Streven. Jaargang 17

[p. 167]

Wetenschappelijke kroniek
De fysica van de kernreactor
P.G. van Breemen S.J.

ER zijn nu meer dan twintig jaar verlopen sedert Enrico Fermi op 2 december 1942 om half vier in de namiddag onder de tribunes van het stadion van de Universiteit van Chicago de eerste zichzelf-in-stand-houdende kettingreactie inwerking zette en daarmee de energie-bron van de atoomkern aanboorde. In die twintig jaar is er intensief geëxperimenteerd met deze nieuwe vorm van energie. De overspannen verwachtingen die sommigen koesterden kort na het bekend worden van de ontdekking, hebben plaats gemaakt voor een ervaring getoetste, nuchtere kennis van zaken en een op ervaring gebaseerde, verantwoorde prognose. Deze ervaring werd aanvankelijk alleen opgedaan met proef-installaties, die nog geen praktisch bruikbare energie leverden. Een tweede fase begint echter in oktober 1956, toen te Calder Hall in Noord-Engeland de eerste kern-energie-centrale werd aangesloten op het nationale elektriciteitsnet. De Engelsen waren daarmee de eersten, die naast de klassieke bronnen van elektrische energie ook kern-energie gebruikten voor de normale stroom-voorziening. Het vermogen van Calder Hall was eind 1956 65 à 70 megawatt (MW) en werd binnen enkele jaren opgevoerd tot 160 MW¹⁾. De kosten van de stroom uit deze kern-energie-centrale waren aanzienlijk hoger dan van de stroom die langs conventionele weg werd opgewekt. Ondertussen zijn ong. 50 kerncentrales gebouwd in 10 verschillende landen met een totaal vermogen van ong. 4500 MW. Grotere ervaring en nieuwere technieken hebben de kostprijs steeds verder naar beneden gedrukt, en op het ogenblik kan men zeggen, dat de kernenergie voor de drempel staat van de economische concurrentie. Hiermee breekt dan de derde fase aan in de geschiedenis van de kern-energie: de weg naar een zelfstandige, niet-gesubsidieerde industriële ontwikkeling komt open te liggen. Uiteraard hebben de landen met een zekere ervaring op dit gebied een voorsprong op een land als Nederland, waar de eerste kern-energie-centrale nog gebouwd moet worden. Een andere faktor, die de concurrentie-mogelijkheden van de kern-energie bepaalt, is de prijs van de conventionele brandstoffen (met name steenkool, stookolie en evt. aardgas) ter plaatse; dat wil dus praktisch zeggen, dat op plaatsen ver van kolenmijnen, olievelden en aanvoerhavens de kern-energie het eerst de economische drempel zal overschrijden; de concurrerende zone zal zich dan geleidelijk verder uitbreiden. Om een extreem voorbeeld te noemen: de kernreactor van het krachtstation bij McMurdo Sound op de ijskap van de Zuidpool, die op 4 maart 1962 in werking werd gesteld, is beslist voordeliger

1) Ter vergelijking zij vermeld, dat de grootste elektriciteitscentrale in Nederland, de centrale Noord te Amsterdam, een vermogen heeft van 200 MW; de totale capaciteit van de elektriciteitsproduktie in Nederland bedraagt anno 1963 4500 MW.

[p. 168]

dan welke conventionele centrale ook. Wat de normalere omstandigheden betreft: voor een aantal gebieden in West-Europa verwacht men de economische doorbraak tussen 1965 en 1967; tegen 1970 zou deze doorbraak in de gehele EEG een feit zijn; aldus een recent rapport gepubliceerd door de Hoge Autoriteit van de Europese Gemeenschap voor Kolen en Staal. Voor de Verenigde Staten verwacht de Atomic Energy Commission, het machtige officiële orgaan dat de ontwikkeling van de kern-energie in Amerika leidt, dat voor een aantal gebieden in de V.S., die tesamen een belangrijk deel van de elektrische energie van het land verbruiken, de kernreactor spoedig concurrerend zal zijn; en dat dit in de zeventiger jaren in het grootste deel van de V.S. het geval zijn (aldus in een rapport aan president Kennedy, die om een ‘new and hard look’ op de rol van de kernenergie in de Amerikaanse economie had gevraagd).

