Kernkrag

Kernkrag is die energie wat deur middel van beheerde (nieplofbare) kernreaksies geproduseer word. Kommersiële aanlegte gebruik tans hoofsaaklik kernsplytingsreaksies om elektrisiteit op te wek. Elektriese nutsreaktore verwarm water om stoom te produseer, wat dan aangewend word om elektrisiteit op te wek.

In 2009 was 15% van die wêreld se elektrisiteit deur middel van kernkrag opgewek. Daar is ook meer as 150 vlootvaartuie gebou wat kernaandrywing gebruik.

Koeberg in die Wes-Kaap, Suid-Afrika is die eerste en enigste kernkragsentrale op die vasteland van Afrika.

Inleiding

Kernenergie was reeds in die eerste eksperimente met radioaktiewe stof aanwesig, maar is op sigself eers as energievorm wat op groot skaal gebruik kan word, oorweeg toe die wetenskaplikes besef het dat die energie, wat grootliks as warmte vrykom, in stoominstallasies gebruik kon word.

Radioaktiwiteit is in 1896 deur 'n Franse skeikundige, Henri Becquerel, ontdek toe hy vasgestel het dat die nabyheid van die sout kaliumuranielsulfaat 'n donker vlek op fotografiese film laat wanneer dit ontwikkel word. Hy het vasgestel dat die uraan in die sout daarvoor verantwoordelik was, en gedink dat dit 'n vorm van X-strale is, hoewel dit later geblyk het radioaktiwiteit te wees.

Ander wetenskaplikes, onder wie Marie en Pierre Curie, se belangstelling is deur die ontdekking gaande gemaak. Die egpaar het die mineraal uraanpikblende aan chemiese analise onderwerp en uraan, radium en polonium daarin uitgeken as radioaktiewe elemente. Na aanleiding van die besondere soort straling van die elemente het Marie Curie die verskynsel radioaktiwiteit genoem. Toe 'n stukkie radioaktiewe stof in 'n afgeskermde holte geplaas is, is vasgestel dat die straling, afkomstig uit die stof, geweldig deurdringend is en maklik deur materiaal soos papier en metaalplaatjies gedring het.

Die straling het blykbaar deeltjies bevat wat deur die fisikus Ernest Rutherford alfa en beta genoem is. Daar is vasgestel dat die radioaktiewe stowwe ook gammastrale, wat eers vir X-strale aangesien is, saam met die twee soorte deeltjies uitgestraal het. Teen daardie tyd was Rutherford daarvan bewus dat die materiaal wat hy bestraal het, uit sogenaamde atoomdeeltjies bestaan. 'n Ander fisikus, J.J. Thomson, het die bestaan van negatiewe deeltjies, tans bekend as elektrone, reeds bewys, en voorgestel dat daar iets soos atome moet wees. Volgens hom was atome (die kleinste deeltjies waaruit materie bestaan) sfere met positiewe ladings waaraan elektrone gekleef het.

Die fisikus Niels Bohr het die gedagte van atome verder gevoer en 'n model gebou waarmee hy aangedui het dat 'n atoom bestaan uit 'n kern waarom die elektrone wentel. Volgens hom was die kern, wat opgebou is uit protone, positief gelaai. Met hierdie inligting het Rutherford 'n goudblaadjie met alfadeeltjies bestraal en vasgestel dat sommige van die deeltjies regdeur gegaan het, ander wel deurgegaan het maar effens afgewyk het, terwyl enkele deeltjies teruggespring het. Die reaksie het gestrook met die teorie van Bohr. Die feit dat sommige van die deeltjies regdeur die goudblaadjie gegaan het, het die teorie gestaaf dat die grootste volume van 'n atoom deur vinnig bewegende elektrone gevul word, wat 'n wolk om die kern vorm. Die deeltjies kon dus deur die atome in die blaadjie dring, byna soos hael deur 'n wolk. Dat sommige van die deeltjies effens afgewyk het, kon verklaar word aan die hand van die positiewe lading van die atoomkerne in die goudblaadjie wat die alfadeeltjies afgestoot het. Volgens Rutherford moes die deeltjies wat teruggespring het, teen die kerne gebots het. Nou het wetenskaplikes nie meer die materiale bestraal nie, maar "gebombardeer" in 'n doelbewuste poging om die kern te tref. In die proses het hulle bewus geword van die bestaan van 'n neutrale (ongelaaide) deeltjie in die kern, wat min of meer dieselfde massa as 'n proton het.

