Een kleine 200 jaar na zijn ontdekking speelde uranium een hoofdrol in de Tweede Wereldoorlog. Vandaag wordt het radioactieve erts gebruikt voor een vredevoller doel: de wereld voorzien van energie. Al is het ook nu geen peis en vree: zo voeden kernreactoren nog steeds kernwapens en laten we voor miljoenen jaren afval achter.

 

Uraniums boekhouding

We nemen me je mee naar de tabel van Mendeleev, meer specifiek naar atoomnummer 92: Uranium. Uranium bezit geen stabiele isotopen en is dus radioactief. In de natuur komen kleine hoeveelheden van de isotopen $$^{234}$$U en $$^{235}$$U voor. Het isotoop $$^{238}$$U komt met 99,27% het meest voor op onze planeet en heeft 4,6 miljard jaar om de helft van haar radioactiviteit te verliezen. Dat wil zeggen dat zijn aanwezigheid dus nog maar met 50% is afgenomen. Alle andere isotopen hebben sindsdien hun radioactiviteit al (zo goed als) verloren. Als ze opnieuw worden aangemaakt begint hun radioactiviteit echter opnieuw met zijn volle intensiteit. Een zware atoomkern kan gespleten worden door het op te zadelen met een “langzaam” neutron. Al te snelle neutronen vliegen aan de kern voorbij en worden niet opgenomen door de kern. Het isotoop $$^{234}$$U is niet splijtbaar, $$^{235}$$U wel. Dit isotoop vertegenwoordigt maar 0.7% van alle Uranium. Om een efficiënte kernsplijting op gang te krijgen moet het natuurlijke mengsel van $$^{234}$$U , $$^{235}$$U en $$^{238}$$U verrijkt worden met een $$^{235}$$U. En wel zo dat $$^{235}$$U voor 3% aanwezig is in het Uranium mengsel. Als een “langzaam” neutron doordringt tot de kern van “$$^{235}$$”U , wordt het $$^{236}$$U:

Uraniumerts

begin{equation} _{92}^{235}mathrm{U} + _{0}^{1}mathrm{n} rightarrow _{92}^{236}mathrm{U} label{U235} end{equation}
Een neutron dringt dus in $$^{235}$$U dat hierdoor $$^{236}$$ U wordt. Dit isotoop is niet stabiel en spat, bijvoorbeeld, uiteen in $$_{36}^{92}$$Kr (Krypton) en $$_{56}^{141}$$Ba (Barium), zoals hiernaast in de afbeelding. Hierbij gaan er geen protonen verloren, maar worden er wel 3 neutronen met een grote snelheid weggeslingerd, om zo het behoud van het aantal neutronen te respecteren ($$92 (mathrm{Kr} )+ 141( mathrm{Ba})$$ + 3 weggeslingerde neutronen).
De gesommeerde massa van het Barium en Krypton is kleiner dan die van $$_{92}^{236}$$ U en er wordt dus een grote hoeveelheid energie vrijgemaakt. Opnieuw dankzij het Einstein beginsel: $$Delta mathrm{E} = Delta mathrm{m} times mathrm{c^{2}}$$: begin{equation} _{92}^{235}mathrm{U} + _{0}^{1}mathrm{n} rightarrow _{92}^{236}mathrm{U} rightarrow _{56}^{141}mathrm{Ba} + _{36}^{92}mathrm{Kr} + 3 _{0}^{1}mathrm{n} + mathrm{veel} mathrm{energie} label{U236+Energie} end{equation} Waardoor de hele boekhouding van (massa + energie) weer helemaal klopt!

Kernreactie

Voor het opstarten van deze kernreactie gebruik je dus één (langzaam) neutron maar krijg je drie (snelle) neutronen cadeau. Als die snelle neutronen vertraagd worden, kunnen ze opnieuw gebruikt worden in een kernreactie. Dit is de eerste voorwaarde voor het opstarten van een kettingreactie. Laten we botsende neutronen “projectielen” noemen en de $$_{92}^{235}$$U-kernen “doelen”. Om de kettingreactie op te starten moeten er dan niet alleen voldoende projectielen zijn maar ook voldoende doelen. In reactie zoals op de afbeelding hierboven worden er voldoende projectielen geproduceerd. Dit grote aanbod van snelle neutronen moet wel eerst vertraagd worden. Voldoende doelen zijn er alleen als er een kritische massa van $$_{92}^{235}$$U aanwezig is. Die kritische massa bedraagt ongeveer 15 kg. De Uranium kernreactor kan alleen super-kritisch draaien. Om continu te blijven draaien moet er in de kernreactor daarenboven veel meer dan de kritische hoeveelheid beschikbaar zijn. Dit betekent dat bij het eerste het beste technische falen de kettingreactie niet kan stilgelegd worden en het “China syndroom” wordt ingezet. Weliswaar niet tot er een gat dwars door de aarde wordt geboord van Doel tot in China zoals in de 70’s film, maar wel tot alle $$_{92}^{235}$$ U opgebruikt is. Met het bereiken van de kritische massa kunnen reacties zoals ik in deze blog beschrijf hun vrije loop gaan en heeft men een atoombom waarvoor men niet méér nodig heeft dan de kritische massa. Men kan anderzijds zorgen voor gecontroleerde kettingreacties die een gelijkmatige energieproductie opwekken en onderhouden. In dat geval heeft men een kernreactor.

