Informatie kerncentrales

Leipziger Uranmaschine Uraniummijn in Lumumbashi (Katanga) Buizen om meetsonden voor neutronen in te brengen Schoorsteen voor het vullen van de binnenste kuip Aluminium ketel Betonnen buitenwand Uraniumblokken Binnenste kuip in magnesium Zwaar water Neutronenbron Balken voor de bevestiging van de binnenkuip Grafiet Gedemineraliseerd water Ontmanteling van een duits kweekreactor in april 1945 (Haigerloch). Dit was voordat de amerikanen hun atoombom op Japan gelanceerd hebben.

De amerikanen hebben de eerste atoombom (en ook de tweede) op Japan gelanceerd. Maar ook Duitsland was bezig met de ontwikkeling van de atoombom nog voordat de tweede wereldoorlog begonnen wa. "Leipzig L-IV" was een ontploffing in een testreactor, niet veroorzaakt door een op hol geslagen kettingreactie, maar door een scheikundige reaktie tussen waterdamp, lucht en uranium toen de reactorvat geopend werd. Werner Heisenberg was de voornaamste natuurkundige die hielp met de pogingen om de duitse atoombom te realiseren.

Om een kernbom te maken moet men voldoende splijtbaar materiaal hebben, maar men moet die ook in hoge concentratie hebben, anders kan de kettingreactie niet starten, en zelfs al zou die starten, die zou direct weer stilvallen. Uranium bestaat uit verschillende isotopen, die niet allemaal even radioaktief zijn. Men moet U235 gebruiken, een isotoop die slechts in kleine hoeveelheden aanwezig is in natuurlijk uranium.

Er zijn dus een aantal stappen nodig om tot een kernbom te komen. De duitse geleerden dachten toen dat het isoleren van U235 onmogelijk zou zijn in de komende jaren. De procedure is inderdaad heel complex en heeft een laag rendement. Om een kernbom te maken heeft men een hoge concentratie van U235 nodig want de kernsplijting moet zeer snel gebeuren. Duurt de reactie te lang, dan is de kernbrandstof zodanig verdeeld door de warmte-ontwikkeling dat de kernsplijting stilvalt. Zelfs in een moderne kernbom gaat slechts 2% van het uranium splijten.

Het werd duidelijk voor de geleerden (en de militairen) dat een bom maken minstens 5 jaar zou duren en de militairen verloren gaandeweg interesse in kernsplijting. Duitsland had de middelen niet (meer) om een kernbom te maken. Een groot deel van het uranium, dat in Lumbumbashi (Union Minière) gedelft werd werd overgedragen aan de militairen (uranium werd toen al gebruikt in munities vanwege zijn zeer hoge dichtheid). Wat er overbleef was in ieder geval onvoldoende om kernwapens te maken.

Het onderzoek ging over naar een ander instituut, dan nog een ander, enz. De competenties waren verdeeld over verschillende onderzoekcentra en de doelstellingen waren niet duidelijk genoeg. Er werd dan enkel nog gepoogd een normale kernreactor te bouwen om zo meer inzicht te krijgen in de kernfysica. Na de oorlog kwam men te weten dat de duitse fysici volledig verkeerd waren in hun berekeningen.

In de Verenigde Staten werd natuurlijk uranium verrijkt zodat het een voldoende reactiviteit heeft (een kernreactie kan gemakkelijker tot stand gebracht worden). Natuurlijk uranium is echter minder radioaktief en als moderator moet men zwaar water gebruiken in plaats van gewoon water (gewoon water slorpt teveel neutronen op). Dit is de reden waarom Duitsland zwaar water nodig had in de tweede wereldoorlog. Het dilemma was eenvoudig: ofwel natuurlijk uranium verrijken (moeilijk), ofwel water "verzwaren" (doenbaar).

Het bouwen van een kernreactor leek in ieder geval een meer haalbare kaart. De kernreactor zou werken met natuurlijk uranium, want het verrijken werd te complex geacht. Maar dit betekent dat men met zwaar water moet werken in plaats van met "normaal" water. Zwaar water wordt als moderator gebruikt, het vertraagt de neutronen zodat ze de kernsplijting op gang kunnen brengen. Normaal water vertraagt ook de neutronen, maar vangt er ook teveel op zodat een kernreactie nooit tot stand kan komen met natuurlijk uranium. Er zijn gewoon te weinig neutronen om tot criticaliteit te komen: bij iedere kernsplijting komen er neutronen vrij, maar die zijn niet talrijk genoeg om de kernsplijting op gang te houden.