Die deeltjies is neutrone genoem. 'n Beeld van hoe materie daar uitsien, is gevorm en word vandag nog aanvaar. Alle materie is opgebou uit molekules, die kleinste deeltjies wat nog dieselfde eienskappe as die materie het. As die molekules verder afgebreek word, kan die verskillende atome onderskei word. In die kern van die atome is daar protone en neutrone, saam nukleone genoem. Dit behels feitlik die hele massa van die atoom maar maak 'n uiters klein deeltjie van die volume uit. Om die kern wentel die elektrone, wat 'n onbeduidende massa het, maar feitlik die hele volume van die atoom beslaan. As E die materie of die element voorstel, A die getal nukleone (protone + neutrone) en Z die getal protone, dan sal ^A _Z E die kern van die element voorstel. 'n Element soos waterstof het byvoorbeeld 'n kern met een proton en een neutron waarom een elektron wentel (² ₁H). Elemente wat meer protone as elektrone het, verkry 'n positiewe lading en word ione genoem, en dié met meer of minder neutrone as protone, staan bekend as isotope. Die atoomgetal word deur die aantal protone, en die atoommassa deur die som van die protone en neutrone bepaal.

Tydens die eksperimente met radioaktiewe stowwe waarby alfa- en betadeeltjies en gammastrale uitgestraal word, het wetenskaplikes waargeneem dat die uitstraling van 'n alfadeeltjie die massagetal van 'n element verminder, terwyl die uitstraling van 'n betadeeltjie die atoomgetal verhoog. Dit was dus moontlik om die samestelling van 'n element te verander, en Rutherford het later daarin geslaag om stikstof in fluoor en suurstof te verander. Maar stikstof het sewe protone in sy kern en suurstof het agt. As enkele protone by die kern van 'n atoom bygevoeg of weggeneem kan word, waarom nie die hele kern, bevattende protone en neutrone, in twee deel nie? Die bombardering van materiale met alfa- en betadeeltjies uit 'n bron van radioaktiwiteit het egter nie altyd slegs protone opgelewer nie. Die ligte metaal berillium het deurdringende strale sonder elektriese lading uitgestuur, wat nie X- of gammastrale was nie, maar wel neutrone.

Neutrone is geweldig deurdringend en daar is gereken dat neutronbombardering wel 'n kern sou kon verdeel. Die wetenskaplikes het egter ook begin beset dat daar verdere neutrone tydens 'n bombardering kan vrykom, wat self kerne sou kon opbreek en 'n kettingreaksie veroorsaak. Die formule E = mc², wat opgestel is deur die beroemde wetenskaplike Albert Einstein en aandui dat energie en materie ekwivalent is, het dit duidelik gemaak dat daar 'n enorme hoeveelheid energie tydens 'n kettingreaksie kan vrykom.

Die kern is vir die eerste maal onder leiding van Enrico Fermi in 'n eksperimentele reaktor deur neutrone gekloof. 'n Kernreaksie verskil van 'n konvensionele chemiese reaksie deurdat 'n chemiese reaksie op elektron-aktiwiteit en 'n kernreaksie op 'n nukleone-aktiwiteit berus. Tydens 'n kernreaksie kom daar heelwat energie in die vorm van hitte vry wat nuttig aangewend kan word in die ontwikkeling van elektrisiteit. Warmte, wat voorheen grootliks verkry is uit die verbranding van fossielbrandstof, is noodsaaklik vir die bedryf van 'n konvensionele kragsentrale. Omdat die wêreld se fossielbrandstof uitgeput mag raak, word kernenergie voorlopig as 'n alternatief beskou.

Radioaktiwiteit en straling

Stowwe soos radium en uraan is radioaktief en gee 'n spontane straling uit wat baie deurdringend is en byvoorbeeld die vermoë het om fotografiese film te affekteer sonder die tussenkoms van 'n ander chemiese of fisiese proses. In die kern van 'n atoom is daar protone en neutrone: die protone is elektries positief en die neutrone elektries neutraal. Aangesien ŉ positiewe en 'n negatiewe lading mekaar aantrek en twee positiewe ladings mekaar afstoot, behoort die protone (almal positief) mekaar eintlik af te stoot en die kern uitmekaar te val.

Die neutrone verskaf egter die neutraliteit in die kern en oefen in der waarheid so 'n groot krag uit dat die kern stabiel is, en protone slegs gedurende 'n kernreaksie van mekaar geskei kan word. By swaarder elemente (uraan) is daar 'n groot aantal protone in die kern van die atoom (92), wat 'n groot afstootkrag ten opsigte van mekaar uitoefen sodat die kern nie meer baie stabiel is nie. Dit is ook opvallend dat daar baie meer neutrone as protone in die kern is (146), klaarblyklik om die ewewig in die kern te behou. So 'n swaar kern verkeer onder 'n geweldige spanning, in so 'n mate dat dit dikwels self 'n deeltjie, bestaande uit 2 protone en 2 neutrone, uit die kern skiet. So kan dit ook gebeur dat die onstabiele atoom 'n elektron uitskiet.