Deze verwachtingen zijn gebaseerd op nauwkeurige studies; uiteraard komen er een aantal onzekere factoren in voor; deze betreffen echter op de eerste plaats het toekomstige prijsverloop van steenkool en olie. Voor de kernenergie ligt de prijs van de brandstof (beter: splijtstof) ook niet vast (vertoont in feite een dalende lijn), maar dit prijsverloop heeft slechts een geringe invloed op de eindprijs van de elektrische of mechanische energie; de prijs van een kilo-watt-uur uit een kern-centrale wordt voornamelijk bepaald door de bouwkosten van de reactor en de centrale. Ten aanzien van een aantal typen kernreactoren heeft men thans zoveel ervaring, dat gespecialiseerde firma's vaste prijsopgaven kunnen doen voor volledig afgewerkte reactoren, die bedrijfsklaar zijn en waarvan zij het vermogen en de levensduur garanderen. Per kilowatt-vermogen bedragen deze prijzen ongeveer het dubbele van de bouwkosten van een conventionele centrale. De bouwkosten van de kern-centrales vertonen echter een vrij sterk dalende tendens, die van de klassieke centrales nauwelijks. Economische beschouwingen, die met deze en nog vele andere factoren rekening houden, laten zien, dat de kosten van de kern-elektriciteit momenteel ongeveer 30% hoger zijn dan die van de conventionele elektriciteit, en dat in gunstige omstandigheden in 1965 à 1967 in een aantal kerncentrales gelijke prijzen kunnen worden bereikt als in klassieke centrales.

Nu deze nieuwe fase voor de deur staat, wil dit artikel enkele fysische beginselen van de kern-reactor uiteen zetten. Eerst willen we echter nog één opmerking maken om een veel voorkomend misverstand uit de weg te ruimen. Kernenergie en raketten worden nog al eens als nauw-verwante werkelijkheden beschouwd. Nu zijn er inderdaad wel plannen en zelfs onderzoekingen om raketten van kernenergie te voorzien. Maar dit is nog niet boven het researchstadium uit. De eerste test moet nog plaats vinden en wordt door de Verenigde Staten geprojecteerd voor 1967, terwijl de eerste serieuze lange-afstands kern-raket niet voor 1970 klaar zal zijn. Over de vorderingen van de Russen in dit opzicht is niets bekend. Wat de satellieten betreft: er is één satelliet die kernenergie gebruikt, nl. de Transit 4A, die op 29 juni 1961 in zijn baan om de aarde is gebracht. Maar dit is geen kernenergie in de gebruikelijke betekenis van het woord. De Transit 4A heeft een radio-actieve stof aan boord, die spontaan radioactieve deeltjes uitzendt en daarmee energie produceert, die inderdaad uit de atoomkern afkomstig is²⁾. Er is hier echter geen sprake van

2) Op 28 sept. j.l. is er een tweede kunstmaan gelanceerd, die eveneens zijn energie ontleent aan radio-actieve stof, en waarvan men hoopt, dat hij 9 eeuwen om de aarde zal draaien.

[p. 169]

een kettingreactie. Wel bestaan er ook t.a.v. satellieten plannen om ze uit te rusten met een kleine kern-reactor; deze plannen zijn echter nog minder ver gevorderd dan die voor raketten.

Fysische beginselen

De atoomkernen zijn opgebouwd uit twee elementaire bouwstenen, nl. protonen en neutronen. De protonen hebben een positieve elektrische lading. In de natuurlijke elementen bevat de atoomkern 1 tot 92 protonen. De aard van het element wordt bepaald door het aantal protonen in de atoomkern; zo heeft waterstof bijvoorbeeld een kern met 1 proton; stikstof heeft 7 protonen, ijzer 26, kwik 80; het grootste aantal protonen vindt men in de uranium-kern, nl. 92. De neutronen zijn even zwaar als de protonen; hun voornaamste verschil met de protonen is, dat zij geen elektrische lading dragen; daaraan ontlenen zij ook hun naam. Over het algemeen komen zij in grotere getale voor in de atoomkern dan de protonen. Hierbij treedt nog het merkwaardige verschijnsel op, dat niet alle kernen van éénzelfde element evenveel neutronen bevatten. Zo heeft waterstof meestal geen, soms echter 1 neutron³⁾. Stikstof heeft gewoonlijk 7 neutronen, een enkele maal 8, terwijl ook 5, 6, 9 en 10 neutronen tot de mogelijkheden behoort. De ijzer-kern bevat meestal 30 neutronen, maar alle andere aantallen tussen de 26 en 33 zijn in uitzonderingsgevallen ook mogelijk. Bij kwik liggen de zaken niet zo eenvoudig: 118, 119, 120, 121 en 122 neutronen komen elk in meer dan 10% van de kwikatomen voor; daarnaast nog sporadisch andere aantallen, variërend tussen 116 en 125. Uranium heeft in ruim 99% van zijn atoomkernen 146 neutronen; 0,7% heeft 143 neutronen, terwijl de overige getallen tussen 136 en 147 samen 0,01% voor hun rekening nemen.

