen deeltje, hij stelde een atoommodel op dat de bijnaam Thomsons pudding kreeg. Het was een bol van een positief geladen materiaal, met daarin de negatief geladen elektronen. Later in 1912 werd de nucleus ontdekt door Rutherford, dit leidde tot een nieuw model waarbij de elektronen als satellieten om de nucleus vlogen, de nucleus was positief geladen en de elektronen negatief, waardoor deze elkaar aantrokken. De Elektronen bewogen met zo’n snelheid dat ze precies in een baan om de nucleus heen bleven draaien. Rutherford veronderstelde dat de nucleus weer onderverdeeld was in protonen en neutronen. Rutherford maakte hiermee een stap in de goede richting, maar er was een probleem met zijn model. Volgens de wetten van Maxwell die stellen dat beweging van de elektronen word omgezet in straling, hierdoor zullen de elektronen langzamer gaan bewegen waardoor ze dichter bij de kern zouden komen en uiteindelijk op de nucleus neervallen. Enige tijd later kwam Bohr met zijn atoommodel dat de baan van de elektron beter beschreef. De elektronen bevonden zich in schillen rond de nucleus. De elektronen konden van de ene schil naar de andere komen door licht uit te stralen of op te nemen. Dit loste een hoop problemen op, maar toen men zich bezig ging houden met de botsingspatronen van neutronen en protonen. Kwam men tot de conclusie dat er iets niet klopte, de botsingspatronen waren anders dan dat de wiskundige modellen die gebaseerd waren op alles wat ze van de deeltjes wisten hadden voorspelt. Dit leidde tot de veronderstelling dat neutronen en protonen uit nog kleinere deeltjes bestaan, deze deeltjes heten quarks en verklaarde wat de wetenschappers zagen. Neutronen en protonen bestaan elk uit drie quarks, deze quarks bepalen de lading. Elke quark bezig een lading van -1/3e, of +2/3e zo heeft een proton dus twee quarks met een lading van +2/3e en een quark met een lading van -1/3e. Een neutron bevat twee quarks met een lading van –1/3e en een met een lading van +2/3e. De quarks komen voor in 6 'smaken' (soorten dus). Up, down, strange, charm, bottom, top respectievelijk van lage naar hoge energie. Neutronen en protonen bestaan alleen uit up (+2/3e) en down quarks(-1/3e). Quarks kennen ook ‘kleuren’, het woord kleur is een beetje verraderlijk, de kleur van een quark heeft niks te maken met het kleurenspectrum dat wij kennen, noch met welke andere vorm van elektromagnetische straling dan ook. Een quarkkleur is een alternatieve lading die een quark heeft. Stel je een systeem voor waar er niet slechts plus en min is, maar er drie soorten ladingen zijn, zoals bij een quark rood, blauw en groen. Deze lading zorgt ervoor dat quarks alleen in groepjes voor kunnen komen. Een groepje quarks heeft altijd een “witte” lading, als je het vergelijkt met het kleurenspectrum dat wij waarnemen dan zou dit een combinatie van rood groen en blauw moeten zijn. Zo is het ook bij de quarks, om een groepje quarks te vormen moet er van elk van de drie kleuren een aanwezig zijn. Een quark kan niet geïsoleerd voorkomen, dit omdat er geen deeltjes bestaan die geen witte lading hebben. Dit is ook de reden waarom er nog nooit een quark is gezien, wel zijn ze indirect aangetoond. Het is allemaal een lastig verhaal dus hier nog een illustratie: Een helium atoom, verhoudingen tussen afstanden en grootten kloppen niet precies. Ook zit er om de protonen, neutronen en quarks in het echt geen schil. Onder bepaalde (extreme) omstandigheden kan een quark zich omzetten in een andere quark. De zogenaamde quarktransmutatie vind plaats wanneer een proton in een neutron veranderd, een van zijn up quarks veranderd in een down quark, de lading van +2/3e word dus omgezet in een lading van –1/3e. De lading die verdwijnt (+2/3e - -1/3e= +1) ontsnapt als een positron, een