Kernsplijting
Van Wikipedia
Kernsplijting 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. Als een vrij neutron met een geschikte kinetische energie wordt ingevangen door de kern van een splijtbaar atoom deelt de hierdoor ontstane onstabiele kern zich in twee of meer splijtingsproducten (atoomkernen van andere elementen die ontstaan uit de protonen en neutronen die eerst de oorspronkelijke atoomkern vormden voor deze zich deelde), twee of drie losse neutronen en een enorme hoeveelheid energie. Dit noemt men gestimuleerde splijting.
Een bekend splijtbaar isotoop is Uranium-235, waarmee vele splijtingsreacties mogelijk zijn. Enkele voorbeelden zijn:
- 235U + 1 neutron
2 neutronen + 92Kr + 142Ba + ENERGIE - 235U + 1 neutron 2 neutronen + 94Sr + 140Xe + ENERGIE
- 235U + 1 neutron 3 neutronen + 90Kr + 143Ba + ENERGIE
Ook spontane splijting bestaat: deze treedt echter alleen op bij een aantal transurane isotopen 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 bijna even grote brokken zijn bestaan beëindigen. In 69% van de gevallen doet het het eerste, in de resterende 31% het laatste.
Inhoud |
[bewerk] Geschiedenis
Het splijtingsproces werd in 1938 ontdekt door Otto Hahn en Fritz Strassmann in Berlijn.
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, en hij was vooral gekomen om enkele abstracte problemen met Albert Einstein te bespreken. (Vier jaar later ontsnapte Bohr aan het door de Nazi's bezette Denemarken in een kleine boot.) 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.
[bewerk] Uitleg kernsplijting
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 de atoommassa A en het atoomnummer.
Op deze deeltjes werken twee soorten krachten, de gewone elektrische Coulomb-krachten 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.
Neutron/proton verhoudingen van stabiele atoomkernen.
|
|
De gecombineerde effecten van deze afstotende en aantrekkende krachten zijn zodanig dat alleen bepaalde combinaties van neutronen en protonen stabiel zijn. 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. (Hoewel sommige van deze zware kernen bijna stabiel zijn zoals blijkt uit hun zeer lange halfwaardetijden.)
Als er door het toevoegen van een neutron of een proton aan een kern een onstabiele nieuwe kern wordt gevormd, dan zal deze uiteindelijk overgaan in een stabiele kern. Dit gebeurt dan niet door het verlies van een proton of een neutron maar meestal door het uitwerpen van een positron of een elektron; Binnenin de kern verandert een proton in een neutron en een positron (of een neutron verandert in een proton en een elektron), en het lichte geladen deeltje wordt uitgeworpen. Met andere woorden, het massagetal blijft gelijk maar het atoomnummer verandert. De voorwaarden voor stabiliteit zijn niet erg kritisch, zodat voor een gegeven massagetal, oftewel een gegeven som van protonen en neutronen, vaak verschillende stabiele kernen mogelijk zijn (maximaal drie of vijf), waardoor verschillende isobare (even zware) elementen kunnen ontstaan.
Voor een gegeven atoomnummer, dat wil zeggen een gegeven aantal protonen, kunnen de omstandigheden nog meer variëren, zodat er van sommige zwaardere elementen wel 10 of 12 stabiele isotopen kunnen bestaan.
In de natuurkunde is een algemeen principe dat er energie nodig is om een stabiel systeem te verstoren. Als een bepaalde combinatie van neutronen en protonen een stabiele kern vormt, moet er energie worden toegevoerd om de samenstellende onderdelen van elkaar te scheiden. Als energie en massa equivalent zijn dan moet de totale massa van een stabiele kern kleiner zijn dan de som van de massa's van de protonen en de neutronen die samen die kern vormen. Dit massaverschil is dan equivalent aan de hoeveelheid energie die nodig is om de kern geheel uit elkaar te halen, en wordt de bindingsenergie van de kern genoemd.
