Kernenergie is een thema waar altijd al veel gedoe over geweest is. Op het eerste gezicht lijkt kernenergie een erg milieuvriendelijke manier om elektriciteit op te wekken, aangezien een kerncentrale geen schadelijke uitlaatgassen produceert. In een kerncentrale kan er ook ontzettend veel energie opgewekt worden met slechts een klein beetje brandstof. Het probleem is dat een kerncentrale wel degelijk afval produceert, dat nog een paar eeuwen schadelijke radioactieve straling blijft uitzenden. In andere artikelen op www.sciencespace.nl kun je meer lezen over Radioactief Afval of over de gevolgen van straling op je gezondheid. In dit artikel lees je hoe een kerncentrale energie produceert.
Het proces waarmee de energie in een kernreactor uit de brandstof (in de meeste gevallen uranium) haalt, is het proces van de kernsplijting. Hoe dat proces werkt, kun je lezen in dit artikel over kernsplijting. Het principe dat daar beschreven wordt, wordt toegepast in een kernreactor. De brandstof van een kernreactor bestaat uit uranium (zie figuur 1).
Figuur 1: Een blok uranium. Bron: wikipedia
Op dat uranium worden losse neutronen afgeschoten. Een neutron splijt een uraniumkern. Daaruit ontstaan, naast een boel energie, twee neutronen die elk weer een uraniumkern splijten. Daaruit ontstaan er weer vier, en daarna acht, en dan 16, 32, 64 en… Hooo! Stop!
Moderatie
Als een reactie op die manier ongeremd doorgaat, loopt de boel uit de hand. Voor dat proces bestaat er een veel minder mooie toepassing, en die heet atoombom. Maar als je op een veilige manier energie wilt opwekken moet je ervoor zorgen dat er uit elk gesplitst atoom maar één nieuw neutron ontstaat dat zelf weer een nieuwe kern splijt. Om dat te doen moet je dus een deel van de neutronen die ontstaan, 'afvangen'. Daarvoor zijn er in een kernreactor de regelstaven: dat zijn staven van bijvoorbeeld cadmium of boor waar neutronen in blijven ‘hangen’. Door die staven verder de reactor in te schuiven, vang je meer neutronen af en vertraag je de kettingreactie, en door ze weg te halen versnel je de reactie dus. Met de regelstaven kan dus gezorgd worden dat het proces aan de gang blijft, en niet ontploft of stopt.
Dan is er nog een klein probleem: het kan ook gebeuren dat een neutron te snel gaat om een splijting te veroorzaken (kijk nog maar eens naar de animaties op www.natuurkunde.nl ). Ontstaande neutronen moeten dus afgeremd worden tot een bepaalde snelheid, anders zijn ze verder nutteloos. Dat proces heet moderatie. Voor het afremmen van de neutronen wordt vaak koolstof of zwaar water (water waarbij elk waterstofatoom een extra neutron heeft; een isotoop van waterstof dus) gebruikt.
Figuur 2: een kettingreactie van kernsplijtingen.
Toelichting bij de illustratie
Je ziet een neutron een uraniumatoom splijt, waarbij er twee neutronen onstaan en energie vrijkomt. Die twee neutronen splijten dan elk weer een uraniumatoom, zodat er weer vier neutronen ontstaan. Deze vier neutronen splijten ook elk weer een uraniumatoom en dan heb je er al acht. Daarna gaat het verder naar 16, 32, 64, .....
Omzetten in stroom
Hoe wordt de energie die vrijkomt bij het proces van de kernsplijting dan omgezet in elektriciteit? Dat gebeurt op dezelfde manier als in een normale gas- of kolencentrale. De warmte die vrijkomt bij de kernsplijting wordt gebruikt om water aan de kook te brengen. De stoom van dat water drijft dan via een turbine een generator (een grote dynamo) aan die stroom opwekt. In figuur 3 wordt dit misschien wat duidelijker.
Figuur 3: Schematisch overzicht van een kernreactor.
Toelichting bij de illustratie
De nummers: 1: reactorvat, 2: Splijtstofelementen (uranium), 3: regelstaven, 4: aandrijving van de regelstaven, 5: buis voor waterdamp, 6: turbine, 7: warmtewisselaar (voor de afkoeling van de waterdamp, 8: generator (aangesloten op 9: elektriciteitsnet), 10: koelwater, 11: pomp voor koelwater, 12: pomp voor heet water, 13: toevoer van afgekoeld water aan het reactorvat. Dit is een wat versimpelde afbeelding, afkomstig van http://nl.wikipedia.org/wiki/Boiling_water_reactor.
Toepassingen
Zoals gezegd wordt kernenergie veel gebruikt om elektriciteit voor het elektriciteitsnet mee op te wekken. In Nederland komt slechts 4% van de totale energiebehoefte uit kernenergie, en wel uit de kerncentrale in Borssele. Tot 1997 stond er ook een kerncentrale in Dodewaard, maar die is gesloten. In sommige andere landen is dit percentage veel hoger: in Duitsland is het 22%, in Frankrijk zelfs 87%.Verder wordt kernenergie vaak gebruikt in schepen en onderzeeërs, omdat een kernreactor lekker weinig brandstof mee hoeft te nemen.
Figuur 4: de kerncentrale van Grohnde in Duitsland. De grote torens links zijn de koeltorens, waar de waterdamp afgekoeld wordt (vandaar de grote wolken waterdamp). In het ronde gebouwtje rechts zit de reactor. Bron: de.wikipedia.org.