elementair deeltje dat precies hetzelfde is als een elektron, maar met een positieve lading. Ook ontsnapt er een neutrino, een ander elementair deeltje. Quarks en leptonen en worden op dit moment beschouwt als fundamentele deeltjes, de kleinste vorm van massa, maar ervaring laat weten dat dit wellicht niet het geval is en dat ze uit nog kleinere deeltjes bestaan. De meest populaire theorie op dit moment is dat elektronen en quarks weer zijn opgebouwd uit eendimensionale snaartjes. Deze zogenaamde snaartheorie is zeer veelbelovend en het verklaart een aantal dingen waar men met klassieke- en kwantumnatuurkunde niet uit kan komen. Ioniserende Straling Ioniserende straling komt vrij wanneer een atoom een elektron, foton of een helium nucleus uitzend. Dit kan onder verschillende omstandigheden voorkomen, bij het verval van een atoom, bij kernfusie, kernsplijting, bij extreem hete objecten en bij versnelde deeltjes. Om ioniserend te zijn moet de straling, moet de straling een hoge energie waarde hebben en het moet de elektrische lading van het atoom veranderen. Neutronen doen dit niet direct, ze kunnen er wel voor zorgen dat een atoom radioactief wordt maar veranderen de lading niet direct, hierdoor is neutronen straling niet ioniserend. Fotonen kunnen dit wel doen, mits deze genoeg energie hebben. Een foton kan een elektron uit zijn baan schieten waardoor het atoom ioniseert. Dit principe wordt toegepast in zonne-energie, siliconen cellen worden geraakt door zonlicht en deze zenden een elektron uit. Gamma straling raakt het elektron waarna het uit zijn baan wordt geschoten
dit is de kracht die werkt op een puntmassa m met de snelheid v. Als we ervan uitgaan dat F x Δs= -ΔU, kunnen we stellen dat U+0.5mv2 constant is. Als we vervolgens de relavistische krachtwet erbij pakken krijgen we: of
Vervolgens kunnen we deze vereenvoudigen tot
of
constant
Verolgens kunnen we hieruit herleiden dat
W=mc2 of E=mc2 Kernsplijting Kernsplijting is de eerste kernreactie die door de mens op gang gebracht kon worden. Het werd voor het eerst gebruikt als atoombom. Ondertussen is dit ook de reactie waar onderzeeërs mee voort gedreven worden, waar kerncentrales energie uit halen en waar ruimtesondes die ver van onze zon vandaan missies uitvoeren hun energie uit halen. Kernsplijting is het proces waarbij een atoomkern splitst in twee kleinere atoomkernen. Bij sommige (onstabiele) atomen komt dit proces natuurlijk voor. Een goed voorbeeld is de plutoniumisotoop 236Pu. Deze kern kan door het uitzenden van een α-deeltje als door uiteenspatten in twee bijna even grote atomen. Elk atoom bestaat uit neutronen, protonen en elektronen. De nucleus, of atoomkern, bestaat echter alleen uit de neutronen en protonen. Het soort atoom wordt bepaald door het aantal protonen, dit word ook wel het atoomnummer genoemd. Op deze deeltjes werken twee soorten krachten, de gewone elektrische Coulombkrachten waardoor deeltjes met eenzelfde (positieve) lading elkaar afstoten, en de sterke kernkrachten die alleen op zeer korte afstand werkzaam zijn en die de deeltjes in de kern samenbinden
Als er weinig neutronen en protonen zijn, ontstaat er een stabiele kern als de aantallen van beide soorten kerndeeltjes ongeveer gelijk zijn. Voor grotere kernen zijn er meer neutronen nodig om een stabiele kern te kunnen vormen. Uiteindelijk, aan het eind van de tabel van het periodiek systeem, waar er meer dan 90 protonen en bijna 150 neutronen per kern aanwezig zijn, bestaan er geen volledig stabiele kernen meer. U-235 wordt gespleten en veroorzaakt een kettingreactie Uranium wordt verrijkt in een centifuge
schematische weergave van een drukwaterreactor