Al die deeltjies wat uitgeskiet word, het 'n baie hoë snelheid en is baie deurdringend, 'n verskynsel wat radioaktiwiteit genoem word. In die ondersoek van radioaktiewe stowwe het die straling wat dit uitgegee het, bestaan uit deeltjies genaamd alfa en beta, en elektromagnetiese golwe, bekend as gammastrale. Die alfadeeltjies is geïdentifiseer as helimkerne en wanneer dit uitgestraal word, word die massagetal van die stof wat dit uitstraal, met 4 en die atoomgetal met 2 verminder. 'n Stof soos uraan het 92 protone in die kern en as dit protone verloor, beteken dit dat die samestelling daarvan verander en daar inderdaad 'n nuwe element gevorm word, wat twee plekke links van uraan in die Periodieke tabel sal voorkom. In die geval van betadeeltjies word daar elektrone uit die kern geskiet en die atoomgetal word groter, in plaas van kleiner soos met alfadeeltjies. 'n Nuwe element wat so gevorm word, sal 'n posisie regs van die oorspronklike element op die Periodieke tabel beklee. Radioaktiewe stowwe neig dus om vanself in nuwe elemente te "verval".

Die verval vind teen 'n besondere tempo plaas, wat kenmerkend is vir elke verskillende radioaktiewe element. In die geval van radium is dit elke 1600 jaar. Radium sal elke 1600 jaar nog verder verval totdat dit uiteindelik 'n baie stabiele element, naamlik lood (Pb), gevorm het. Die tempo waarin 'n element verval, is sodanig dat die helfte daarvan na 'n sekere tyd verval het, die helfte van die oorblywende helfte na 'n gelyke verdere tydperk ensovoorts, wat aanleiding gegee het tot die term die "halfleeftyd" van 'n element. Die halfleeftyd dui op die tydperk wat tussen elke verval verloop. In die geval van radium sal dit dan na 16 000 jaar so verval het dat daar net ¹/_{1 204} e van die oorspronklike elemente oor is, wat nog radioaktief is.

Die res het dan in lood verander. Met die uitgee van 'n alfa- of betadeeltjie is daar gewoonlik 'n uitbarsting van gammastrale, baie kort elektromagnetiese golwe wat geweldig deurdringend is. Saam met die vinnig bewegende alfa- en betadeeltjies kan dit gevaarlik wees vir 'n persoon wat daaraan onderwerp word. Straling word in röntgen (R), rad (radiation absorbed dose) of rem (Röntgen equivalent man) gemeet. Die rad en rem is groot eenhede en word deur 1 000 gedeel om in millirad (mrad) of millirem (mrem) uitgedruk te word. Straling van radioaktiewe stowwe word gewoonlik met die van 1 gram radium vergelyk, wat 37 X 10⁹ emissies per sekonde veroorsaak en as 1 curie (Ci) radioaktiwiteit gedefinieer word.

Die energie verbonde aan emissies word in joule/kilogram gemeet en 1 rad = 0,01 J/kg vir X-strale. Een rem is die biologiese ekwivalent van 1 rad, so uitgedruk omdat verskillende radioaktiewe stowwe, al gee dit dieselfde hoeveelheid energie af, skadeliker as die eweknie (X-strale) is. Die intensiteit van 1 mrem alfadeeltjies is byvoorbeeld soveel skadeliker as X-strale vir die mens dat slegs die energie van 0,25 mrad vereis word vir dieselfde gevaartoestand. Tydens die neem van X-straalfoto’s doen 'n persoon ongeveer 100 tot 200 mrem straling op, en vir radiografiste word 'n maksimum bestraling van 5 000 mrem/jaar toegelaat.

Vir die kernnywerheid word 'n maksimum van 10 mrem stralinglekkasie per jaar toegelaat, wat eintlik min is as daar in gedagte gehou word dat die natuurlike stralingspeil in 'n stad soos Johannesburg ongeveer 150 mrem/jaar en in Kaapstad ongeveer 100 mrem/jaar is. Daar bestaan nog baie onsekerheid oor die uitwerking van radio-aktiewe strale op lewende organismes, maar daar is bewys dat alfa-, beta-, neutron – en gammadeurdringing deur lewende weefsel die biochemiese gedrag daarvan versteur en lewende organismes gevolglik nadelig kan beïnvloed. Die bestraling dra energie aan die molekules in die weefsel oor en die versteuring wat plaasvind, is feitlik eweredig aan die lineêre energie-oordrag van die bestraling.

Beta-deeltjies en gammastrale het 'n lae lineêre energie-oordrag, maar alfa-deeltjies en neutrone het 'n hoë lineêre energie-oordrag en is veel skadeliker as die ander twee. Natuurliker radioaktiewe straling is afkomstig van kosmiese strale (van die son), die uraan- en toriumafsetting in die aarde, en van radioaktiewe isotope in die menslike liggaam self, waaronder kalium-40. Hoewel bioloë daarop wys dat lewende organismes hulle biologies by radioaktiwiteit aanpas, geld dit steeds dat dit nie noodwendig onskadelik is nie.