In zwaar water is waterstof vervangen door deuterium, een isotoop van waterstof. Hier ook is de percentage van deuterium zeer laag, maar de verrijking had een hoger rendement. Omdat het isotopen zijn kan de scheiding niet via scheikundige weg gebeuren, maar moet het gebeuren via een natuurkundige weg. Het massaverschil tussen protium (normaal waterstof) en deuterium is echter groot, zodat de scheiding relatief gemakkelijk is. De scheiding van zwaar water gebeurde in Noorwegen, maar de installaties werden vaak gebombardeerd zodat de Duitsers slechts over beperkte hoeveelheden zwaar water konden beschikken.

Eigenlijk had men ook grafiet als moderator kunnen gebruiken, maar onzuiverheden in de grondstof die in proefopstellingen gebruikt werd hebben ertoe geleid dat de onderzoekers dachten dat grafiet niet gebruikt kon worden. Het grafiet dat als moderator gebruikt werd bevatte oor en cadmium, twee stoffen die neutronen zeer sterk absorberen. Tegenwoordig is grafiet de meest gebruikte moderator in kerncentrales en gebruikt men boor in het koelwater om de kernreacties stop te zetten.

Er werden verschillende testreactoren gebouwd, maar die werden vaak door de bombardementen vernietigd vooralleer die resultaten konden leveren. De laatste en meest effectieve reactor werd in een grot in Haigerloch gebouwd. Dit gebeurde vanaf januari 1945, toen alle hoop op een duitse overwinning al lang verloren was.

De reactor bestond uit een betonnen cylinder waarin een aluminium kuip met een diameter van 210cm geplaatst werd. De kuip werd met gewoon water gevuld. In die kuip werd er een tweede kuip geplaatst met een diameter van 124cm. Tussen de twee kuipen werd er zo'n 10 ton grafiet geplaatst. Grafiet zou als neutronenreflector moeten dienen. Het waren trouwens overblijfselen van andere proefopstellingen die door de bombardementen niet konden doorgaan.

In de binnenste kuip werden er blokken uranium geplaatst, gehangen aan luminium kabels. Het was een vreemde opstelling, die niet overeenkomt met de moderne kernreactoren, waarin de pellets kernbrandstof in cylinders geplaatst worden. De uraniumbrokken wogen ongeveer 1.5ton.

Er werd ook een neutronenbron (radium-beryllium) ingebracht om de kernreacties te doen starten. Op zichzelf is natuurlijk uranium niet genoeg radioactief om een kernreactie te starten. Er waren ook staven voorzien om meetinstrumenten te plaatsen. Er waren geen voorzieningen om de kernreacties te controleren, eenmaal dat ze zouden starten (geen controlestaven).

De binnenste kuip werd dan met zwaar water gevuld via een schoorsteen. Zwaar water fungeert als moderator en zorgt ervoor dat de geproduceerde neutronen andere uraniumkernen kunnen doen splitsen. De reactiviteit werd eigenlijk bepaald door de hoeveelheid zwaar water in de kern.

Reactor in Haigerloch

Berekeningen achteraf hebben aangetoond dat de reactor 1.5 maal groter had moeten zijn om dit te bereiken. De CP-1 (Chicago Pile 1 waarmee in de Verenigde Staten onderzoek werd gedaan) gebruikte 4.9 ton natuurlijk uranium.

En dan waren de amerikanen natuurlijk ter plaatse en werden de experimenten noodgedwongen stilgelegd. Metingen die achteraf zijn gebeurd geven aan dat er geen plutonium in de uraniumblokken aangetroffen werd, een teken dat de kernreacties op een zeer lage peil gebeurden.

Het verschil tussen Duitsland en Engeland valt nog het meeste op op deze foto, genomen in 1939. Terwijl Duitsland aan een atoombom werkt verwachtten Engeland (en Frankrijk) een loopgravenoorlog zoals in 14-18 en geen Blietzkrieg. Dit zijn individuele schuilplaatsen tegen de bommen.

Engeland en Frankrijk hebben enkel kerncentrales kunnen ontwikkelen dankzij de steun van de verenigde Staten.