De regelstaven zijn gemaakt van een stof die gemakkelijk neutronen kan absorberen zodat de ketting reactie, als dit moet, afgebroken kan worden. Het primaire koelsysteem bestaat uit water dat onder een druk staat van zo’n 150 bar, dit zodat het niet kan koken. De temperatuur van dit water zal worden opgehoogd tot zo’n 300 graden Celsius. Het primaire koelsysteem warmt een secundair koelsysteem op door middel van een warmtewisselaar, het water in dit koelsysteem raakt aan de kook en komt in beweging, deze beweging drijft een turbine aan die op zijn beurt een generator (dynamo) aandrijft. Vervolgens wordt dit water weer afgekoeld door een koelwaterbron (bijvoorbeeld uit een rivier). Dit tertiaire koelsysteem kan vaak niet gewoon terug gedumpt worden in de koelwaterbron, dit zou het leven in de bron ernstig kunnen beschadigen. Vaak wordt er dan gekozen voor een koeltoren dit is het meest kenmerkende onderdeel van de kernreactor. Een hoge cilindervormige toren die stoom uitblaast. Het principe van een warmtewisselaar is vrij simpel. De koelvloeistof word door een grote hoeveelheid parallel lopende metalen buizen geleid waardoor de vloeistof de warmte afgeeft aan de metalen buizen die op hun beurt weer die warmte afgeven aan de koelvloeistof om de buizen heen, deze vloeistof word weer verder doorgepompt. De koeltoren van een kerncentrale is in principe een hele grote warmtewisselaar. Maar deze is niet gebouwd om de warmte-energie zo efficiënt mogelijk door te geven, deze is gemaakt om het water zo snel mogelijk af te koelen. Hierbij gaat er vrij veel water verloren, dit verdampt omdat het water te warm is om zomaar af te koelen. Het hete water wordt omhoog gepompt in de toren en word ergens in het midden lost gelaten. Het water dat te warm is om nog efficiënt af te koelen verdampt en komt uit de toren als een synthetische wolk. Het water dat niet warm genoeg is om te verdampen valt naar beneden in de toren waardoor het verder afkoelt, onderin wordt het opgevangen om weer gebruikt te worden of weer terug gedumpt te worden in de rivier. Op 6 augustus 1945, werd het stadje Hiroshima in Japan in een klap weggevaagd, de wereld maakte voor het eerst kennis met de kracht van het atoom. Met een kracht waar voorheen 13.000 ton TNT voor nodig was geweest ontplofte de bom met de bijnaam ‘Little Boy’. Het was het hoogtepunt van jarenlang onderzoek naar de kracht van kernsplijting. De ‘Little boy’ is hier links schematisch weergegeven. Toen de bom geactiveerd was en het op een hoogte van 1800 voet kwam, activeerde de ontsteking waardoor het explosief ontplofte. Vervolgens werd het U-235 projectiel door de U-238 laag geschoten en kwam het in aanraking met het U-235 doelwit. Zo bereikt het geheel de kritieke massa en volgt er een zeer snelle (explosieve) kernsplijtingreactie. Het loden omhulsel zorgt ervoor dat er geen straling naar buiten uitgezonden wordt tijdens de opslag van de bom. De U-238 zorgt ervoor dat er geen voortijdige reactie plaats vind. De ‘Little Boy’, de atoombom die Hiroshima trof . Kernfusie Kernfusie is de reactie waar de zon zijn energie vandaan haalt en in dat opzicht dus ook de energie die onze aarde leefbaar maakt. Het is een proces waarbij kleinere kernen samensmelten tot een grotere kern. De zon zet per seconde 600 miljoen ton waterstof om in 596 miljoen ton helium. Hierbij word energie in grote hoeveelheden geproduceerd volgens de formule E=mc2. Hoewel het op dit moment alleen praktisch kan worden toegepast in waterstofbommen, is er een goede hoop dat kernfusie ooit het energie probleem zal oplossen. Aanvankelijk was de zon, zoals elke ster, een gasbol die zich door zijn eigen zwaartekracht begon samen te trekken. Naarmate de zon kleiner werd nam de kinetische energie van de materie toe. Dit had een grote temperatuursstijging tot gevolg, door deze temperatuursstijging vormde er zich een plasma, een mengsel van losse elektronen