Kernontwikkeling

ŉ Klowingstof bestaan uit atoomkerne wat gekloof kan word en vanweë die energie wat vrykom, geskik is as kernbrandstof. Die kloofbare atoomkerne staan bekend as nukliede en die klowing as fissie. Van die ruim 200 isotope wat in die natuur voorkom, is uraan-235 (U-235) die geskikste vir beheerde kernreaksies. Die getal 235 dui op die som van die protone en neutrone in die kern. Aangesien daar 92 protone in die atoomkern van uraan is, is daar dus 143 neutrone in U-235. So word daar 'n onderskeid gemaak tussen natuurlike uraan U-238 en die isotope U-233, U-235 en U-239.

Die uraanisotope het almal dieselfde aantal protone (92), maar ŉ verskillende aantal neutrone. Die isotope U-233 en U-239 (plutonium) word verkry tydens die straling van torium-232 en uraan-238 in ŉ kernreaktor. Sommige reaktors, die sogenaamde kweekreaktors, word spesiaal ingerig vir die maak van nuwe klowingstowwe, maar origens is die kweekproses ŉ neweproses van kernkragontwikkeling. Die spontane klowing van ŉ kern op aarde kom uiters selde tot stand en ŉ natuurlike kernontploffing is in normale omstandighede dus nie werklik moontlik nie. In die kerntegniek word klowing doelbewus aangehelp en is dit die gevolg van 'n neutron wat met 'n kloofbare kern bots.

Tydens die botsing val die nukliede in twee brokstukke, waaruit verdere neutrone, 'n geweldige hoeveelheid energie in die vorm van warmte en radio-aktiewe straling vrykom. Die neutrone wat vrykom (teen ongeveer 20 000km/s), kan weer ander kerne tref en so ontstaan 'n kettingreaksie. Die brokstukke staan bekend as die klowingsprodukte en in die geval die klowing van U-235 is die stronsium en xenon, wat albei sterk radioaktief is. Die kanse dat 'n neutron 'n kern sal tref, is klein, veral as dit vinnig beweeg, en die kernbrandstof moet dus genoeg U-235-kerne bevat (of dit moet gekonsentreer wees). Tydens die botsing kom die neutrone reproduksiefaktor (k) ter sprake, wat aandui hoeveel neturone na die eerste klowing weer tot ander klowings lei.

As k=1, dan is die aantal klowings per sekonde gelyk en die reaksie dus kritiek. By k < 1 neem die aantal klowings af (onderkritiek) en by k > 1 neem dit toe (superkritiek). 'n Atoombom is byvoorbeeld superkritiek en die aantal klowings neem eksponensieel snel tydens die ontploffing toe, waardeur daar in 'n breukdeel van 'n sekonde ontsaglik baie energie vrykom. 'n Ontploffing kan egter net voorkom by 'n stof wat feitlik geheel en al uit kloofbare kerne bestaan.

In 'n kernreaktor word 'n verdunde klowingstof gebruik, waardeur die reproduksiefaktor nouliks hoër as een kan wees en 'n ontploffing fisies onmoontlik is. Uraan wat in die natuur vry voorkom, bevat minder as 1% kloofbare U-235; die res is U-238 en ander elemente wat nie kritiek kan word nie. Om wel 'n kritieke stof te verkry, word die uraan eers verryk met U-235, of met suiwer plutonium of uraan-233 vermeng. Die meeste brandstowwe bestaan uit U-238, wat met U-235 (tot 2 of 3%) verryk is. Selfs hierdie verrykte uraan is nog nie baie kritiek nie en die snelbewegende neutrone moet gerem word, anders tref dit nie die kerne nie.

Dit gebeur met behulp van 'n remstof (water, grafiet) wat so min as moontlik van die neutrone moet absorbeer, anders beïnvloed dit die klowings. Deur botsings met die atome in die remstof verloor die neutrone geleidelik energie en neem die snelheid daarvan tot sowat 2 km/s af, waarna dit as termiese neutrone bekendstaan. Vir termiese neutrone is die kanse op klowing veel groter en kan die klowingstof kritiek raak. Reaktors wat met hierdie stof werk, word ook dikwels termiese reaktors genoem.

Sonder remstof moet die kernbrandstof vanweë die snelle beweging van die neutrone ongeveer 20% klowingstof bevat om bruikbaar te wees in 'n reaktor. Sulke reaktors is bekend as snelkweekreaktors en daarin speel kweekprosesse 'n belangrike rol waardeur selfs meer brandstof kan ontstaan as wat gebruik kan word. Hierdie reaktors kan teoreties eeue lank energie lewer, in teenstelling met termiese reaktors, waarvoor die beperkte brandstofvoorraad hoogstens vir 'n halfeeu voldoende is.