Hierbij moet wel worden opgemerkt, dat niet alle vermelde combinaties van protonen en neutronen stabiel zijn. Sommige kernen kunnen slechts een fractie van een seconde bestaan en vallen dan op een of andere manier uiteen. Een voorbeeld hiervan is uranium-236, dat 92 protonen bevat (dat is karakteristiek voor het element uranium) en 144 neutronen (samen 236 kerndeeltjes). Deze kern komt voor, maar is hoogst instabiel. Als de kern van U₂₃₅ (dus met 143 neutronen) een extra neutron krijgt opgedrongen, ontstaat de zeer wankele U₂₃₆-kern. Deze laatste valt dan vrijwel onmiddellijk uiteen (zeker binnen een miljoenste seconde). Dit uiteenvallen kan op vele wijzen geschieden. Gewoonlijk ontstaan twee zware brokstukken plus twee of drie losse neutronen. U₂₃₆ kan bijvoorbeeld uiteenvallen in xenon-140 (54 protonen en 86 neutronen) en strontium-93 (38 protonen en 55 neutronen), waarbij drie vrije neutronen overschieten. Die 2 of 3 losse neutronen zijn essentieel voor de kettingreactie. Zij kunnen ieder weer 2 of 3 U₂₃₅-kernen tot splijting brengen, waarbij nu 4 tot 9 neutronen vrijkomen, die opnieuw evenzovele U₂₃₅-kernen kunnen splijten en tevens 8 tot 27 neutronen vrijmaken, etc., etc. Dit geeft aanleiding tot snelle lawine-vorming. Een andere wezenlijke eigenschap hebben we echter nog niet vermeld. Het blijkt dat de totale massa van de twee brokstukken plus de losse neutronen iets kleiner is dan de massa van de U₂₃₆-kern, waaruit ze ontstaan. Dit z.g. massa-defect houdt verband met het feit, dat de onderlinge binding van

3) Waterstof met een neutron in de kern wordt zware waterstof genoemd; met zuurstof geeft het zwaar water.

[p. 170]

protonen en neutronen in de middelzware kernen als xenon en strontium sterker is dan in de zeer zware kernen als uranium. Het massadefect bedraagt overigens in het gunstigste geval slechts 20% van de massa van één neutron, en dus minder dan 0,1% van de bij de splijting betrokken massa. De verloren-gegane massa komt vrij in de vorm van energie, volgens de bekende formule van Einstein E = mc², waarin E de energie aanduidt, m de massa en c de lichtsnelheid (30 miljard cm per seconde). Door de enorme waarde van c² (9 gevolgd door 20 nullen) komt een zeer kleine massa overeen met een geweldig grote energie. De energie die op deze wijze vrij zou komen bij de volledige splijting van alle kernen van 1 gram U₂₃₅ komt overeen met de energie die vrijkomt bij de verbranding van 3 ton steenkool. Deze gelijkwaardigheid van 1 gram uraan met 3 ton steenkool houdt de fascinerende belofte in van de kernenergie. De splijting van de uraankern werd in december 1938 door Otto Hahn en Fritz Strassmann in Berlijn ontdekt.

