Uranium-235
Bij de splijting van één atoom uranium-235 komt in de reactor 202,5 MeV (3,24×10-11 J) vrij. Dat komt overeen met 19,54 TJ/mol, of 83,14 TJ/kg. Nog eens 8,8 MeV ontsnapt als anti-neutrino’s uit de reactor. Wanneer nucliden van 235
92U met neutronen worden gebombardeerd, is een van de vele splijtingsreacties die zij kunnen ondergaan de volgende (weergegeven in de afbeelding hiernaast):
0n + 235
92U → 141
56Ba + 92
36Kr + 3 1
0n
Zwaarwaterreactoren en sommige grafietgemodereerde reactoren kunnen natuurlijk uranium gebruiken, maar lichtwaterreactoren moeten laag verrijkt uranium gebruiken vanwege de hogere neutronenabsorptie van licht water. Bij verrijking van uranium wordt een deel van het uranium-238 verwijderd en wordt het aandeel uranium-235 verhoogd. Hoogverrijkt uranium (HEU), dat een nog groter aandeel uranium-235 bevat, wordt soms gebruikt in de reactoren van kernonderzeeërs, onderzoeksreactoren en kernwapens.
Als ten minste één neutron van de splijting van uranium-235 een andere kern treft en deze tot splijting brengt, gaat de kettingreactie door. Als de reactie zichzelf in stand houdt, wordt ze kritisch genoemd, en de massa van 235U die nodig is om de kritieke toestand te bereiken, wordt een kritische massa genoemd. Een kritische kettingreactie kan worden bereikt bij lage concentraties van 235U als de neutronen van de splijting worden gematigd om hun snelheid te verlagen, aangezien de kans op splijting met langzame neutronen groter is. Een kettingreactie van kernsplijting produceert fragmenten met een tussenliggende massa, die zeer radioactief zijn en door hun radioactieve verval nog meer energie produceren. Sommige van deze fragmenten produceren neutronen, vertraagde neutronen genaamd, die bijdragen tot de kettingreactie van de splijting. Het vermogen van kernreactoren wordt geregeld door de plaatsing in de reactorkern van regelstaven die elementen bevatten die sterk neutronen absorberen, bijvoorbeeld boor, cadmium of hafnium. In atoombommen is de reactie ongecontroleerd en door de grote hoeveelheid energie die vrijkomt ontstaat een kernexplosie.
KernwapensEdit
De Little Boy atoombom van het kanontype die op 6 augustus 1945 op Hiroshima werd afgeworpen, was gemaakt van sterk verrijkt uranium met een grote tamper. De nominale sferische kritische massa voor een ongetamperd 235U-kernwapen is 56 kilogram (123 lb), wat een bol zou vormen met een diameter van 17,32 centimeter (6,82 in). Het materiaal moet voor 85% of meer uit 235U bestaan en wordt “weapons grade” uranium genoemd, hoewel voor een ruw en inefficiënt wapen 20% verrijking voldoende is (en dus “weapon(s)-usable” wordt genoemd). Zelfs een lagere verrijking is mogelijk, maar dit leidt ertoe dat de vereiste kritische massa snel toeneemt. Het gebruik van een grote tamper, implosiegeometrieën, trekkerbuizen, poloniumtrekkers, tritiumverhoging, en neutronenreflectoren kan een compacter, zuiniger wapen mogelijk maken dat één vierde of minder van de nominale kritische massa gebruikt, hoewel dit waarschijnlijk alleen mogelijk zou zijn in een land dat reeds uitgebreide ervaring had met het ontwerpen van kernwapens. De meeste moderne kernwapenontwerpen gebruiken plutonium-239 als splijtbaar bestanddeel van de primaire trap; HEU (sterk verrijkt uranium, in dit geval uranium dat 20% of meer 235U bevat) wordt echter vaak gebruikt in de secundaire trap als ontsteker voor de fusiebrandstof.
| Bron | Gemiddelde energie vrijgekomen |
|---|---|
| Instantaan vrijkomende energie | |
| Kinetische energie van splijtingsfragmenten | 169.1 |
| Kinetische energie van snelle neutronen | 4.8 |
| Energie overgedragen door snelle γ-stralen | 7.0 |
| Energie van afbrekende splijtingsproducten | |
| Energie van β-deeltjes | 6.5 |
| Energie van vertraagde γ-stralen | 6.3 |
| Energie die vrijkomt bij het opvangen van de snelle neutronen die geen (her)splijting veroorzaken | 8.8 |
| Totale energie omgezet in warmte in een werkende thermische kernreactor | 202.5 |
| Energie van anti-neutrino’s | 8.8 |
| Sum | 211.3 |