Kernsmelting (fusie)

Net soos die klowing van kerne moontlik is, is ook die samesmelting daarvan moontlik waarby daar selfs nog meer energie en, belangrik, minder radioaktiewe afval vrygestel word. Ligte atome, byvoorbeeld die van litium en deuterium (swaarwaterstof), leen hulle gunstig tot fusie (kernsamesmelting). Die deuteriumioon of –kern word ook ŉ deuteron genoem. Vir die fusie van ligte kerne word ŉ hoë kinetiese energie of ŉ baie hoë temperatuur vereis. In die son word die elektrone van deurteriumatome byvoorbeeld by temperature van miljoene grade Celsius van die atome weggeskeur en vorm 'n plasma. Die deurteriumkerne (atoomgetal 1) smelt dan saam en dit gaan gepaard met die vrystelling van energie en neutrone (massa), waartydens heliumkerne (atoomgetal 2) gevorm word.

Plasma

Plasma, wat ook die vierde staat van materie genoem word, word in vlamme, boogsweisvonke, weerligstrale en neon- en fluoresseerbuise aangetref. Dit is 'n elektriese geleidende medium met 'n komplekse mengsel van partikels (deeltjies) wat in 'n vinnige, termiese beweging verkeer. Wanneer 'n vaste stof, byvoorbeeld ys, verhit word, vorm dit 'n vloeistof (water) en as dit verder verhit word, 'n gas 'n goeie isolator, maar as dit verder verhit word, tree dit op as 'n geleier van elektrisiteit en die termiese beweging van atome en molekules in die gas neem toe. Die kinetiese energie wat met die beweging gepaard gaan, veroorsaak dat ione uit die atome en molekules gevorm word.

Ione (atome waarin daar minder elektrone as protone is) is positief gelaai. By 'n hoë temperatuur disintegreer die atome en molekules in die gas in elektrone (negatief) en ione (positief), en as die temperatuur hoog genoeg is, geld 'n ander graad van elektrondigtheid (n_e – die hoeveelheid elektrone per volume-eenheid), temperatuur (T_e) en ionisasie. In sekere omstandighede gehoorsaam plasma die wette van die magnetohidrodinamika, dit wil sê die studie van die gedrag van elektries geleidende vloeistowwe en gasse in die teenwoordigheid van elektriese en magnetiese velde. Plasma is as 'n materietoestand bekend gestel toe eksperimente met sterk elektroliete (mengsels wat maklik ioniseer en elektrisiteit gelei) en geïoniseerde gasse, onderworpe aan magneetvelde, uitgevoer is. Die gedrag daarvan het die navorsers aan 'n jellieagtigheid herinner en dit is toe plasma genoem.

Behalwe dat plasma onder andere ook in sekere vaste stowwe soos kristalle voorkom, kom dit nie natuurlik op die aarde voor nie, maar gewoonlik as 'n produk van gasse by hoë temperature. Die atome van stowwe soos kalium en natrium ioniseer maklik en vorm by ongeveer 2 700 ˚C plasmas. Die meeste gasse moet egter tot 10 000 °C verhit word om plasmas te vorm, en aangesien alle bekende materiale teen daardie tyd al sou gesmelt het, kan gasse nie ekstern verhit word nie, dit wil sê gasse kan nie op die konvensionele manier in 'n houer geplaas en met 'n brander verhit word nie. In stede daarvan kan gasse intern verhit word deur dit aan 'n elektriese veld te onderwerp.

Een metode is om die gas tussen twee elektrodes te plaas en 'n baie hoe elektriese spanning op die elektrodes te plaas. In die aanwesigheid van die elektriese veld word die atome versnel, die gas verhit en 'n plasma word gevorm. Die gas kan ook met behulp van 'n transformatoraksie aan 'n veld wat deur 'n vinnigwisselende magneetveld ontstaan, onderwerp en verhit word. Die intensiteit van die veld word bepaal deur die geometrie daarvan en die aanwesige hoeveelheid gasdruk.

Elektrone het 'n laer energieuitruiling (verloor minder energie) as ander deeltjies en kan tot by baie hoër temperature verhit word (in 'n plasma). Daar gaan egter elektrone verlore tydens die verhitting, en solank daar meer elektrone verlore gaan as wat geproduseer word, kan die plasma nie gevorm word nie. In laboratoriums is reeds daarin geslaag om temperature van 10 000 000 °C en elektrondigthede van 10¹⁹/m³ te verkry. 'n Fusiereaktor met deurteriumtritium as plasma kan byvoorbeeld as bron van warmte vir stoominstallasies gebruik word. Kernsmelting van deuterone vind by uiters hoë temperature plaas en laat nog meer energie vry, want dit voeg warmte-energie by die kinetiese energie van die termies bewegende partikels. Hierdeur word verdere kerne saamgesmelt en die proses sal naderhand vanself voortgaan (as die elektriese veld verwyder sou word) solank deuterium (swaarwaterstof) toegevoeg word.

