Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde-onderwijs in het voortgezet onderwijs.
Thorium staat als nucleaire brandstof momenteel zeer in de belangstelling, als mogelijk alternatief voor uranium. Thorium komt in de natuur voor als thorium-232, een isotoop die lichtradioactief is maar niet splijtbaar. Thorium is een veel voorkomende grondstof, waarvan op stranden in o.a. India en Australie tientallen tonnen voor het oprapen liggen, veel meer dan uranium voor de huidige kerncentrales.
Er zijn twee technieken mogelijk om thorium te gebruiken als brandstof voor het opwekken van elektriciteit. De eerste techniek is het Rubbiatron, een slimme combinatie van een deeltjesversneller en een kernreactor. Zo'n Rubbiatron bestaat uit een cyclotron, een cirkelvormige deeltjesversneller die een stabiele stroom van hoog-energetische protonen kan afvuren. Zo'n protonenkanon is nodig om de kernreactie in een Rubbiatron aan de gang te houden. De protonen uit de versneller slaan eerst neutronen los uit een stuk lood. Die neutronen bombarderen op hun beurt het thorium waardoor (via bètaverval) het splijtbare uranium-233 ontstaat. De vervalproducten van U-233 zijn veel minder gevaarlijk dan die van uranium-235.
Een tweede manier is de gesmolten-zoutreactor. In zo'n reactor wordt het thorium eerst opgelost in gesmolten zout dat daarna door koelkanalen in een blok grafiet stroomt. Evenals in een Rubbiatron wordt het thorium eerst omgezet in uranium-233. Om die reactie in gang te zetten wordt een heel klein beetje splijtbaar uranium toegevoegd. Daarna kan de reactie zichzelf in stand houden.
Het grootste wetenschappelijke obstakel voor de toepassing van thorium voor kernenergie is om veilige materialen te ontwikkelen die bestand zijn tegen het hete zout en de hoge straling en temperatuur.
Opgaven:
a) Leg uit hoe U-235 gebruikt kan worden als brandstof voor een kerncentrale.
b) Zoek op wat een cyclotron is en hoe hij werkt.
c) Waarom is het niet mogelijk direct neutronen in een cyclotron te versnellen?
d) Zoek op Internet (wikipedia) op hoe uiteindelijk U-233 ontstaat.
e) Wat maakt een vervalproduct gevaarlijk?
In een gesmolten-zout reactor wordt ook thorium omgezet in U-233. Daartoe wordt een beetje splijtbaar uranium toegevoegd.
f) Leg uit waardoor het splijtbaar uranium de reactie op gang brengt.
Uitwerking vraag (a)
Als de kern van U-235 een langzaam neutron opvangt wordt de kern instabiel en valt uiteen in twee brokstukken en 2 of 3 snelle neutronen. Bij het splijten van de kern ontstaat warmte die gebruikt wordt om stoom te produceren voor het aandrijven van een turbine en een generator.
De ontstane 2 of 3 snelle neutronen worden eerst afgeremd zodat ze in andere U-kernen splijting kunnen veroorzaken. De brokstukken zijn sterk radioactief en veroorzaken een afvalprobleem.
Uitwerking vraag (b)
Een cyclotron is een cirkelvormige deeltjesversneller.
Door een combinatie van elektrische en magnetische velden worden geladen deeltjes versneld. Het elektrisch veld veroorzaakt de tangentiële versnelling; het magnetische veld veroorzaakt de radiale versnelling voor de cirkelbeweging.
Uitwerking vraag (c)
Neutronen zijn niet geladen.
Uitwerking vraag (d)
Zie Wikipedia:
Het U-233 is hoogradiactief en splijtbaar.
Uitwerking vraag (e)
Een vervalproduct is gevaarlijk als het niet-stabiel is en vervalt tot een ander product onder uitzending van α, β en/of γ straling.
Uitwerking vraag (f)
Om Th-232 om te zetten in Th-233 zijn neutronen nodig (zie d). Deze worden geleverd door het splijtbare uranium (U-235).
Meer opgaven van de redactie van Exaktueel kunt u hier vinden.
