Kernenergie
Isotopen, gascentrifuges en stuxnet
Kerncentrale
Root server » TechTalk » Electriciteit » Generatoren » Alternatieve energie » Isotopen, gascentrifuges en stuxnet
Kernenergie: van isotopen en gascentrifuges tot stuxnet
-

-

Isotopen

In de verschillende bladzijden wordt er bewust geen melding gemaakt van isotopen om de lektuur niet te moeilijk te maken. Een atoom bestaat uit protonen en neutronen (in de kern) en electronen die rond de kern cirkelen in een aantal banen. De scheikundige eigenschappen van een element worden bepaald door de electronen op de buitenste baan. Er bestaan dus reeksen elementen met eenzelfde aantal electronen op de buitenste schil, deze elementen hebben ongeveer dezelfde scheikundige eigenschappen (1 electron: alkali-metalen, 2: aardalkalimetalen, enz).

Een isotoop is een alternatieve versie van een element, met een ander aantal neutronen in de kern. Neutronen hebben geen electrische lading en moeten dus niet gecompenseerd worden door het aantal electronen. De neutronen bepalen echter de stabiliteit van de kern: de kern is niet stabiel bij bepaalde combinaties neutronen/protonen: de kern kan spontaan uiteenvallen, dit is de natuurlijke radioactiviteit van bepaalde elementen (en meer bepaald van bepaalde isotopen van het element).

Omdat het aantal electronen van de isotopen identiek is, hebben ze dezelfde schekundige eigenschappen en kunnen niet afgescheiden worden door scheikundige middelen. Een element is doorgaans een mix van verschillende isotopen.

Kernsplijting en kettingreactie

Natuurlijk uranium bestaat grotendeels uit een weinig radioactief isotoop U238 (99.3%) en een radioactief isotoop U235 (0.7%). Natuurlijk uranium kan niet in kerncentrales gebruikt worden, het is niet radioactief genoeg: er ontstaan te weinig natuurlijke splijtingen om een kernreactie op gang te brengen.

Bij een kernsplijting ontstaan er een paar vrije neutronen, die andere atomen kunnen raken, en dus ook kernsplijtingen veroorzaken. Als er voldoende splijtbaar materiaal aanwezig is, kan er een kettinngreactie ontstaan. Bepaalde elementen slurpen neutronen op, maar splijten niet (zoals boor), andere elementen vertragen de neutronen zodat ze meer efficient worden (zoals grafiet, die een moderator is). Water neemt zowel neutronen op, en vertraagt de andere neutronen (neutronenvergif en moderator). Zwaar water (zie verder) is enken een moderator.

Uranium moet eerst verrijkt worden in U235. Dit kan echter niet gebeuren gebaseerd op de scheikundige eigenschappen van de isotopen, want die zijn identiek. Men baseert zich op het verschil in massa. Tussen U238 en U235 is er een massaverschil van 0.4%. Dit is zeer weinig, maar dit is de enige manier om de isotopen te scheiden.

Gascentrifuges

Om de isotopen te scheiden, moeten de isotopen eerst gasvormig gemaakt worden. Dit kan enkel onder de vorm van uranium hexafluoride (UF6). Men gebruikt centrifuges om de isotopen te scheiden, gebaseerd op hun gewicht. Omdat het verschil in gewicht echt minimaal is, moeten er een groot aantal centrifuges gebruikt worden.

Verrijkt uranium voor gebruik in kerncentrales heeft doorgaans een concentratie van 4% U235; dit is voldoende om gebruikt te worden in een kernreactor. Uranium voor kernbommen heeft een concentratie nodig van meer dan 90% U235. Deze hoge concentratie is nodig, omdat de kettingreacties heel snel moeten verlopen, voordat de elementen door de ontploffing verspreid worden.

Verarmd uranium heeft 0.2 à 0.4% U235 naargelang de oorsprong (verrijking van natuurlijk uranium: 0.2% of behandeling van kernafval uit de centrales: 0.4%). Verarmd uranium uit afval bevat andere radioactieve isotopen en wordt doorgaans niet verder gebruikt.

Verarmd uranium heeft een zeer hoge massa en wordt daarom gebruikt voor de bepansering van bepaalde legertanks en ook als munitie in pantserdoordringende projectielen. Uranium in poedervorm of splinters heeft zelf-ontbrandende eigenschappen (zoals aluminium en magnesium) en is daarom ook zeer geschikt in projectielen.

Zwaar water in plaats van verrijking

Gedurende de tweede wereldoorlog hadden de duitsers niet de middelen om uranium te verrijken. Een alternatief is dan te werken met kweekreactoren die zwaar water gebruiken. In een kweekreactor worden radioaktieve materialen samengebracht. Door het neutronenbombardement ontstaan er isotopen die meer radioactief zijn. Zwaar water (water op basis van deuterium in plaats van waterstof) slorpt de neutronen minder op en maakt dus een kernreactie mogelijk, zelfs met natuurlijk uranium. Zwaar water vertraagd de neutronen, zodat ze meer effekt hebben.

Deuterium (om zwaar water te maken) is echter een isotoop van waterstof. Deuterium is een stabiel isotoop, die zeer weinig aanwezig is in de natuur (0.015% ten opzichte van waterstof), maar de scheiding heeft een hoger rendement omdat de massa van waterstof en deuterum sterk verschillend is. Zwaar water werd in Noorwegen gefabriceerd tijdens de tweede wereldoorlog, maar door de opeenvolgende bombardementen kon de produktie nooit echt op kruissnelheid komen.

Stuxnet

De gascentrifuge is tegenwoordig het beste systeem om uranium te verrijken. De centrifuge lijkt eenvoudig, het is een lange buis (ongeveer 4 meter lang) die luchtledig gemaakt wordt om de vrijving te minimaliseren. De centrifuge zelf draait in de container aan een snelheid van meer dan 50.000 omwentelingen per minuut. De centrifuge heeft drie leidingen, een ingang en twee uitgangen, één voor verrijkt uraniuw, één voor verarmd uranium. Het verrijkt uranium gaat naar een volgende trap en het verarmd uranium naar de vorige trap. Een typische installatie telt duizenden zulke centrifuges.

Om een hoge rotatiesnelheid te bekomen moet de motor aangestuurd worden met een VFD (variable frequency drive) die een frekwentie van meer dan 1000Hz genereert. Er kunnen resonanties optreden in de langwerpige centrifuges, daarom moet de nominale snelheid zo snel mogelijk bereikt worden.

Iran heeft ook verrijkingsinstallaties, maar haalt tot nu toe maar een verrijkingsniveau van 5%, te laag om kernwapens te maken. Maar voor de zelerheid werden de installaties beschadigd door een computervirus. De software werd door de Verenigde Staten geschreven, waarschijnlijk geholpen door Israel.

Het computervirus plant zich voort in windows computernetwerken en besmet uiteindelijk de PLC's die de motoren sturen (Siemens Simatic). Het virus die in de PLC's gedownload werd controleert de parameters van de installatie, en als er motoren aan hoge snelheden gestuurd worden (typisch voor centrifuges), dan gaat de software de snelheid op regelmatige tijdstippen opvoeren en verlagen, de bedoeling is dat de resonanties uiteindelijk de centrifuges vernietigen, wat ook effektief gebeurd is (een deel van de installaties was na een paar dagen onbruikbaar).

De bedoeling was hier niet alle centrifuges in één keer te vernietigen (er waren 4000 centrifuges in werking en Iran had er 5000 in reserve). Zo'n ingreep zo direct opvallen. De bedoeling was het aantal defekten te verhogen, zodat de productie regelmatig onderbroken moest orden.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-