Plasma het egter die eienskap dat dit maklik uit 'n ruimte ontsnap en daarom was fusie nog nie in 'n aanleg prakties uitvoerbaar nie. Plasma is wel onderhewig aan die aantrek- en afstootkragte van elektriese en magneetvelde omdat dit 'n geleier van elektrisiteit is, en daar word beplan om dit in 'n ruimte tussen enorme elektromagnete vas te keer sodat fusie daarin bewerkstellig kan word. As die warmte wat tydens fusie ontstaan, doeltreffend na 'n hitteruiler gelei kan word, kan stoom vir stoomturbines opgewek word.

Plasma bied ook die moontlikheid om die hitte-stoom-meganika-kringloop heeltemal uit te skakel. Net soos plasma in 'n elektriese veld gevorm word, kan 'n elektriese veld ook deur plasma gevorm word. Ooreenkomstig Faraday se wette sal plasma, as dit reghoekig met 'n magneetveld in 'n ruimte beweeg, 'n elektromotoriese krag reghoekig met die veld en die rigting van die plasmabeweging ontwikkel. As daar nou elektrodes in die ruimte aangebring word, sal daar 'n potensiaalverskil oor die elektrodes ontstaan. So kan die hitte-oordrag en rotasiebeweging van die konvensionele kragsentrales heeltemal uitgeskakel word.

Brandstof

Uraan is betreklik algemeen oor die aarde versprei, maar die konsentrasie daarvan in erts is laag, gemiddeld sowat 0,25 %. Ongeveer 250 000 ton erts is dus nodig om 1 000 ton uraan te produseer. Uraan bevat ook min kloofbare kerne, oftewel U-235. Nadat die erts gewin is, word dit fyngemaal en die uraan chemies onttrek, waartydens dit 'n gelerige slyk vorm. Die geel slyk word dan na 'n suiweringsaanleg vervoer, waar dit gesuiwer en omgesit word in uraanheksafluoried (heks).

Heks word verder in 'n vaste vorm as brandstof verwerk, maar kan ook by normale temperature as 'n gas bestaan. In gasvorm kan die heksafluoried verryk word. In die brandstofvervaardigingsaanleg word uraanheksafluoried uiteindelik omgesit in uraandioksied, 'n donkergrys poeier. Die poeier word in pastille saamgepers (silindriese pille wat ongeveer 25 mm lanké en 10 mm in deursnee is) en hoe digter dit saamgedruk kan word, hoe beter. Die digtheid verskaf nie alleen 'n beter kernreaksie nie, maar ook beter warmtegeleiding en 'n beter inhoud van die gasagtige klowingsprodukte wat tydens fissie gevorm word.

Straling word sodoende beperk. Brandstofpastille word in buise wat sowat 3,7 m lank is, gelaai en die buise in bondels saamgebind, wat die reaktorelement vorm. Die reaktorelemente word tydens brandstoflading by 'n kernkragsentrale in die "hart" van die reaktor geplaas. Voordat die brandstof reageer, is dit nie besonder radioaktief nie, maar wanneer die elemente eendag verwyder moet word, is dit wel gevaarlik radioaktief, en bevat benewens die afvalprodukte ook plutonium. Plutonium bevat selfs nog meer neutrone en kloofbare kerne as die oorspronklike brandstof. Wanneer die elemente van die reaktorkern tydens herlading verwyder word, word dit na 'n herwinningsaanleg gestuur. In die herwinningsaanleg word die plutonium van die ander radioaktiewe afval geskei en bewaar. Die afval word in verseëlde houers geplaas en dit is juis dié houers wat nêrens welkom is nie.

Uraanverryking

Uraan, selfs nadat dit uit erts gewin en gesuiwer is, bevat heeltemal te min van die meer geskikte kloofbare U-235-kerne wat vir 'n beheerde kernreaksie nodig is. Uraan moet dus "verryk" word deur U-235 by te voeg, sodat dit van minder as 1 % tot sowat 3 % verhoog kan word. Die verryking kan nie chemies gedoen word nie want chemies gesproke is daar min verskil tussen U-235 en U-238. Bowendien vereis chemiese metodes 'n elektronaktiwiteit en kernreaksies eerder 'n nukleoneaktiwiteit.

Daar is egter 'n klein verskil in die massa van U-235 en U-238 en dit veroorsaak sekere fisiese verskynsels wat 'n meetbare verskil in die gedrag van die twee elemente meebring en as basis gebruik kan word vir die skeiding tussen die twee. U-238 word in 'n verrykingsaanleg aan die uraanheksafluoried onttrek en word later weer in 'n meer gekonsentreerde vorm by die reaktorbrandstof gevoeg. Die geel slyk wat by uraanwinning ontstaan, word omgesit in heksafluoried waarin daar U-238 en 'n klein hoeveelheid U-235 is.

