B egrijpen K3.4 Kernsplijting en kernfusie Kern- en deeltjesprocessen
A
30
Bij het proces van waterstoffusie worden dus vier waterstofkernen ( 11 H ) omgezet in één heliumkern ( 42 He ). Daarbij ontstaan behalve de twee positronen ( 01 e ) ook nog twee, niet in de reactievergelijking weergegeven, neutrino’s. Bij het proces van waterstoffusie wordt waterstof omgezet in helium. Naarmate een ster ouder wordt en er door waterstoffusie meer helium is ontstaan, komen ook andere kernfusieprocessen op gang. Dat begint met heliumfusie, waarbij drie heliumkernen fuseren tot één koolstofkern. Daarna volgt koolstoffusie: twee koolstofkernen fuseren tot een neonkern, waarbij ook nog een heliumkern ontstaat. Tijdens het proces van koolstoffusie kan de temperatuur oplopen tot ongeveer 109 K. Bij die temperatuur fuseert het gevormde neon tot nog zwaardere elementen.
31
A
Kern- en deeltjesprocessen K3.4 Kernsplijting en kernfusie B egrijpen
BB Door het invangen van een neutron kan een zware atoomkern splijten. Daarbij
ontstaan twee lichtere kernen (de splijtingsproducten) en enkele neutronen. Bij zo’n kernsplijtingsreactie komt energie vrij. BB Doordat bij een kernsplijting enkele neutronen vrijkomen, kan een kettingreactie optreden: elke kernsplijting veroorzaakt één of meer volgende kernsplijtingen. Hier voor moet de massa van de splijtstof gelijk aan of groter zijn dan de kritische massa. BB Bij een ongecontroleerde kettingreactie veroorzaakt elke kernsplijting meer dan één volgende kernsplijting. Bij een gecontroleerde kettingreactie veroorzaakt elke kernsplijting gemiddeld één volgende kernsplijting. BB Bij voldoend hoge temperatuur en druk, zoals in het inwendige van een ster, kunnen lichte atoomkernen fuseren tot zwaardere atoomkernen. Bij zo’n kernfusiereactie komt energie vrij.
S T E R R E N S TO F Het zwaarste element dat door kernfusie in sterren wordt gevormd is ijzer. Elementen zwaarder dan ijzer worden in een ster gevormd door neutronenvangst. Bij dit proces wordt een neutron door een kern geabsorbeerd, gevolgd door β−-verval van de nieuw gevormde kern. Een voorbeeld is de vorming van een kobaltkern uit een ijzerkern: 56 1 26 Fe + 0 n
57 0 → 57 26 Fe → 27 Co + −1 e
De gevormde kobaltkern kan door neutronenvangst gevolgd door β−-verval op zijn beurt weer veranderen in de kern van een nog zwaarder element. Door het optreden van kernfusie, neutronenvangst en β−-verval doet het inwendige van een ster dienst als broedplaats van nieuwe elementen. Aan het eind van haar leven blaast een zware ster zichzelf op. Er is dan sprake van een supernova: een plotseling opvlammende ‘nieuwe’ ster (zie de pijl in figuur 45 rechts). Bij deze explosie wordt een groot deel van de stermassa het heelal in geslingerd. Op deze manier worden de gevormde elementen zoals koolstof, ijzer, kobalt over het heelal verspreid. In een later stadium kunnen deze elementen weer bijdragen aan de vorming van nieuwe sterren en planeten.
40 Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e f
Kernsplijting is hetzelfde als radioactief verval. Bij een kettingreactie van kernsplijtingen neemt de per seconde vrijkomende energie altijd explosief toe. Bij een gecontroleerde kettingreactie zorgt elk bij een kernsplijting vrijkomend neutron voor gemiddeld één nieuwe kernsplijting. De splijting van een kern U-235 verloopt altijd op dezelfde manier. Als de massa van een hoeveelheid U-235 kleiner is dan de kritische massa, kunnen in dat materiaal geen kernsplijtingen optreden. Bij kernfusie is altijd sprake van een gecontroleerde kettingreactie.
41 Na absorptie van een neutron kan een zware atoomkern uiteenvallen in twee middelzware atoomkernen. Daarbij komt energie vrij. Maar het vrijkomen van alleen energie maakt een element met zware atoomkernen nog niet geschikt als splijtstof in een kerncentrale. a Welke isotoop wordt gebruikt als splijtstof in een kerncentrale? b Leg uit wat deze isotoop geschikt maakt als splijtstof.
42 Waardoor zijn neutronen, beter dan bijvoorbeeld protonen, geschikt voor het veroorzaken van kernreacties? Figuur 45 De supernova SN 1987 A (rechts). Een paar
43 Bij de splijting van U-235 komen gemiddeld 2,5 neutronen per splijtingsreactie
dagen voor deze sterexplosie is op die plaats ´slechts´
vrij. Stel dat dit gemiddeld slechts 1,5 neutronen zouden zijn. Is een kettingreactie dan nog mogelijk? Zo ja, wat zou er dan anders zijn?
een gewone ster zichtbaar (links).
Uit een zich samentrekkende gas- en stofwolk ontstonden ongeveer 5 miljard jaar geleden de zon en haar planeten, waaronder de aarde. De gas- en stofwolk was afkomstig van geëxplodeerde, oudere sterren in het heelal. De aarde en al het leven dat zich daarop bevindt, inclusief ons eigen lichaam, bestaat dus uit sterrenstof: atomen van elementen die ooit door kernfusie, neutronenvangst en β−-verval in het inwendige van die oude sterren zijn ontstaan.
44 Bij de splijting van U-235 komen gemiddeld 2,5 neutronen per splijtingsreactie vrij. Voor de splijting van Pu-239 is dat 2,7 neutronen. Voor welke van deze twee elementen is de kritische massa het kleinst?
45 Bij één van de splijtingsreacties van U-235 ontstaan de splijtingsproducten Xe-140 en Sr-94. Deze splijtingsproducten zijn radioactief. a Welke soort kernstraling zenden deze splijtingsproducten uit? b Geef voor beide splijtingsproducten de vervalvergelijking. Neem in deze vervalvergelijkingen onder de reactiepijl ook de halveringstijd op.