t.09.15.01- Uit de atoomfysica….

Heel dit hoofdstuk is voor de “liefhebber” (niet per sé nodig voor konsumptie van het hoofdverhaal).

• * Onderscheid tussen verval en splijting :
  • –  (radioaktief) verval is de “natuurlijke” degradatie van een instabiel atoom :  na verloop van tijd zal het overgaan in een ander atoom (onder uitzending van deeltjes en/of straling).
    • de snelheid waarmee dit gebeurt wordt uitgedrukt in de halveringstijd ,  dwz na hoeveel tijd de helft van de atomen vervallen is. Daarna duurt het weer even lang eer van de resterend helft weer de helft vervallen is. Enz.
      De halveringstijd kan varieren van minder dan een nanoseconde tot miljarden jaren !  maar is vast per isotoop van een atoomsoort.
  • –  bij splijtingsreakties wordt een atoom in stukken gebroken door rondvliegende deeltjes van andere atomen
• * Een atoom kan veranderen in een ander soort atoom
  • – door opname van deeltjes (bijv een neutron)
  • – of bij uitzending van een neutron
• Zie de voorbeelden van beide in onderstaande punten 1 t/m 4 .
• * Straling kan in alle gevallen bij deze veranderingsprocessen uitgezonden worden.
  Dit kan alpha-  ,  beta-   of   gamma-straling zijn. Zie ZZ.05 voor beschrijving

*1.           Betreffende Uranium

Er zijn 25 Uranium-isotopen (²¹⁷U , ²¹⁸U , …… ²⁴²U)
U-235 en U-233 zijn als enige splijtbaar met een kettingreaktie tot gevolg ,  dwz bruikbaar voor onze energie-voorziening.

# In de natuur komt vrijwel alleen U-238 voor. De gemiddelde samenstelling is ²³⁸U (99,27%) ,  samen met 0,72% ²³⁵U en nog wat andere U-sporen.
–  ²³⁸U is radioaktief ;  met een halfwaardetijd van 4,468.10⁹ jaar vervalt het naar ²³⁴Th onder uitzending van  α-straling. Blijft dus héél lang radioaktief….
–  Het is wel splijtbaar (door beschieting met snelle neutronen) ,  maar niet in staat een kettingreaktie te onderhouden. Maar aldus levert U-238 toch een bijdrage in de energie uit een U-reactor
–  Voor beschieting met trage neutronen ,  zie hieronder bij punt *3.

• #  In de huidige kern-reactoren wordt  U-235 verbruikt :
  • –  de halveringstijd van U-235 is 7,038.10⁸ jaar ;  dit kan je dus wel even op voorraad houden zonder veel verlies….
  • –  de splijtings-energie bedraagt 83,14.10¹² J/kg  (=23,09.10⁶ kWh/kg [ZZ.01] )
  • –  de splijtingsprodukten zijn (isotopen van) Krypton, Xenon, Strontium en Barium plus 2 of 3 neutronen ,  afhankelijk van welke splijtingsreaktie gevolgd werd. Genoeg neutronen om de splijtingsreaktie op gang te kunnen houden….

• #  Het splijtbare U-233 wordt gevormd uit Thorium !! (zie in punt *2 hierna)
  • –  na invang van een neutron is er 94% kans dat  U-233 splijt ;  naast energie komen hierbij ook 2 of 3 neutronen vrij (hangt af van in welke delen de kern splijt) ,  waarmee een kettingreaktie op gang kan worden gehouden.
  • –  met regelstaven (die meer of minder diep in de reaktie-zone binnenin de reaktor zakken) moet een deel van de neutronen worden afgevangen….
    • anders volgt een sneeuwbal-effekt :  kettingreaktie en explosie van de reaktor !
    • Maar er moeten wèl voldoende neutronen overblijven om de splijtingsreaktie op gang te houden.
• –  Vlgs [N.22] wordt in de andere 6% van de tref-gevallen  U-233  niet gespleten door opname van een neutron ,  maar veranderde, muteerde in het radioaktieve Uranium-234 ,  waarbij gevaarlijke straling vrijkwam :
  •     ²³³U  +  n         ²³⁴U  +  harde gamma-straling    
• Deze harde straling moet ter plekke worden ondervangen…..

–  Het resterende  Uranium-234 vervalt vrijwel geheel naar de radio-isotoop thorium-230, onder uitzending van alfastraling
–  De halveringstijd van U-234 is 245.660 jaar.
Dit behoort tot de kernafval en blijft blijkbaar heel lang radio-aktief !