Heks word in 'n gasvorm aan diffusie onderwerp, waartydens die uraan deur 'n poreuse membraan dring. Die onderskeie massas van U-238 en U-235 is onderworpe aan verskillende tempo's van diffusie vanweë die massaverskil en U-235 dring baie makliker deur die membraan. Gasdiffusie word gedoen in 'n sel met metaalwande, waar die twee helftes deur 'n membraan geskei word. Hoë vereistes word aan die membraan gestel aangesien dit laterale drukke en korrosie moet kan weerstaan terwyl die skeiding van die twee isotope uraan plaasvind. Heksafluoriedgas (UF₆) is geweldig korrosief sowel as reaktief en hoogstaande metallurgiese eienskappe word vir die houers sowel as die membrane vereis. Die heksafluoriedgas word onder beheerde druk in die een ruimte van die sel ingelaat en deur middel van diffusie dring die U-235-atome vinniger as die U-238 deur die membraan na die ander helfte van die sel, waarna dit afgeskei word.

Met behulp van pompe en kondensators word die gas aanhoudend deur 'n aantal selle gesirkuleer totdat soveel moontlik U-235 uit die uraan gehaal is. Die selopstelling is gewoonlik so dat die eerste selle in die reeks groter is as die laastes omdat die U-235 na die einde toe al hoe meer gekonsentreer raak. Al is net hoogstens 3% verrykte uraan vir beheerde kernreaksies nodig, word die uraan soms tot 99 % gesuiwer. Diffusie aanlegte gebruik 'n enorme hoeveelheid elektrisiteit tydens die proses, wat ironies genoeg, uit fossielbrandstofkragsentrales verkry word. In Europa is 'n goedkoper en effens doeltreffender metode vir die skeiding van U-235 uit U-238 ontwikkel waarin daar van 'n sentrifugale krag gebruik gemaak word.

Die gas word in 'n baie vinnig roterende houer ingelaat en die swaarder U-238 word na buite uitgeswaai, terwyl die ligter U-235 naby die middelpunt ophoop en uitgelei word. Sommige uraanverrykingsaanlegte maak van spuitstukke gebruik waaruit die gas in 'n fyn sproei geblaas word. Die gassproei word aan sekere kragte onderwerp, en die ligte U-235 word in die een rigting en die swaarder U-238 in 'n ander geblaas. 'n Unieke tegniek is die gebruik van laserstrale wat in uiters fyn bundels op die heksgas gerig word. Die bestraling ioniseer slegs die U-235 in die gas, waardeur dit gevoelig raak vir magnetiese en elektriese velde. Die heksgas met die gasione daarin word dan deur 'n elektriese veld gestuur, die U-235 word gedeflekteer, sif uit die gaswolk en word na onttrekking afgeskei. Die suiwer U-235 word weer in gekontroleerde hoeveelhede by die U-238 gevoeg, waardeur dit verryk word tot die nodige 2 tot 3 %. Die heksafluoried, wat verrykte U-238 bevat, word dan in uraandioksied omgesit, waaruit die brandstofpastille saamgepers word. Die vereistes vir goeie kernbrandstof is onder andere die volgende:

- dit moet hitte met gemak kan gelei;

- dit moet duursaam bly tydens kernreaksies;

- dit moet chemies stabiel wees;

- dit moet suiwer wees, dit wil sê, vry bly van los neutrone;

- dit moet nie fisies of meganies verweer nie.

'n Kernreaktor word met ongeveer 6 000 000 pastille gelaai, waarna dit krities raak en in bedryf gestel word. In die hart van die reaktor vind daar omtrent 10¹³ klowings per sekonde plaas. Een kilogram uraan bevat 2 600 X 10²¹ atome en die massa daarvan verminder met sowat 1 gram tydens die kernreaksies. Elke pastil lewer omtrent 0,5 kW warmte-energie, waardeur 'n totale 3 000 000 kW (3 000 MW) uit die reaktor verkry word. As gevolg van verliese is daar uiteindelik sowat 1 000 van die 3 000 MW beskikbaar, wat die doeltreffendheid van die reaktor op 33 % stel. Die pastille word in buise van 3,7 m verpak en gebind in bondels van 63, wat dan as reaktorelement dien.

Van sowat 100 metrieke ton brandstof in die hart van 'n kernreaktor kan 1 000 MW elektrisiteit ontwikkel word en die brandstof bly vir 3 tot 4 jaar daarin. Sommige reaktors kan gedurende die bedryf herlaai word en hoef nie noodwendig op te hou produseer nie. Die verbruikte brandstof, wat tydens herlading verwyder word, word eers omtrent 3 maande lank onder water geberg voordat dit na die herwinningsaanleg vervoer word. In die herwinningsaanleg word die plutonium wat tydens die kernreaksies gevorm is, van die afvalprodukte geskei en die afval in geskikte houers geplaas. Die radioaktiewe afval verval met verloop van tyd, 'n proses wat tot honderde jare kan duur. Om die rede word die afval saam met verglasingsmateriaal soos sand en kalk versmelt sodat dit in die houer behoue bly en nie per abuis kan oplos nie.

