Meer opgaven van de redactie van Exaktueel kun je hier vinden.
Om de vragen over deze artikelen te kunnen beantwoorden heb je achtergrondinformatie over kernfusie nodig. Aanbevolen startpunten zijn www.fusie-energie.nl (kijk vooral bij Downloads) en www.fusion.org.uk (vooral de Glossary bevat veel nuttige informatie).
Opgaven
a) Er zijn twee mogelijke kernfusiereacties tussen deuterium-deuterium. Geef van beide de reactievergelijking en bereken bij beide mogelijkheden de massavermindering. Leg uit welke van de twee waarschijnlijk het meest zal voorkomen.
Waarschijnlijk bedoelde de schrijver van het artikel een andere kernfusiereactie dan de genoemde.
b) Zoek op wat op dit moment in alle onderzoeken de gebruikte fusiereactie is en bereken de energie die hierbij vrijkomt.
c) Waarom wordt geen gebruik gemaakt van de simpele waterstof-waterstof fusiereactie (waterstof is immers in ruime mate voorhanden)?
Bij de He-3 reactie fuseert een He-3 kern met een deuterium kern, waarbij een proton vrijkomt.
d) Geef van deze kernreactie de reactievergelijking en bereken de energie die daarbij vrijkomt.
De kernfusiereactie vindt plaats in een plasma.
e) Leg uit wat een plasma is en waarom dit nodig is.
f) Leg uit waarom de vrijkomende neutronen bij de D-T-reactie een probleem vormen.
g) Leg uit waarom dit niet geldt voor de vrijkomende protonen bij de He-3-reactie.
h) Geef kort weer wat de voordelen zijn van energieproductie door kernfusie in vergelijking met fossiele brandstoffen en kernsplijting.
i) Geef de nadelen van het gebruik van kernfusie.
j) Wat vind je van de zorgen die in het artikel beschreven worden over een mogelijk Amerikaans energiebronnenmonopolie.
Uitwerking vraag (a)
Hierbij komt geen neutron vrij zoals het artikel vermeldt. De reactie die in het artikel genoemd wordt is...
De eerste reactie levert meer energie op en zal dus vaker voorkomen dan de reactie die het artikel vermeldt (de natuur streeft immers altijd naar een toestand met minimale energie).
Uitwerking vraag (b)
Deuterium fuseert met tritium:
Uitwerking vraag (c)
Deze reactie verloopt zeer langzaam. In de Zon kan dit omdat deze zo enorm groot is.
Uitwerking vraag (d)
Uitwerking vraag (e)
Uit het artikel watisfusie op www.fusie-energie.nl: … de elektronen en kernen bewegen los van elkaar, en vormen een gas van geladen deeltjes. Een dergelijke toestand heet een plasma. Plasma wordt wel de 'vierde toestand van de materie' genoemd, omdat materie bij toenemende temperatuur na de vaste, vloeibare en gasvormige fase in de plasma-fase komt. Plasma is de meest voorkomende toestand in het heelal: de zon en alle sterren bestaan uit plasma. Om kernen met elkaar te laten fuseren moeten ze zeer dicht bij elkaar kunnen komen. In een atoom wordt de kern afgeschermd door de elektronen, vandaar dat een fusiereactie alleen kan plaatsvinden als de kernen en elektronen los van elkaar bewegen.
Uitwerking vraag (f)
De neutronen vliegen ongehinderd door het plasma van deuterium-, tritium- en heliumkernen en bereiken uiteindelijk de wand van de reactor. De neutronen worden vervolgens ingevangen door de kernen van het wandmateriaal, waardoor radioactieve isotopen ontstaan. Het spreekt voor zich dat de materiaalkeuze hier van groot belang is. Op dit moment is men in staat het materiaal zodanig te kiezen dat de reactorwand na gebruik een halfwaardetijd heeft van circa 100 jaar. Dit lijkt veel, maar het is niets vergeleken met de halfwaardetijd van het radioactieve afval van kernsplijtingsreactoren.
Uitwerking vraag (g)
Protonen reageren vrijwel meteen nadat ze vrijkomen met de overvloedig aanwezige elektronen in het plasma tot waterstofatomen.
Uitwerking vraag (h)
Voordelen ten opzichte van fossiele brandstoffen: Geen uitstoot van schadelijke broeikasgassen, genoeg 'brandstof' voor de rest van de levensduur van de Aarde. Voordelen ten opzichte van kernsplijting:
- Geen hoog radioactief afval dat duizenden jaren actief blijft (de eventueel radioactieve reactorwand is na circa 100 jaar qua giftigheid te vergelijken met de as van een kolencentrale);
- Geen transport van radioactieve stoffen van en naar de centrale;
- Er is geen kettingreactie, waardoor er geen ongecontroleerde reactie kan plaats vinden (inherente veiligheid).
Uitwerking vraag (i)
De reactorwand wordt langzaam radioactief bij gebruik van deuterium en tritium.
Uitwerking vraag (j)
De angst is ongegrond, omdat He-3 niet de enige kernfusie brandstof is. De nadelen van het gebruik van deuterium zijn niet onoverkomelijk, dus er is geen gevaar voor een Amerikaans energiemonopolie.