en ‘naakte’ atoomkernen. Uiteindelijk hadden deze kernen zo’n hoge kinetische energie dat er ondanks de elektromagnetische afstotingskrachten toch kernfusies plaatsvonden. Zo houd deze reactie zich nog steeds tot stand. Sinds de wetenschap zich rond 1920 voor het eerst realiseerde wat de oorzaak is van de enorme hoeveelheid energie die de zon uitstraalt, is het een droom geweest om die energiebron op aarde te leren beheersen. Aan het begin van het fusieonderzoek voorspelde men dat een werkende fusiereactor binnen 20 jaar realiseerbaar moest zijn, maar dat bleek te optimistisch. Inmiddels is er veel meer bekend over deze vrijwel onuitputtelijke en schone bron van energie. De eenvoudigste fusiereactie is die tussen deuterium en tritium, deze twee smelten samen en vormen een helium kern, een neutron en een heleboel energie. Kernfusie reactie tussen deuterium en tritium
Het grootste voordeel van kernfusie tegenover de andere vormen van kernenergie is dat de benodigde materialen ervoor relatief gemakkelijk te vinden zijn. Men kan 10 gram deuterium uit elke 500 liter water halen. Tritium is een wat lastigere kern om aan te komen, het word uit het metaal lithium gehaald, uit elke 30 gram lithium kan men 15 gram tritium halen. Dit kan doormiddel van kernsplijting, als een lithium (6Li) kern word beschoten met een neutron zal hij vervolgens splijten tot een 4He en een 3H (tritium) kern uiteensplijten. Kernfusie levert veel energie volgens de wet E=mc2. Of beter gezegd ΔE=Δmc2
Fusie heeft belangrijke positieve milieu- en veiligheidseigenschappen. Omdat fusie geen kettingreactie is, kan de reactie niet uit de hand lopen. Het eenvoudig stoppen van de brandstoftoevoer is genoeg om de reactie snel te stoppen. De brandstoffen, deuterium en lithium, zijn beide voor iedereen beschikbaar, en in voldoende mate aanwezig voor miljoenen jaren energievoorziening. Fusie produceert geen broeikasgassen. Het fusieproces zelf produceert alleen helium, een onschadelijk gas. Het belangrijkste veiligheidsaspect betreft de aanwezigheid van het radioactieve tritium, dat in de reactor uit lithium wordt gemaakt. Omdat het tritium in de centrale zelf wordt gemaakt, is er geen vervoer van radioactieve brandstoffen nodig buiten de centrale. Omdat steeds maar weinig tritium nodig is, kan de hoeveelheid die in de centrale aanwezig is zo laag mogelijk worden gehouden. Het wandmateriaal van plasmavat wordt radioactief, maar dat verdwijnt grotendeels na zo'n 50 jaar. Maar er wordt nog steeds geëxperimenteerd met andere stoffen die als wand zouden kunnen dienen. Een van de grootste problemen van kernfusie is dat je te maken hebt met een plasma. Iets dat op zich geen probleem zou vormen maar de temperatuur van het plasma is ver boven 10.000K. Als het in aanraking zou komen met de wand van de reactor, zou deze smelten en het apparaat grote schade toebrengen. In de JET, ‘s werelds grootste fusiereactor, probeert men temperaturen te bereiken van wel 100 tot 200 miljoen K. Dit omdat de temperatuur waarom de reactie plaats vind invloed heeft op de snelheid waarmee energie word opgewekt. Bij 10 miljoen K zou deze snelheid met een factor van 40.000 lager liggen. Om te voorkomen dat het plasma in aanraking komt met de reactorwand, bouwt men een sterk magnetisch veld om het plasma dat deze op zijn plaats houd. Het feit dat men het magnetische veld niet zo goed onder controle heeft zorgt ervoor dat kernfusie nog niet kan worden toegepast om als constante bron voor energie te zorgen. Op dit moment word er aan een fusiereactor (de ITER) gewerkt die naar alle verwachting voor 500 seconden een fusiereactie tot stand kan houden. Een andere manier om een fusiereactie tot stand te brengen is door kleine bolletjes fusiemateriaal te gebruiken en deze bekogelen met zeer