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.
Lees onderstaand artikel:
De TWR - een idee dat stamt uit de jaren vijftig - gebruikt slechts een klein percentage (verrijkte) uranium-235 om de reactie te starten. Daarna zet de snelle reactor, die wordt gekoeld met gesmolten natrium, uranium-238 om in plutonium, de eigenlijke brandstof van de reactor.
De reactor heeft een enorme potentie, vooral vanwege het gebruik van onverrijkt uranium. `Een TWR gebruikt uranium een factor vijftig beter dan de huidige reactortypen', e-mailt Hugo van Dam, emeritus hoogleraar reactorfysica aan de TU van Delft. `Dat betekent dat al het nu opgeslagen afvaluranium voldoende is om eeuwenlang elektriciteit te produceren.'
Bron: Technisch weekblad, 15 oktober 2013
Opgaven:
a) Wat is verrijkt uranium? Als je het antwoord niet weet kan je het altijd opzoeken op internet.
Tijdens de natuurkundeles heb je geleerd hoe een `normale' kernreactor werkt.
b) Geef een voorbeeld van een splijtingsreactie die plaats kan vinden in een kernreactor met U-235 als brandstof.
c) Wat is de functie van een moderator in zo'n reactor?
In de TWR moeten de neutronen niet afgeremd worden. Alleen snelle neutronen produceren met voldoende efficiëntie plutonium. Omdat water de neutronen teveel vertraagt wordt er daarom gebruik gemaakt van vloeibaar natrium.
d) Zoek in de BINAS wat de minimale temperatuur van het vloeibare natrium is.
Het gebruik van natrium als koelvloeistof brengt ook risico's met zich mee.
e) Benoem een mogelijk risico bij het gebruik van natrium als koelvloeistof.
In de reactor wordt U-238 omgezet in plutonium. Het uranium vangt eerst een neutron in en verandert in U-239:
U-239 vervalt onder uitzending van β--straling.
f) Toon met behulp van reactievergelijkingen dat hierbij Pu-239 ontstaat.
Wanneer een Pu-239 kern een neutron invangt kan het splijten in Ce-148 en Kr-89 Hierbij komen ook een aantal neutronen vrij.
g) Geef de reactievergelijking van deze splijting. Hoeveel neutronen komen er vrij?
De massa van een Ce-148 isotoop is 147,92443 u. De massa van een Kr-89 is 88,91763 u.
h) Hoeveel energie komt er vrij bij deze reactie? Druk het antwoord uit in MeV.
Uitwerking vraag (a)
Natuurlijk uranium bestaat voor 99,3% uit U-238 en voor 0,7% uit U-235. Om een werkende kernreactor te maken moet de verhouding U-235 groter zijn. Verrijkt uranium bestaat voor 97% uit U-238 en voor 3% uit U-235.
Uitwerking vraag (b)
Bijvoorbeeld:
Uitwerking vraag (c)
Het smeltpunt van natrium is 371 K. De minimale temperatuur van het vloeibare natrium is dus 371 K. Dit is 97,9 °C.
Uitwerking vraag (d)
De neutronen die vrijkomen bij 1 reactie worden gebruikt om een nieuwe reactie plaats te laten vinden. De snelheid van de neutronen is echter te hoog. De reacties vinden daarom plaats in een moderator (bijvoorbeeld water). Deze moderator remt de neutronen af.
Uitwerking vraag (e)
Natrium is één van de alkalimetalen en reageert heftig met water. Elk contact met water zal voorkomen moeten worden.
Uitwerking vraag (f)
Er ontstaat dus Pu-239.
Uitwerking vraag (g)
Er komen dus 3 neutronen vrij.
Uitwerking vraag (h)
Om de vrijgekomen energie te bepalen moet het massadefect bepaald worden. De massa aan de linkerkant van de pijl is:
De massa aan de rechterkant van de pijl is:
Het massadefect is dus:
Dit komt overeen met 0,19277002 * 931,49 = 180 MeV.
Meer opgaven van de redactie van Exaktueel kunt u hier vinden.