Een kernreactie waarbij Krypton en Barium wordt gevormd is echter maar één van de vele mogelijke uitkomsten. De gevormde splijtstoffen worden immers volgens wetten van het toeval gevormd. Hierbij wordt wel gehoorzaamd aan de wetten op behoud van lading en (massa + energie). In werkelijkheid worden alle kernen gevormd in het interval 75-165 voor de atoommassa. Dit zie je gebeuren in de afbeelding hieronder. Hierin zien we dat de splitsing in $$^{141}$$ Ba + $$^{92}$$ Kr een grote waarschijnlijkheid heeft, terwijl de splitsing in twee kernen met gelijke massa (allebei A = 118 en 2 x 118 = 236) het minst vaak voorkomt.

“Met het bereiken van de kritische massa kunnen reacties zoals ik in deze blog beschrijf hun vrije loop gaan en heeft men een atoombom waarvoor men niet méér nodig heeft dan de kritische massa. Men kan anderzijds zorgen voor gecontroleerde kettingreacties die een gelijkmatige energieproductie opwekken en onderhouden. In dat geval heeft men een kernreactor.”

Die kernen worden soms verder gebruikt. In de nucleaire geneeskunde, bijvoorbeeld. Maar de grote meerderheid is afval: kernafval. En daar zitten toch al radioactieve kleppers bij zoals bij Cesium: $$_{55}^{137}$$ Cs en $$_{55}^{135}$$ Cs. $$_{55}^{137}$$ Cs verliest de helft van zijn radioactiviteit na 30 jaar, terwijl $$_{55}^{135}$$ Cs er een volledig onhandelbare van 2,3 miljoen jaar over doet. Als je dus een radioactief vat met $$_{55}^{135}$$ Cs in een verlaten koolmijn in Limburg opbergt en je komt na 2,3 miljoen jaar eens kijken of alles nog O.K. is dan zie je tot je voldoening dat de radioactiviteit van het vat toch al met 50% is gedaald. Zulk een uiting van kwade trouw en waanzin van sommigen dient alleen het eigenbelang van diezelfde sommigen voor een heel korte termijn.

Plutonium

De splitsing van $$_{92}^{236}$$ U lukt maar in 5 gevallen op 6. In 1 geval op 6 gaat de splijting niet door en worden de botsende neutronen opgenomen om kernen te kweken die nog zwaarder zijn dan Uranium. De botsing van $$_{92}^{235}$$ U met $$_{0}^{1}$$ n levert dus 16% transuraan afval op. Wanneer $$_{92}^{236}$$ U niet gesplitst wordt, maken de neutronen aanzienlijke hoeveelheden $$_{92}^{238}$$ U aan. Dit isotoop wordt gretig gebruikt om een hele rij isotopen van Plutonium aan te maken. In dit proces worden zeker bij splijting nieuwe neutronen aangemaakt die de kettingreactie weer wat beter leefbaar maken. Maar boven alles is het hierbij gekweekte Plutonium van groot belang voor het fabriceren van kernwapens.

“Dit isotoop wordt gretig gebruikt om een hele rij isotopen van Plutonium aan te maken. In dit proces worden zeker bij splijting nieuwe neutronen aangemaakt die de kettingreactie weer wat beter leefbaar maken. Maar boven alles is het hierbij gekweekte Plutonium van groot belang voor het fabriceren van kernwapens.”

De Uranium reactor kweekt veel Plutonium dat gebruikt wordt voor atoomwapens. Isotopen gevormd door het invangen van een neutron komen na horizontale pijlen. Isotopen gevormd na radioactief verval van een neutron tot een proton plus een elektron ($$beta$$-deeltje) na verticale pijlen.

Voor wat het zwaar kernafval betreft levert de reactie $$_{94}^{239}$$ Pu + $$_{0}^{1}$$ n 50% transuraan afval en de reactie $$_{94}^{241}$$ Pu + $$_{0}^{1}$$ n 25% Opgeteld bij 16% transuraan afval bij $$_{92}^{235}$$ U + $$_{0}^{1}$$ n levert dit een gigantische hoeveelheid radioactief afval met de meest massieve elementen van de Tabel van Mendeleev.

Wat doen we met al dat kernafval?

Het mag dan al zijn dat de kritische massa aan $$_{92}^{235}$$ U slechts 15 kg bedraagt, de voorraad aan $$_{92}^{235}$$ U loopt op tot honderden tonnen per kernreactor. De hoeveelheid geproduceerd afval is dan ook gigantisch. Tussen 1946 en 1982 hebben de Verenigde Staten en verschillende Europese landen radioactief afval gedumpt in de Stille en Atlantische Oceaan. Het afval werd verpakt in betonnen vaten. Op een dump-site ongeveer 800 kilometer ten zuidwesten van Land’s End (een stukje Atlantische kust van Cornwall) is tussen 1971 en 1982 een overweldigende 74.525 ton afval gedumpt dat in totaal 47,5 peta (peta = $$10^{15}$$) becquerel radioactiviteit bevatte. In 1995 waren veel van deze vaten lek. Water, sediment en zeeleven werden grondig verontreinigd. De Sovjet-Unie heeft tussen 1959 en 1990 veel radioactief materiaal gedumpt op het eiland Nova Zembla, in de Karazee en in de Japanse Zee voor de haven van Vladivostok. Het radioactief materiaal was verpakt in containers. Ook reactoren van ijsbrekers en onderzeeboten zijn gedumpt. In de Noordelijke IJszee liggen minstens 16 reactoren waarvan 6 met brandstofstaven. In het Verre Oosten zijn de Japanse Zee en Kamtsjatka gebruikt als stortplaats voor kleinere hoeveelheden met minder radioactief materiaal. Met het Verdrag van Londen werd in 1975 het in zee storten van hoogactief afval verboden. Op het storten van laag actief afval kwam in 1983 een internationaal moratorium. Uiteindelijk is er op 20 februari 1994 een wereldwijd verbod gekomen op het dumpen van radioactief materiaal in zee. Maar waar het nu allemaal staat, staat het hoogst onveilig.

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!