Wat is kernenergie? Waar komt kernenergie vandaan?

Wat is kernenergie? De definitie van kernenergie is: energie die vrijkomt door kernreacties. Kernreacties zijn reacties waarbij atoomkernen betrokken zijn.

Atomen bestaan uit elektronen, protonen en neutronen. De elektronen vormen een wolk. Protonen en neutronen klonteren samen in de atoomkern. En om die atoomkern gaat het hier.

In de atoomkern houden twee sterke natuurkrachten elkaar in evenwicht. Dat zijn de sterke kernkracht, tussen alle kerndeeltjes die elkaar daarom aantrekken, en de elektromagnetische kracht, tussen protonen onderling die elkaar afstoten.

Je kunt neutronen zien als een soort lijm, deeltjes die door middel van de sterke kernkracht de protonen bij elkaar houden. Protonen zijn namelijk positief geladen en stoten elkaar daarom af door de elektromagnetische kracht.

Maar ook protonen zijn nodig. Ze houden de neutronen stabiel. Met protonen in de buurt, kunnen neutronen namelijk niet uiteen vallen tot protonen en elektronen. Een ingewikkeld verhaal dat hier op neerkomt: het kost teveel energie voor een neutron om in een proton te veranderen, met al die andere protonen in de buurt die dan aan de kant moeten. Dus gebeurt dat niet.

Stabiele atoomkernen hebben precies genoeg protonen en neutronen om elkaar in evenwicht te houden. Er komt veel energie vrij, als een instabiele atoomkern (met te veel protonen of neutronen) uiteenvalt. Want de kerndeeltjes trekken elkaar steviger aan en stoten elkaar minder af in de nieuwe, kleinere kernen. Die energie is kernenergie.

Drie vormen van kernenergie

Er zijn drie vormen van kernenenergie. Daarvan kunnen we uit twee vormen, kernsplijting en radioactief verval, energie opwekken. De derde vorm, kernfusie, is ook al mogelijk, maar kost netto nog meer energie dan het oplevert. De kerncentrales van nu werken daarom nog via kernsplijting. 

Kernenergie kan alleen op worden gewekt uit atoomkernen die heel licht, of heel zwaar zijn. Of instabiel: radioactieve kernen. Middelzware, stabiele atoomkernen, zoals ijzer-56, zijn al in de optimale energietoestand. Dus daar is geen energie meer uit te halen. Maar het levert wel veel energie op als je zeer zware kernen splijt, of lichte kernen samen laat smelten. 

Kernenergie: per kilo meer dan een miljoen maal de energie in steenkool en olie

Uit een kilo uranium kun je 24 miljoen kilowattuur aan energie opwekken. Dat maakt uranium meer dan een miljoen maal meer geconcentreerd in energie dan olie, steenkool of gas. Anders gezegd, met een kilo uranium kun je 10.000 Nederlandse gezinnen een jaar lang van stroom voorzien. En dat met bijna geen uitstoot van CO2.  Daarom komt er steeds meer interesse voor kernenergie.

Lichte kernen smelten samen in sterren als de zon. Dus ook zonne-energie is in feite kernenergie. Maar hoe wordt kernenergie opgewekt?

Hoe wordt kernenergie opgewekt?

Elk chemisch element zwaarder dan lood, te beginnen met bismut, is radioactief. Als je maar lang genoeg wacht, valt het uit elkaar. Zo blijft de aarde warm. Er zijn ook instabiele, radioactieve, atoomkernen van lichtere elementen dan bismut, bijvoorbeeld kalium-40 en waterstof-3 (tritium).

Radioactief verval 

Een manier om kernenergie op te wekken is dus: lang genoeg wachten. Radioactieve elementen, zoals uranium, thorium en kunstmatige elementen, en andere radioactieve atoomkernen vallen langzaam uit elkaar. Dus eigenlijk werken vulkanen, geisers, aardbevingen en dergelijke ook op kernenergie. 

Radioactief verval is een handige manier om bijvoorbeeld pacemakers en nucleaire batterijen voor sensoren, die maar heel weinig energie gebruiken, van stroom te voorzien. Het probleem is dat we radioactief verval niet kunnen aanpassen aan onze energiebehoefte. Voor een pacemaker of sensor is dat niet erg. Maar voor het dagelijks leven is dat wel een probleem. Want soms hebben we veel meer energie nodig dan op andere momenten.

Kernenergie wanneer we deze nodig hebben

Maar hoe wordt kernenergie opgewekt op een moment dat wij de energie nodig hebben? Bepaalde atoomkernen kunnen met een extra neutron gaan splijten. Als een uranium-235 atoomkern een neutron opneemt, valt deze atoomkern uit elkaar. Daarbij komen er meerdere nieuwe neutronen vrij, die weer andere uranium-235 kernen laten splijten. Er ontstaat zo een kettingreactie. Handig voor een atoombom, maar natuurlijk niet, als je veilig energie op wilt wekken.

Passieve beveiliging door zwaartekracht

Daarom zijn kerncentrales voorzien van regelstaven, met materiaal dat neutronen absorbeert. Kerncentrales zijn zo precies afgeregeld, dat er net genoeg neutronen overblijven om de kernreactie in stand te houden, maar niet meer dan dat. Met regelstaven kan de hoeveelheid neutronen worden verhoogd of verlaagd. 

