Alle ogen zijn gericht op Parijs terwijl onze wereldleiders er samen hun hoofden buigen over de klimaatverandering, alsook de vraag of we verder kunnen met kernenergie. Voor we hierover kunnen meepraten, moeten we eerst weten wat kernenergie is en daarvoor moeten we een een kleine tijdreis naar het verleden maken. 

In datzelfde Parijs waar op dit moment druk over een klimaatakkoord gedebatteerd wordt, veranderde Antoine Lavoisier (1743-1794) zo’n kleine 300 jaar geleden de wetenschap voorgoed. Samengevat bewees hij dat water, waterdamp en ijs allemaal $$mathrm{H_{2}O}$$ zijn. Door nauwgezet massa’s te bepalen van stoffen in alle toestanden waarin ze konden koken, verdampen, sublimeren, vriezen, condenseren … kwam hij tot het besluit dat niets kon worden gecreëerd en ook niets kon verdwijnen. Het beroemde “Rien ne se crée, rien ne se perd”. Massa gaat nooit verloren en kan ook niet uit het niets ontstaan. Dit zeer humanistische besluit over het behoud van massa is strikt geldig in alle mechanische en scheikundige acties. Dat Lavoisier in 1794 onder de guillotine stierf omdat hij van hogere komaf was, bewijst dat er zich onder de Franse revolutionairen ook rancuneuze analfabeten bevonden.

Kernfusie

Dmitri Mendeleev (1834-1907) was een geniale senior-student van de reus Ludwig Boltzmann (1844-1906). Zijn uiterst nuttige tabel begint met Waterstof met kernmassa $$1$$: $$mathrm{^{1}H}$$ met één proton en gaat dan verder met Helium met kernmassa 4: $$mathrm{^{4}He}$$ met 2 protonen en 2 neutronen. Bij heel hoge temperatuur, dichtheid en druk kunnen vier Waterstofkernen samensmelten tot één Helium kern. Die hoge temperatuur is nodig omdat de elektrisch positief geladen Waterstofkernen (protonen) mekaar afstoten en niet graag met elkaar samensmelten. Bij een hoge temperatuur hebben de protonen zo’n grote snelheid dat ze die natuurlijke afstoting kunnen omzeilen, onvermijdelijk met elkaar botsen om uiteindelijk soms daadwerkelijk met elkaar samen te smelten tot een Helium kern: en opnieuw: “rien ne se crée, rien ne se perd”, want 4 x $$mathrm{^{1}H}$$ $$rightarrow$$ 1 x $$mathrm{^{4}He}$$: $$4 times 1 = 1 times 4$$. In deze notatie worden de massa’s van de atoomkernen (som van de massa’s van protonen en neutronen) links boven vermeld. Kijken we echter naar de getallen achter de komma dan stellen we iets vreemds vast: de massa van $$mathrm{^{1}H}$$ is 1,0079 en die van $$mathrm{^{4}He}$$ 4,0026. En omdat (4$$times$$1,0079) = 4,0316 $$>$$ 4,0026, gaat er in de kernfusiereactie massa verloren. De wet van Lavoisier is dus niet meer helemaal geldig. Bij elke kernfusiereactie 4 x $$mathrm{^{1}H}$$ $$rightarrow$$ 1x $$mathrm{^{4}He}$$, gaat er immers 0,7 $$%$$ van de massa verloren.

Antoine Lavoisier

“Rien ne se crée, rien ne se perd”. Massa gaat nooit verloren en kan ook niet uit het niets ontstaan.

Dit is echter gerekend zonder het idee van Albert Einstein (1879-1955). Er is helemaal geen massa “$$Delta m$$” verloren gegaan maar gewoon omgezet in Energie $$Delta E$$ via de geniale wet: begin{equation} Delta~mathrm{E} = Delta~mathrm{m} times~mathrm{c}^{2} label{Einstein} end{equation}

Een formule die vaak op onze T-shirts prijkt onder de vorm $$mathrm{E = m c^{2}}$$. Nu is $$Delta$$m een ontzettend kleine hoeveelheid massa, maar het kwadraat van de lichtsnelheid ($$mathrm{c^{2}}$$) is zulk een gigantisch getal, zodat de Einstein-wet zegt dat uiterst kleine hoeveelheden massa kunnen omgezet worden in grote hoeveelheden energie en wel aldus dat in de wet van Lavoisier “rien ne se crée, rien ne se perd”, met het woordje “rien” de som van massa en energie wordt bedoeld.

Massa en energie zijn dus twee vormen van hetzelfde ding. Het samensmelten van 4 Waterstofkernen tot één Heliumkern is de vorm van kernfusie die momenteel door de technologie nog niet wordt beheerst. Het is een heel propere vorm van energie want bij kernfusie wordt alleen energie geleverd, zonder dat er één radioactief deeltje vrijkomt. Deze heel efficiënte manier om energie te maken wordt overigens al vijf miljard jaar door onze zon aangewend om ons te verwarmen.

Kernsplijting

De redenering over kernfusie gaat op voor alle elementen van de Tabel van Mendeleev tot in de buurt van kernmassa 56. Daar kom je terecht bij IJzer en Nikkel. Voeg je vanaf die elementen massa toe dan heeft het aldus gevormde volgende element van de Tabel van Mendeleev niet minder, maar juist meer massa. Bij kernmassa 56 houdt de mogelijkheid om energie te winnen uit kernfusie op.