De meeste atoomkernen kunnen door tenminste 1 soort projectiel op atomaire schaal worden getroffen (of door gammastralen). Iedere dergelijke penetratie door een dergelijk projectiel kan leiden tot een nieuwe kernconfiguratie waarbij een fundamenteel deeltje of een stralingskwant, of allebei, worden uitgezonden. De resulterende kern kan behoren tot een van de bekende van nature stabiele isotopen, of kan - en dit is meer waarschijnlijk - een kern zijn die radioactief is en uiteindelijk overgaat in een andere kern. Die kan op zijn beurt weer radioactief zijn en zal als dat het geval is ook weer vervallen. Dit proces gaat door tot alle kernen zijn overgegaan in een stabiele vorm.
Deze kunstmatige radioactieve stoffen verschillen in twee opzichten van de in de natuur voorkomende: veel ervan veranderen door het uitzenden van positronen (wat bij natuurlijke radioactiviteit niet voorkomt) en slechts heel weinig van deze kernen zenden alfadeeltjes uit. Bij iedere kernreactie die nauwkeurig is bestudeerd en gemeten is de equivalentie van massa en energie (volgens de beroemde formule E = mc2 van Einstein) juist gebleken en is de som van de massa en de energie een constante gebleken. (Soms was het wel nodig om het bestaan van neutrino's te postuleren om aan deze gelijkheid te blijven voldoen.)
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 1 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:
- het ontsnapt volledig aan het splijtbare materiaal
- het wordt ingevangen door splijtbaar materiaal zonder tot een splijting te leiden
- het wordt ingevangen door niet-splijtbare verontreinigingen in het materiaal
- 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 neutronenverenigvuldigingsfactor "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. 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.
[bewerk] Kritieke massa
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 aan 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 een volume-effect. Hoe meer uranium er dus aanwezig is, hoe minder kans dat neutron-ontsnapping de overhand zal hebben over neutronvangst gevolgd door splijting, en een kettingreactie zal voorkómen. 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. Met andere woorden, als de grootte kleiner is dan de kritieke omvang, kan per definitie nooit een kettingreactie ontstaan of blijven bestaan.
[bewerk] Moderators
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.
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.
Een goede moderator heeft lichte kernen, die zelf weinig tot geen neiging hebben om neutronen in te vangen. Lithium en borium vallen op grond van die laatste overweging af. Helium is slecht bruikbaar omdat het een gas is en geen verbindingen vormt. De keus ging daarom tussen waterstof, deuterium, 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.
[bewerk] Vermindering van vangst zonder splijting door isotopenscheiding
Een extra complicatie wordt veroorzaakt door het feit dat natuurlijk uranium uit 3 isotopen bestaat: U-234, U-235 en U-238, die respectievelijk 0.006, 0.7 en 99.3 procent van natuurlijk uranium uitmaken. We hebben al gezien dat de waarschijnlijkheden van processen (2) en (4) voor verschillende isotopen verschillen. We hebben ook gezien dat de waarschijnlijkheden verschillen voor neutronen met verschillende energieën.
Voor neutronen met een bepaalde snelheden (overeenkomend met een energie van enkele elektronvolts) heeft U-238 een grote vangstdoorsnee (capture cross section) voor de productie van U-239 maar niet voor een splijtingsreactie. Er is ook een aanzienlijk kans op niet-elastische botsingen (waarbij dus geen vangst optreedt) tussen neutronen met hoge snelheden en U-238 kernen. De aanwezigheid van U-238 leidt dus zowel tot vertraging van snelle neutronen als tot het invangen van middelsnelle neutronen zonder splijting. Hoewel invangen zonder splijting bij U-235 ook wel eens optreedt is het nu evident dat als we het U-235 kunnen scheiden van het U-238 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 U-235 ook door snelle neutronen is zelfs zo groot dat het gebruik van een moderator overbodig wordt als het U-238 eenmaal is verwijderd. Helaas bestaat natuurlijk uranium voor slechts 1/140 deel uit U-235. 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 U-235 al in een vroeg stadium van het Manhattanproject als zeer belangrijk onderkend.
[bewerk] Productie en zuivering van het materiaal
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.
[bewerk] Beheersing - wapens of energie?
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 naar gelang 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 U-235 of Pu-239 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 bezig gehouden 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, U-235 of Pu-239. Deze drie sluiten elkaar niet uit, en vele manieren zijn bedacht om kleine hoeveelheden U-235 of Pu-239 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).