Wil je dat de reactor harder gaat werken, dan til je de staven iets omhoog, zodat er minder neutronen worden geabsorbeerd. De reactor produceert dan meer energie. Wil je de reactor remmen, dan laat je de staven iets zakken. De moderator, meestal water, remt de neutronen voldoende af, zodat ze langzaam genoeg bewegen om ingevangen te kunnen worden door andere uraniumkernen.

Valt om welke reden dan ook het regelsysteem uit, dan zakken de regelstaven door de zwaartekracht diep in de reactor, slokken ze de neutronen op en dooft de kernreactie uit. Moderne kernreactoren werken op die manier. Daarom gebeuren er alleen ongelukken met ouderwetse kerncentrales, want de zwaartekracht werkt altijd. Maar hoe ontstaat kernenergie eigenlijk?

Hoe ontstaat kernenergie?

Kernenergie komt dus vrij doordat instabiele kernen splijten, of heel lichte kernen samensmelten. Hierbij wordt een heel klein beetje massa in energie omgezet. Uit dit zeer kleine verlies aan massa, ongeveer een duizendste deel bij het splijten van uranium, komt veel energie vrij, via de beroemde formule van Einstein: E = mc².

Massa verandert in energie

Dus er verdwijnt ongeveer een gram materie als je een kilo uranium splijt. Daarvoor in ruil krijg je heel veel kernenergie. Die 24 miljoen kilowattuur waar we het over hadden.

Maar waar komen deze lichte en zware atoomkernen vandaan? Het antwoord: uit drie bronnen. 

Botsing van neutronensterren

Lichte atoomkernen, waterstof, helium en lithium, ontstonden bij de oerknal. 

Middelzware elementen, zoals zuurstof, koolstof en ijzer, ontstonden in sterren, en de zwaarste atoomkernen, zoals goud, lood en uranium, door een heel zeldzaam proces: botsende neutronensterren. Astronomen denken dat de aarde deze zware elementen heeft opgepikt, toen miljarden jaren geleden het zonnestelsel door de puinwolk van een dergelijke botsing zwierf.  

Dus als je een blokje lood ziet, bedenk dan dat dat ontstond door een van de meest bijzondere processen die we kennen: de botsing van twee neutronensterren. 

Ik ben pro-kernenergie. Wat kan ik doen?

We moeten van fossiele energie af, en zon en wind helpen wel iets, maar ze zijn onberekenbaar. Wie kiest voor zonnestroom of windenergie, kiest in werkelijkheid ook voor extra kolen- en gascentrales om stroom te leveren als er tekort is. En dat is nogal vaak. Want de zon schijnt niet altijd, en het waait ook niet altijd.

Nogal hypocriet, vinden wij. Kerncentrales werken altijd en vervuilen niets. Dat maakt kernenergie dé eerlijke, rationele keuze om de milieuvervuiling te stoppen en onafhankelijk te worden van olie, gas en steenkool.

Hoe meer mensen voor kernenergie kiezen, hoe duidelijker het signaal aan de politiek dat er meer kerncentrales moeten komen, zodat de smerige kolencentrales en biomassacentrales dicht kunnen. En arme mensen weer de energierekening kunnen betalen. En er meer onderzoek komt naar kernenergie.

Geef kernenergiehaters de lange middelvinger en stap over op 100% eerlijke, schone en voordelige atoomstroom van de kernenergie leverancier Atoomalliantie. Samen kunnen we het verschil maken.

Kernenergie, dingen die je misschien nog niet wist

Er komt meer radioactiviteit vrij per kilowattuur door het mijnen van steenkool, dan door kernreactoren. Dat komt, omdat er wat uranium en thorium in steenkoollagen zit, dat in de loop van miljoenen jaren uit het omringende gesteente is gelekt.

De oudste kernreactor op aarde bevond zich in Afrika en was meer dan twee miljard jaar oud. In uraniumerts dat geologen vonden in een mijn bij het dorpje Oklo in het Afrikaanse land Gabon, is bewijs gevonden dat het grondwater in combinatie met het uranium-235 in erts, een kernreactie mogelijk maakte. Het grondwater remde de neutronen van het uiteenvallende uranium-235 af, waardoor ze langzaam genoeg bewogen om andere uraniumkernen te raken. Twee miljard jaar geleden was er veel meer uranium-235 dan nu. Ongeveer het percentage dat nu in kernreactoren wordt gebruikt. Genoeg om de kernreactie in Oklo een tijdje in stand te houden.

Volgens een theorie van een Groningse en Zuid-Afrikaanse wetenschapper is de maan ontstaan toen een radioactieve ontploffing een deel van de aardkorst wegslingerde. Inderdaad lijkt het gesteente van de maan erg op dat van de aarde. 

Tritium lights blijven meer dan twintig jaar onafgebroken licht geven. Het geheim van een tritium light is het tritiumgas dat in het glazen buisje zit. Dat valt langzaam uit elkaar. De bètastraling, elektronen dus, van het uiteenvallende tritium is ongevaarlijk. Het kan niet door het glas heendringen, maar het maakt wel lichtdeeltjes los.  Er zijn sleutelhangers met tritium lights te koop.

Een brok plutonium houdt satellieten en Marsrovers draaiend. Dit plutonium valt langzaam uit elkaar, waardoor het erg heet wordt. Een thermokoppel tapt deze hitte af en wekt hiermee stroom op. Dit systeem is bekend als RTG, radioactive thermal generator.