Begin je echter bij de meest massieve kernen in de Tabel van Mendeleev (Thorium, Uranium, Plutonium) en beweeg je naar kleinere kernmassa’s dan splijt je deze zware elementen in twee kernen met -uiteraard- kleinere massa, maar waarvan de som van de twee kleinere massa’s ook kleiner is dan de massa van de oorspronkelijk massieve kern (Th, U, Pu). Kernsplijting van zware kernen in minder zware kernen is dus opnieuw een massa verliezend en dus energie producerend proces, dankzij het Einstein beginsel: $$Delta~mathrm{E} = Deltamathrm{m} times mathrm{c^{2}}$$

In deze blogreeks spelen de elementen met atoom nummer 90 (Thorium), 92 (Uranium) en 94 (Plutonium) de hoofdrol. Thorium en Uranium kan je vinden in de natuur. Plutonium komt haast niet voor in de natuur en wordt synthetisch aangemaakt in een kernreactor. Alleen kernreactoren op basis van Thorium of Uranium kunnen door splijting energie leveren. Kernsplijting wordt gerealiseerd door een neutron met geschikte (weliswaar snel maar wel voldoende langzaam) snelheid af te schieten op een massieve kern. Wanneer dat neutron botst met de massieve kern kunnen er slechts twee verschillende dingen gebeuren:

  • Ofwel spat de massieve kern uiteen in twee minder massieve kernen: kernsplijting. Dit levert energie. De minder massieve kernen zijn min of meer radioactief vanaf het 43ste element van de Tabel van Mendeleev: Technetium (Tc).
  • Ofwel wordt het neutron opgenomen door de massieve kern en wordt een zwaarder isotoop van hetzelfde element gevormd. Het neutron vervalt dan tot een proton plus een elektron. Met het nieuw gevormde proton wordt een isotoop van het volgende element van de Tabel van Mendeleev gevormd. Aldus gevormde elementen met meer massa dan Uranium worden “transuranen” genoemd. Met een sneak preview op de blog van morgen mogen we zeggen dat alle transuranen radioactief zijn. Het nieuw gevormde elektron is het $$beta$$-deeltje van de radioactieve straling. In zulk een procedé maakt een Uranium reactor Plutonium aan terwijl een Thorium reactor dit niet doet.

 

Radioactiviteit

Een toekomst zonder kernenergie is veiliger dan met kernenergie. Die stelling komt uit de gerechtvaardigde vrees dat de door kernenergie gegenereerde radioactiviteit (radioactief afval en ontmantelde kernreactoren) onze planeet bedreigt.
Toen de potten in het laboratorium van Marie Curie (1867-1934) in de duisternis begonnen de stralen noemde zij hun inhoud “Radium”, het 88ste element van de Tabel van Mendeleev. Wanneer de stralingsbundel gekneld werd tussen twee tegengesteld geladen elektrische platen, zag Marie Curie dat die ene straal systematisch in drie stralen werd opgesplitst. Ze noemde ze respectievelijk $$alpha$$, $$beta$$ en $$gamma$$-stralen. De $$alpha$$-stralen bogen af naar de negatief geladen elektrische plaat. De $$beta$$-stralen bogen af naar de positief geladen elektrische plaat en de $$gamma$$-stralen liepen gewoon rechtdoor. Welnu die $$alpha$$, $$beta$$ en $$gamma$$-stralen maken de essentie uit van radioactieve straling. Achteraf bleken de $$alpha$$-stralen twee maal positief geladen He-kernen te zijn, De $$beta$$-stralen negatief geladen elektronen. De $$gamma$$-stralen niet geladen straling met een golflengte nog korter dan de X-stralen . Dit wist Marie Curie toen nog niet. Zij zelf en laboranten in haar laboratorium werden door deze stralen zwaar aangetast en stierven voortijdig.

Dit kreeg Marie Curie (rechts) in haar lab te zien. Wat ze nog niet wist, is dat die $$gamma$$-stralen je huid en organen vernietigen, zelfs al had je een huid van aluminium.

Wanneer een bron één radioactief deeltje per seconde uitstraalt is de intensiteit van die stroom gelijk aan 1 becquerel, dat is een eenheid van radioactieve stralingsintensiteit. $$alpha$$, $$beta$$ en $$gamma$$-stralen zijn ioniserend. Ze dringen evenwel op verschillende manieren in het menselijk (en uiteraard ook dierlijk en plantaardig) weefsel. Zo zijn $$gamma$$-stralen het meest en $$alpha$$-stralen het minst schadelijk voor het leven op Aarde. Blootstelling eraan leidt tot steriliteit en sterven aan kanker. Radioactieve straling dringt door tot in de cellen en de genen waardoor de levenden mutaties ondergaan. Een mens zou van minder schrik krijgen.

We Are Paris

Wtnschp is trotse partner in “We Are Paris”, de klimaatactie die de 2015 United Nations Climate Change Conference in een breder perspectief plaatst. In het midden van één van de belangrijkste conferenties ooit lanceren we het dossier “Energie in 2050” in de hoop beleidsmakers, activisten en het volk wetenschappelijk te informeren over energie. Voor meer van onze artikels over klimaat en klimaatverandering, neem zeker een kijkje op www.weareparis.be!