intense laser of elektron straling. Deze wordt daardoor aan zo’n hoge druk blootgesteld dat het spontaan gaat fuseren. Hoewel deze reactie wel uit te voeren is, is het rendement ervan zo laag (1%) dat dit geen goede manier is om er energie uit op te wekken. Ook is er in dit geval geen sprake van een kettingreactie, er moet ten aller tijde energie toegevoegd blijven worden. Een fusiereactor zal uiteindelijk op een soortgelijke manier elektriciteit gaan opwekken als een kernsplijtingreactor, de energie word uitgezonden in de vorm van warmte die door een serie door een serie koelingsystemen wordt geleid en uiteindelijk door middel van een turbine en een generator word omgezet in elektriciteit. Omdat de reactie op zo’n hoge temperatuur plaats vind is het niet mogelijk om alle energie die er vrij komt om te zetten, slechts 0.753% ervan word daadwerkelijk gebruikt om om te zetten in elektriciteit. Onlangs is het de JET gelukt 65% van de energie die erin gestopt werd er weer uit te halen. Het reactorvat waarin de reactie plaatsvindt is een donut-vormige holte. Zo kunnen de magneten overal een vrijwel gelijke kracht uitoefenen op het plasma en deze onder controle houden. Bouwplan voor de ITER Fusiereactorvat in actie
Efficiënt zijn kernfusiereactoren niet, ten eerste kost het een heleboel energie om de reactie op gang te brengen. Het moet eerst opgewarmd worden tot meer dan 10.000K om het plasma te vormen. Als er een kettingreactie op gang is gekomen, zal deze zichzelf verder opwarmen zolang er deuterium en tritium toegevoegd blijft worden. Koude fusie werd in 1989 bekend toen Stanley Pons en Martin Fleischmann een persconferentie hielden waarin ze over een experiment vertelden met zwaar water (dideuterium oxide), een batterij en twee elektrodes. Er werd bij dit experiment warmte gecreëerd die volgens hen alleen verklaard kon worden door een nucleair proces. Het nieuws kreeg veel aandacht in de media en uitgebreid onderzoek werd ingesteld. Al snel bleek dan de behaalde resultaten lastig te nabootsen waren en als dit gebeurde was dit nog lastiger te verklaren. Al snel werd het beschouwt als een mythe, door het experimentele ontwerp was het lastig om precieze metingen te verrichten. Als er tijdens een experiment warmte werd gemaakt dan was deze lastig te verklaren, de warmte werd de ene keer wel geproduceerd maar de andere keer weer niet terwijl de experimenten op dezelfde manier werden uitgevoerd. Ook staat koude fusie in contrast met alles wat wij op dit moment van kernfusie weten. Zo is de dichtheid van deuterium in de experimenten lang niet genoeg om een effectieve botsing te krijgen tussen de deuterium atomen. Verder werden de te verwachten eindproducten van kernfusie (onder anderen Helium) niet in de aantallen gevonden die men verwachtte en er werd niet genoeg gammastraling gedetecteerd. Er wordt nog steeds onderzoek gedaan naar wat koude fusie precies is en of het ooit bruikbaar zal zijn. Een Koude fusie reactorvat zoals die Stanley Pons en Martin Fleischmann gebruikten, er bestaat nog steeds veel controversie over het bestaan van koude fusie en er is niet precies bekend wat er precies gebeurt bij dit experiment. Antimaterie De geschiedenis van antimaterie begint in 1928, toen Paul Dirac een vergelijking opstelde die de baan van een elektron beschreef. Tot zijn verbazing gaf de formule ook een baan aan voor een elektron met een positieve lading en een negatieve hoeveelheid energie. Dirac concludeerde dat voor elk deeltje materie er een deeltje antimaterie moest zijn, precies hetzelfde deeltje alleen dan met een negatieve lading. Bijvoorbeeld dat voor elke elektron er een “anti-elektron” moest zijn die precies hetzelfde was als een elektron maar dan met een positieve elektrische lading. Dirac’s vergelijking
