Kernsplijting
Kernsplijting is een natuurkundig fenomeen waarbij een atoomkern in twee of meer lichtere kernen splijt. Hierbij komt gigantisch veel energie vrij, enkele miljoenen malen meer dan bij een chemische reactie. Deze hoeveelheid energie is de reden waarom kernbommen gebruikt worden.
Spontane kernsplijting komt in de natuur zelden voor. Maar toen wetenschappers kernsplijting ontdekten en gingen toepassen duurde het niet lang voordat het atoomtijdperk begon, op 16 juli 1945, met het testen van de ‘Trinity’ kernbom in New Mexico.
§1 HET SPLIJTINGSPROCES
Om een kernsplijting te veroorzaken worden de atoomkernen van een stof, bijvoorbeeld uranium-235, beschoten met neutronen. Als een neutron met de juiste snelheid wordt afgeschoten kan een atoomkern zo’n neutron opnemen (uranium-235 wordt dan uranium-236), waarna de kern kan splijten. Er ontstaan dan twee of meerdere kernen van een lichter element: de splijtingsproducten (dochterproducten). Uit uranium-236 kunnen bijvoorbeeld de splijtingsproducten barium en krypton ontstaan, of bijvoorbeeld cesium en rubidium.
Bij kernsplijting komt ook een enorme hoeveelheid energie vrij. Deze is afkomstig van de bindingsenergie, de ‘sterke kernkracht’, die de kern bijeen houdt. Kleinere kernen hebben in verhouding veel minder bindingsenergie nodig dan grotere kernen.
§2 KETTINGREACTIE
Bij de splijting van uranium-235 komen meerdere neutronen vrij. Deze neutronen kunnen op hun beurt weer andere kernen laten splijten. Men spreekt in dit verband van ‘generaties’ neutronen, alsof de neutronen allemaal tegelijk wel of niet een splijting veroorzaken. De tijd tussen generaties is erg kort, ongeveer 0,1 microseconde.
Als er zoals bij uranium-235 bij elke splijting 3 neutronen vrijkomen, wordt bij elke cyclus wordt de reactie 3 maal groter. Op deze manier kan een kettingreactie ontstaan – dit is een reactie die eenmaal gestart, uit zichzelf doorgaat.
Als een hoeveelheid stof genoeg splijtbare kernen bevat, kan de energie die bij zo’n kettingreactie vrijkomt een nucleaire explosie veroorzaken. Bij een nucleaire kettingreactie komt per reactie miljoenen keer meer energie vrij dan bij een klassieke chemische reactie.
§3 SPLIJTSTOFFEN
Een stof waarbij na splijting meerdere neutronen ontstaan wordt een splijtstof genoemd. Met meerdere neutronen is namelijk een kettingreactie mogelijk. Uranium-238 kan in theorie bijvoorbeeld ook wel splijten, maar dan komt er maar 1 neutron bij vrij – en kan er geen kettingreactie ontstaan (er gaan ook neutronen aan de buitenwereld verloren).
Er zijn veel elementen waarvan de kern gespleten kan worden voor kernwapens. In de praktijk worden echter voornamelijk de splijtstoffen uranium-235 en plutonium-239 gebruikt. Deze splijtstoffen zijn in verhouding het beste verkrijgbaar.
§4 KRITISCHE MASSA
De kritische massa (kritieke massa of kritikaliteit) is de minimale hoeveelheid splijtbaar materiaal die nodig is om een nucleaire kettingreactie in stand te houden.
In hoeverre een massa kritisch is, wordt meestal aangegeven met de factor k. Factor k is de vermeerderingsfactor: het getal drukt uit hoeveel neutronen er gemiddeld door kernsplijting worden gevormd. De factor geeft aan of de kettingreactie groeit of afneemt.
Als k gelijk is aan 1 (k=1) is de opstelling kritisch. Een kernsplijting vormt één neutron, en de volgende kernsplijting ook. Hierdoor zal een kettingreactie in gang blijven.
Als de factor k kleiner is dan 1 (k<1), zal de kettingreactie uitdoven – de massa is subkritisch.
Als k groter is dan 1 (k>1), zal een kettingreactie ontstaan waarbij het aantal kernsplijtingen steeds verder toeneemt. De massa is superkritisch. In een kernwapen wil men deze factor k zo groot mogelijk hebben, een zo snel mogelijke groei (een lawine) van neutronen. Als de massa superkritisch is zorgt dit voor een explosie – de kern verdampt en breidt zich uit naar het aangrenzende universum.