Een U-centrale zou onveiliger zijn dan een Th-centrale. [….]
–  In een U-centrale bevinden de brandstofstaven zich in de koelvloeistof. Ze verzamelen steeds meer radioaktieve splijtingsprodukten. Van tijd tot tijd moet de reaktor stilgelegd worden (gespecialiseerd onderhoud) voor andere brandstofstaven ,  waarbij de oude eventueel naar een opwerkingsfabriek gebracht kunnen worden (transport van hoog-radio-aktief materiaal)
–  De kettingreaktie kan uit de hand lopen als de brandstofstaven en/of de regelstaven vervormen door hoge warmte-ontwikkeling en daardoor vastlopen (ze kunnen niet meer “regelen”). Dit kan een meltdown veroorzaken

*2.           Betreffende Thorium

Er zijn 29 Thorium-isotopen (²⁰⁹Th , ²¹⁰Th , …… ²³⁸Th). In de natuur komt vrijwel alleen ²³²Th voor, naast sporen van 5 andere isotopen.
Het voor ons bruikbare ²³³Th moet eerst gemaakt worden !
–  Thorium-232 is niet van zichzelf splijtbaar ,  maar verandert na chemische bewerkingen en bestraling tenslotte in Th-233). Bij de bestraling werd een neutron opgenomen (afkomstig van een geschikte Uranium- of Plutonium-soort (!) [N.09].
–  De Th-233 vervalt na een tussenstap als Protactinium-233 in het splijtbare U-233  (een Uranium !!! zie hierboven).

NB :  hieronder herhaal ik het bovenstaande met een iets vereenvoudigde schrijfwijze in de reaktie-vergelijkingen

• Uit [N.22] leid ik af :
• –  In de natuur is alleen Thorium-232 te vinden  (ten gevolge van zijn lange vervaltijd :  14.10⁹ jaar ! (zo oud is ons heelal !).
  Het geeft bij verval α-straling af [N.10])
  • • ²³²Th           He  +  ²²⁸Ra  +  α-straling
• –  De “brandstof” in Th-reaktor is ThoriumFluoride dat op hoge temperatuur als vloeistof in het reactor-circuit circuleert en zo tevens zorgt voor afvoer van de reaktiewarmte naar het stoom-circuit.
  • • Door een bombardement met langzame neutronen verandert de Th-232 in Th-233
      • ²³²Th F  +  n          ²³³Th +  …..       (??)
    • deze bombarderende neutronen zijn bij opstart van de reactor afkomstig van U-235 of Plutonium-239 . Als de splijtreaktie eenmaal op gang is, komen daarbij voldoende andere neutronen vrij voor een “ketting-reaktie”
      • (De splijting van U-233 geeft voldoende neutronen om de reactie op gang te houden, maar er was “een lucifer nodig om de haard aan te steken”)
  • Via tweemaal verval van ²³³Th (via Protactinium) ontstaat hierna het splijtbare Uranium-233
    • ²³³Th            ²³³Pa            ²³³U            (goed splijtbare Uraniumsoort !)
  • .
    • Vervaltijd  ²³³Th       is ruim 22 minuten                 (komt dus nauwelijks voor in de reactie-vloeistof)
      • en van     ²³³Pa      is ruim 27 dagen                     (komt met mate voor in de vloeistof)
      •     en van  ²³³U      is         1,6 . 10⁵ jaar                    (kan dus wel “even” bewaard worden !)
• .
• (ik veronderstel dat bovenstaande processtappen niet verliesvrij zijn ,  niet 100% ideaal)
• Dus het is niet de Thorium-232 zelf die splijt ,  maar de daaruit tenslotte gevormde Uranium-233
• Zie verder hierboven bij U-233

*3.   Betreffende Plutonium

• Informatiebron :  https://nl.wikipedia.org/wiki/Plutonium
• Doordat de halveringstijd van alle Plutonium-isotopen korter is dan onze aarde bestaat ,  komt het in de natuur nauwelijks voor (vnl. als restant van kernproeven !)
• Het wordt gevormd uit U-238
  • ” Bij de kernsplijting van uranium-235 in een reactor komen 2 tot 3 neutronen vrij ,  die door Uranium-238 geabsorbeerd kunnen worden ”
  • ” Uranium-238 is in principe wel splijtbaar,  maar -in tegenstelling tot Uranium-235- niet in staat een kettingreactie van kernsplijtingen in gang te houden. Het kan wèl een traag neutron invangen ”
• Neutronen worden afgeschoten op uranium-238-kernen, waardoor naast andere isotopen ook Uranium-239 ontstaat. Dit proces verloopt vlot. Het ontstane Uranium-239 is zeer onstabiel (halveringstijd van ongeveer 23,5 minuten) en vervalt via dubbel β⁻-verval tot plutonium-239 . Dit verval verloopt via Neptunium-239:

• – Pu-239 kan wèl een kettingreaktie van kernsplijtingen in stand houden.
• Een deel van deze gevormde Pu-239 zal splijten en bijdragen in de door ons gewenste energieopbrengst (tot wel 1/3 van de opbrengst in een LWR).
• – Per atoom is de splijtingsenergie van Pu-239 ongeveer net zo veel als van U-235.
  • ” The most common plutonium isotope formed in a typical nuclear reactor is the fissile Pu-239, …… , and which when fissioned yields much the same energy as the fission of U-235 “
• –  De bijdrage van Pu-239 blijkt afhankelijk van het type kernreaktor. Zie ook hfdst. t 06.01.02
• –  Plutonium komt voor in afgewerkte brandstofstaven ,  zie Apx.09.09.03
• –  Plutoniumverbindingen zijn giftig zoals andere zware metalen ,  maar de stralingstoxiciteit van plutoniumstof is riskanter

*4.   Betreffende kernfusie

• Uit [N.18] haal ik :
• –  Deuterium en Tritium geven na fusie een Helium-atoom plus een neutron + energie
  • ²H  +  ³H        ⁴He  +  n  +  E(nergie)
    • –  Deuterium komt voor als 0,015% van alle waterstof atomen. Te winnen door herhaalde destillatie van water waarbij het zwaar-water achterblijft (kookt bij iets hogere T) 
    • –  Tritium komt in de natuur nauwelijks voor, maar kan worden gekweekt in de Lithium-schil rondom het fusie-reaktorvat  (dit schild helpt tegelijk de rondvliegende neutronen op te vangen, dus is deel van afscherming.
    • ⁶Li  +  n         ⁴He  +  ³H       (het lichtste metaal geeft twee gassen !)
      • Opm :  er verdwijnt dus Lithium uit de schil. Zie hieronder bij Lithium
      • Het neutron dat uit Li de ³H moet produceren is afkomstig uit de fusie van één set ²H  +  ³H . Dan mag er geen neutron verloren gaan, anders blijft de produktie van ³H niet op gang , en zal het fusie-proces uitdoven. Er is daarom een kettingreaktie in het Lithium nodig ; schijnt mogelijk te zijn , maar lastig [N.17]
  • (Tritium wordt ook gevormd in een gewone kernreaktor. Hoe? weet ik niet, maar dit kan dus tritium voor kernfusie-opstart geven)
• –  Vrijkomende energie :
• In bovenstaande fusie-reaktie-vergelijking bedraagt de vrijkomende fusie-energie
  • E = 17,6 MeV (Mega-elektronvolt)
    • ( 1 elektronvolt is een heel kleine hoeveelheid energie :  1 eV = 1,602 176 565 × 10⁻¹⁹ J )
  • Per gefuseerd stel atomen is de vrijkomende energie dus bijna  28,2.10^-13 J
• –  De atoommassa van tritium is  3,01605u
  • Dus in 1 gr Tritium zitten  N_A / 3,01605 = 6,022140857.10²³ / 3,01605 = 1,99669795.10²³ atomen
• –  Die 1 gram Tritium zal bij fusie dan   56,3068822.10¹⁰ J aan energie geven   (1,99… x 28,2….)
•                             afgerond  56,3.10¹⁰ J
•                             ofwel        15,64.10⁴ kWh

• Lithium
• –  Een centrale van 1 GW produceert jaarlijks 7.10⁹ kWh   (~80% bezettingsgraad is sinds jaar en dag praktijk bij nucleaire centrales)
• Theoretisch is daarvoor nodig  0,44757.10⁵ gram Tritium    (7…/15,64…)
  •                             ofwel          44,76 kg
  • Het gaat om een thermische centrale waarvoor ik het rendement vooralsnog op ca 35% schat (net als bij andere kencentrales) ;  dus reken op minstens 128 kg Tritium per jaar
• –  1 Tritium-atoom  wordt gevormd uit  1 Lithiumatoom waar 1 neutron in gevangen wordt [N18]
  • De atoommassa van Li is 6,941u (en 1 Lithium geeft 1 Tritium)
  • Voor elke gram Tritium is dan  2,30135 gram Lithium nodig    (6,941 / 3,01605) , waarbij ook ca 1,3 gram He gevormd wordt
• Dus is er in die centrale theoretisch ook 294 kg Lithium nodig voor de fusie . Het zou me verbazen als alle Tritium ingevangen werd, dus zal er meer Lithium nodig zijn (350….400 kg ?)
  • Met soortelijke massa 0,534kg/dm³ is dit wat minder dan 0,6m³ Li . Maar toch zul je in de konstruktie van de reaktor wel rekening moeten houden met vervangbaarheid van de Lithium-schil-elementen

–  Voor  3000GW aan kernfusie-centrales (wsl. genoeg voor ca 6% van de wereld-energiebehoefte aan het eind van deze eeuw) zou jaarlijks theoretisch zeker 900 ton Li nodig  (in de praktijk 1300 ton ?)
Valt niet tegen in verhouding tot de rest van ons Lithium-gebruik !
–  De wereldvoorraad Lithium werd in 2018 namelijk geschat op 53 miljoen ton
Deze wordt tegenwoordig vooral aangesproken om te voorzien in de behoefte aan batterijen en accu’s (ca 45000 ton/jr)