Een kernsplijtingsreactie vindt plaats wanneer de atomen van een onstabiel element worden gebombardeerd met neutronen, waarbij de kern van elk atoom in kleinere delen wordt gesplitst. Als de splitsing van elke kern meerdere hogesnelheidsneutronen vrijgeeft die vervolgens meer kernen van het element kunnen splitsen, vindt er een kettingreactie plaats. Naarmate de extra neutronen meer kernen splitsen, komt er meer energie vrij en kan de kettingreactie resulteren in een explosie zoals die van een atoombom. Als de kettingreactie wordt gecontroleerd door een deel van de extra neutronen te verwijderen, komt er nog steeds energie vrij in de vorm van warmte, maar een explosie kan worden vermeden. De nucleaire kettingreactie is een van de drie soorten kernreacties die verschillende kenmerken hebben en op verschillende manieren kunnen worden gebruikt.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Een nucleaire kettingreactie is een splijtingsreactie waarbij extra neutronen vrijkomen. De neutronen splitsen extra atomen, waardoor nog meer neutronen vrijkomen. Naarmate het aantal uitgezonden neutronen en het aantal gesplitste atomen exponentieel toeneemt, kan een nucleaire explosie het gevolg zijn.
De drie soorten kernreacties
De kern van een atoom slaat veel energie op die nuttig kan zijn. De drie soorten kernreacties waarbij kernenergie wordt gebruikt, zijn straling, splijting en fusie. Medische en industriële röntgenapparaten gebruiken straling van radioactieve elementen om afbeeldingen van het lichaam of in testmaterialen te maken. Energiecentrales en kernwapens gebruiken kernsplijting om energie te produceren. Kernfusie drijft de zon aan, maar wetenschappers zijn er niet in geslaagd een langetermijnreactie op kernfusie op aarde tot stand te brengen, hoewel de inspanningen worden voortgezet. Van deze drie soorten kernreacties kan alleen splijting een kettingreactie veroorzaken.
Hoe een nucleaire kettingreactie begint
De sleutel tot een nucleaire kettingreactie is ervoor te zorgen dat de reactie extra neutronen genereert en dat de neutronen meer atomen splitsen. Omdat het element uranium-235 voor elk gesplitst atoom meerdere neutronen produceert, wordt deze isotoop van uranium gebruikt in kernreactoren en in kernwapens.
De vorm en massa van het uranium zijn van invloed op het al dan niet plaatsvinden van een kettingreactie. Als de massa van uranium te klein is, worden te veel van de neutronen uitgestoten buiten het uranium en gaan ze verloren voor de reactie. Als het uranium de verkeerde vorm heeft, bijvoorbeeld een vlakke plaat, gaan er ook te veel neutronen verloren. De ideale vorm is een vaste massa die groot genoeg is om de kettingreactie te starten. In dit geval raken de extra neutronen andere atomen en leidt het vermenigvuldigingseffect tot de kettingreactie.
Een nucleaire kettingreactie beheersen of stoppen
De enige manier om een nucleaire kettingreactie te beheersen of te stoppen, is door te voorkomen dat de neutronen meer atomen splitsen. Regelstaven gemaakt van een neutronenabsorberend element zoals boor verminderen het aantal vrije neutronen en halen ze uit de reactie. Deze methode wordt gebruikt om de hoeveelheid energie die een reactor produceert te beheersen en ervoor te zorgen dat de kernreactie onder controle blijft.
In een kerncentrale worden de regelstaven omhoog en omlaag gebracht in de uraniumbrandstof. Wanneer ze volledig zijn neergelaten, zijn alle staven omgeven door brandstof en absorberen ze de meeste neutronen. In dat geval stopt de kettingreactie. Naarmate de staven omhoog worden gebracht, absorbeert minder van elke staaf neutronen en versnelt de kettingreactie. Op deze manier kunnen de operators van de kerncentrale de nucleaire kettingreactie controleren en stoppen.
Problemen met nucleaire kettingreacties
Hoewel nucleaire kettingreacties in elektriciteitscentrales over de hele wereld aanzienlijke hoeveelheden elektrische energie leveren, hebben kerncentrales twee hoofdproblemen. Ten eerste is er altijd een risico dat het controlesysteem op basis van regelstaven niet werkt door technische storingen, menselijke fouten of sabotage. In dat geval kan er sprake zijn van een explosie of het vrijkomen van straling. Ten tweede is gebruikte brandstof zeer radioactief en moet deze duizenden jaren veilig worden opgeslagen. Dit probleem is nog steeds niet opgelost en gebruikte brandstof blijft in de meeste gevallen bij verschillende kerncentrales. Als gevolg hiervan is het praktische gebruik van nucleaire kettingreacties in veel landen afgenomen, ook in de Verenigde Staten.