De massa van een proton is 1,67262 x 10-27 kg en de lichtsnelheid is 2,99792458 x 108 ms-1 als we dit invullen dan krijgen we: Dit is de snelheid die een proton in een keer moet verliezen om omgezet te worden in energie. Omdat deze snelheid niet mogelijk is moeten er meerdere protonen worden versneld om de benodigde hoeveelheid energie op de wekken om een proton/antiproton paar te maken. In een deeltjesversneller zijn er ongeveer 1 miljoen protonen nodig om een proton/antiproton paar te maken. Maar gegeven het feit dat er ongeveer 10 triljoen protonen per minuut botsen, worden er toch zo’n 10 miljoen proton/antiproton paren per minuut aangemaakt met een deeltjes versneller. Als je dan uiteindelijk antiprotonen hebt gemaakt, dan is het zaak om deze te behouden. Dit is vrij lastig, als antimaterie in aanraking komt met materie zal er direct een annihilatie reactie plaats vinden, de enige manier om antimaterie te behouden is in een vacuüm. Door zeer sterke magneten te gebruiken kan men voorkomen dat de proton door de zwaartekracht tegen de apparatuur wordt getrokken. Daarna wordt deze richting een ‘antiproton decellerator’ (antiproton vertrager) gestuurd die met behulp van radiogolven en elektronen de antiprotonen vertraagd. Voorlopig is het gebruik maken van antimaterie om energie op te wekken nog iets dat ver weg is. Er is immers nog niet genoeg antimaterie om er een efficiënte energiebron van te maken hier op aarde. Antimaterie is op dit moment de duurste stof op aarde, het kost zo’n $62,5 biljoen dollar per gram om te produceren. Maar als er ooit een natuurlijke bron voor antimaterie gevonden zou worden, of er een goedkopere en makkelijkere manier gevonden wordt om het te maken, dan zal dit zich waarschijnlijk ontwikkelen tot een van de voornaamste bronnen voor energie. In de serie Star Trek word er een aandrijf systeem gebruikt dat de annihilatie reactie gebruikt om de ruimteschepen voor te stuwen. In theorie is dit een zeer efficiënte manier om een ruimteschip aan te drijven. Een dergelijk ruimteschip is reeds ontworpen aan de universiteit van Pennsylvania in Amerika. Het zou volgens berekeningen een ruimtereis naar Mars inkorten naar zo’n zes weken. Antimaterie raket ontworpen aan ‘Pennsylvania State University’ Antimaterie wordt op dit moment al gebruikt in de medische wereld, de zogenaamde PET (Positron Emission Tomography) scan gebruikt positronen om een duidelijke scan te maken van organen in het lichaam, zonder het ernstig te beschadigen. De patiënt word geïnjecteerd met een stof die vervalt en daarbij een positron uitscheid. Zodra deze een elektron tegenkomt vindt er een annihilatie reactie plaats waarbij er gamma straling vrijkomt, deze word opgevangen door een detector die de gegevens omzet in een plaatje. Bronnen Boeken: Binas Informatieboek Havo- Vwo 4e druk 1998
Kronig Leerboek Der Natuurkunde 7e druk 1966
Fundamentals of nuclear science (druk onbekend) 1974 Internet: http://www.noordik.nl/vakken/scheikunde/atoommodellen.doc/het_atoommodel_van_ernest_ruthe.html
http://www.kennislink.nl/web/show?id=105111
http://www.nirond.be/nederlands/6.3.1_Kern_nl.html
http://www.kitsune.addr.com/Rifts/Rifts-Rules/Anti-Matter.htm
http://www.geocities.com/thesciencefiles/emc2/emc2.html
http://www.natuurwetenschappen.nl/modules.php?name=News&file=article&sid=446
http://www.zamandayolculuk.com/cetinbal/gravityantimatter.htm
http://www.vectorsite.net/tprel.html
http://www.studyworld.com/newsite/ReportEssay/Science/Physical%5CAnti-Matter-383068.htm
http://www.omroep.nl/schooltv/sites/studiehuis/nt/nt2woorden.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Dirac_equation
http://public.web.cern.ch/Public/Welcome.html
http://www.iter.org/ Anders: Microsoft Encarta 2004
REACTIES
:name
:name
:comment
1 seconde geleden