De twee wezenlijke elementen voor het vrijmaken van kernenergie zijn dus: de lawine-achtige vorming van neutronen, en de reusachtige vrijkomende energie. Na de sensatie, die de ontdekking van Hahn en Strassmann in de wereld van de fysica bracht, waren echter nog vier jaar van ingespannen arbeid nodig, voor Fermi in december 1942 de juiste vorm vond om de kettingreactie op gang te brengen èn in de hand te houden. De laatste moeilijkheid, het in de hand houden van de kettingreactie, is het gemakkelijkste in te zien. Immers als inderdaad de 2 of 3 neutronen die bij een splijting vrijkomen, ieder weer een nieuwe kernsplitsing veroorzaken, leidt dit binnen een onderdeel van een seconde tot een energieontwikkeling als we alleen nog maar kennen in de atoombom. Ofschoon deze moeilijkheid dus zeer voor de hand ligt, bleek hij in de praktijk voorlopig nog geen probleem te vormen; integendeel: er was zoveel neutronen-verlies, dat er niet eens genoeg neutronen over bleven om de reactie op gang te houden, laat staan om een explosie te veroorzaken. Dit verlies vindt plaats doordat een aantal neutronen het vat met uranium verlaat of in de wanden wordt geabsorbeerd. Hiermee hangt het begrip kritische massa samen. Men kan nl. eenvoudig inzien, dat naarmate de beschikbare uranium-massa groter is, deze verliespost een relatief kleinere rol gaat spelen. Immers als men de afmetingen van de uraan-voorraad verdubbelt, wordt de massa acht maal zo groot (dus worden er ook acht maal zoveel neutronen geproduceerd), terwijl het oppervlak waarlangs verlies optreedt, slechts vier maal zo groot wordt. Dus: hoe kleiner de hoeveelheid uranium, hoe belangrijker het neutronenverlies. Er is daarom een minimum-hoeveelheid uranium nodig om de ketting-reactie op gang te houden, de z.g. kritische massa. Een tweede lek vormt het uranium-238. Op pag. 169 hebben we al gezien, dat in natuurlijk uranium meer dan 99% uranium-238 voorkomt en slechts 0,7% van het splijtbare uranium-235. Het leeuwendeel van de neutronen die vrijkomen zal dus ingevangen worden in een uranium-238-kern. Deze kern valt niet uiteen, maar kan wel via enkele tussenstappen in de tijd van een paar dagen veranderen in plutonium-239. Dit plutonium is een zeer waardevolle stof, omdat het net als uranium-235 als splijtstof voor een kettingreactie kan dienen. In eerste instantie moet men echter de neutronen die door de 99,3% uranium-238 worden opgeslokt als verloren beschouwen. Men kan dit enigszins verhelpen door te zorgen dat er een hoger percentage uranium-235 aanwezig is, bijv. 1%, 10% of zelfs 90%; men spreekt

[p. 171]

dan van ‘verrijkt uranium’. Het verrijken van uranium is echter een moeizaam en kostbaar proces. In Engeland en Frankrijk geeft men daarom meestal toch de voorkeur aan natuurlijk uranium. In de V.S. worden echter energie-reactoren gebouwd die werken met uranium dat 2 tot 3% uraan-235 bevat. De Amerikaanse Atomic Energy Commission is praktisch de enige instantie die in staat is om verrijkt uranium op de markt te brengen.

Het zal nu wel duidelijk zijn, dat het lawine-achtige verloop van de kettingreactie niet zo'n vaart loopt. Immers van de neutronen, die niet door de wanden verdwijnen draagt zelfs nog minder dan 1% bij tot de kettingreactie. Bij dergelijke verliezen maken de 2 of 3 per kernsplitsing vrijkomende neutronen geen schijn van kans een kettingreactie in stand te houden. En zelfs dit sombere beeld is nog veel te optimistisch. Immers de weinige neutronen die wèl op een uraninum-235-kern botsen, hebben bijna allemaal een veel te grote snelheid, gemiddeld een 10.000 km per seconde. Daardoor schampen zij af langs de kern zonder ingevangen te worden, en dus zonder een splijting te veroorzaken. En zò zij al frontaal op zo'n kern stoten, is de botsing vaak zo heftig, dat er aan de achterkant van de kern prompt een neutron wordt uitgestoten; dan hebben we dus nog geen uranium-236 en dus weer geen kern-splitsing.

Fermi en de zijnen hadden dan ook aanvankelijk heel wat meer moeite met het op gang brengen van de kettingreactie dan met het in de hand houden ervan. Eén van de eerste problemen was het afremmen van de vrijgekomen neutronen, om zodoende de kans op een effectieve botsing van een neutron met een uraan-235-kern te vergroten. Het bleek dat met name in zwaar water en in zeer zuiver grafiet de neutronen hun grote snelheid verliezen zonder zelf verloren te gaan. Men noemt deze stoffen moderatoren. Zij vormen nog steeds een wezenlijk bestanddeel van de meeste kernreactoren. Meestal probeert men de neutronen af te remmen tot de nog altijd respectabele snelheid van ongeveer een halve km. per sec. Engeland en Frankrijk gebruiken hiervoor voornamelijk grafiet als moderator, evenals Fermi bij de eerste reactor in Chicago. Canada heeft een voorkeur voor zwaar water als moderator.

Als men de neutronen heeft afgeremd, krijgt men bovendien nog een tweede, enorm groot, voordeel in de schoot geworpen. Het blijkt nl. dat uraan-238 (de 99,3% van natuurlijke uranium, die neutronen opslokt zonder nieuwe te produceren) vooral belangstelling heeft voor snelle neutronen. Dit is het gevolg van een z.g. kern-resonantie, waardoor neutronen met een zeer bepaalde (in dit geval: hoge) snelheid zeer sterk worden ingevangen in uraan-238-kernen. De moderator lost dus twee problemen tegelijkertijd op: de kans op opname in een splijtbare U₂₃₅-kern wordt vergroot en de kans op absorptie in de niet-splijtbare U₂₃₈-kern wordt aanzienlijk verkleind. En hiermee ligt de weg naar de ketting-reactie in principe open: als men een voldoend grote hoeveelheid uranium gebruikt bestaat de mogelijkheid, dat er per kernsplijting meer dan één nuttig neutron vrijkomt.

De grote lijnen van de opbouw van een kernreactor liggen hiermee ook vast. In een grote kubus van grafiet (c.q. zwaar water) met ribben van bijv. 5 of 8 meter plaatst men een aantal staven of platen uranium (al of niet verrijkt). Elke rij uraan-staven is echter nog van een volgende rij gescheiden door z.g. regulatoren of regelstaven. Deze bestaan uit een materiaal dat zeer sterk neutronen absorbeert, bijv. cadmium. Als de regelstaven helemaal in de reactor zitten, is een ketting-reactie uitgesloten, omdat veel te veel neutronen in het

[p. 172]

cadmium worden opgeslorpt. Naarmate men echter de regelstaven verder naar buiten trekt, neemt de neutronen-produktie toe. Via deze regelstaven kan men dus het proces van de kernsplijting in de hand houden, waarmee ook de moeilijkheid van de controle is opgelost.

Dat door splijting splijtstof verdwijnt en niet-splijtbare afvalstoffen ontstaan, behoeft geen betoog. Er onstaat wel is waar ook splijtbaar plutonium-239, maar slechts in kleine hoeveelheden, tenzij men bijzondere maatregelen treft, zoals in de z.g. kweekreactoren. Na verloop van tijd wordt dus niet meer voldaan aan de eis van een minimum-hoeveelheid splijtstof: men komt ònder de kritische massa. Bovendien heeft de splijtstof die in de reactor aanwezig is, van de bestraling te lijden en wordt ‘vergiftigd’. Om deze twee redenen moet de splijtstof van tijd tot tijd verwisseld worden, lang voordat de aanwezige splijtbare stoffen zijn uitgeput. Deze overgebleven splijtstof kan worden gereinigd en opgewerkt, en is dan opnieuw bruikbaar. Overigens vindt het verwisselen van de splijtstof maar enkele malen per jaar plaats, soms zelfs minder dan eens per jaar. De in de inleiding genoemde reactor van Calder Hall werkte bijv. in de afgelopen strenge winter in de maanden nov., dec., jan. en febr. gedurende 98% van de tijd op volle belasting, zonder dat het nodig was nieuwe splijtstof-ladingen aan te brengen. Aanvoermoeilijkheden zijn dus niet te vergelijken met die van een conventionele centrale.

In een volgend artikel hopen we enkele technische verwezenlijkingen van deze fysische grondbeginselen onder de loep te nemen.