Kernkragsentrale

Torness-kernkragsentrale in Skotland

Die wêreld se eerste kerngedrewe duikboot, die USS Nautilus, is in 1954 in diens gestel

Arco in die deelstaat Idaho was in 1955 die eerste nedersetting ter wêreld waar alle elektrisiteit, wat vir beligting nodig was, in 'n kernreaktor opgewek is. Ongelukkig het ook die Verenigde State se eerste en enigste noodlottige kernongeluk in hierdie nedersetting plaasgevind. 'n Kernsmelting in die Nasionale Reaktortoetsstasie het in 1961 drie menselewens geëis

'n Kernkragsentrale is 'n installasie waarin kernkrag gebruik word om elektrisiteit te ontwikkel. Die kernkrag, afkomstig van kernreaksies, word in die kernreaktor ontwikkel en stel energie in die vorm van warmte vry. Die hitte word in die reaktorkoelmiddel van die reaktorhart af weggelei na 'n hitteruiler. In die hitteruiler word die warmte wat die koelmiddel opgeneem het, oorgedra op water, wat stoom vorm. Die stoom word gebruik om stoomturbines, waaraan elektriese generators verbind is, aan te dryf en die generators ontwikkel dan elektrisiteit, wat met behulp van transformators na die elektrisiteitsverspreidingsnet oorgedra word. Met behulp van kondensators word die stoom afgekoel tot water wat hersirkuleer en weer eens in stoom omgesit word.

By die aanvang van kernkragontwikkeling word die reaktor met die kernbrandstof gelaai. Die kernbrandstof is in hermeties verseëlde metaalomhulsels verpak, bekend as die reaktorelemente. 'n Paar honderd van hierdie elemente is nodig vir grootskaalse warmteopwekking en vorm saam met die remstof en die beheerstawe die reaktorhart. Die reaktorhart is omring met 'n koelmiddel, byvoorbeeld water, wat die ontwikkelde warmte afvoer. In 'n eenvoudige reaktor, soos die kookwaterreaktor, word die koelmiddel na 'n hitteruiler verplaas, waar die water stoom vorm en gebruik word om die stoomturbines aan te dryf. 'n Reaktor moet gereguleer kan word om aan te pas by die aanvraag. Dit geskied met behulp van die beheerstawe, bestaande uit boron of kadmium, wat in die reaktorhart gesteek word. Die aantal klowings per sekonde van die reaktorbrandstof hang af van die posisie van die stawe, en as dit heeltemal uitgetrek word, raak die reaktor oorkritiek, terwyl dit minder kritiek en later onderkritiek raak namate die stawe ingesteek word. So word die aantal klowings per sekonde beheer en daarmee saam die opgewekte warmte.

Die reaktors het egter nie almal, soos met die kookwaterreaktor die geval is, 'n enkele waterkringloop nie, maar twee of meer. Die water wat in die reaktorhart verhit word, vorm deel van die primêre kringloop. In die hitteruiler verhit die water van die primêre kring die water in die sekondêre kring, waardeur stoom gevorm word. Dikwels word 'n derde kringloop ook gebruik om die stoom af te koel, wat weer as water gehersirkuleer word. Behalwe gewone water, ook ligtewater genoem, word ander stowwe in die kringlope van reaktors gebruik. Dit kan onder andere swaarwater, gasse (helium), gesmelte metale (natrium) of soute wees. Swaarwater is water waarin die normale waterstofatome H-1 (met 1 neutron) deur die waterstofisotoop H-2 (2 neutrone) vervang is en staan bekend as deuterium. Swaarwater kan 'n tweeledige funksie in die reaktor vervul, naamlik die van remstof sowel as koelmiddel.

Nuttigheidsgraad

Die rendement van die meeste kernreaktors is laag, ongeveer 32 %, vergeleke met die 40 % van fossielbrandstofkragsentrales. Kernkragsentrales plaas ook 'n groot belasting op koelsisteme en dus op riviere of ander bronne van koelmiddels. Daarbenewens is daar ook die gedurige vrees dat die riviere en die see met radioaktiewe stof besoedel kan word. Om sommige van hierdie probleme te oorbrug, word daar oorweging geskenk aan 'n koppeling tussen kern- en ander energiestelsels.

Een moontlikheid is om 'n sentrale kernreaktor te gebruik om stoom tot 600°C te verhit en oor steenkool te laat vloei, waardeur gasse met 'n hoë verbrandingswaarde ontstaan. Die gevormde gasse kan dan met behulp van pypleidings na verskillende kragsentrales vervoer en vir konvensionele verbranding en stoomopwekking gebruik word. 'n Heliumverkoelde reaktor by Jülich, Wes-Duitsland, word volgens hierdie beginsel eksperimenteel bedryf.

Reaktors

Hoewel die stoomturbines en generators by kernreaktors min verskil van die in konvensionele fossielbrandstofkragsentrales, is daar verskillende soorte kern reaktors waarmee warmte opgewek kan word. Die reaktors het egter dieselfde basiese onderdele, naamlik die reaktorhart, die reaktorvat en die hitteruiler. Almal maak gebruik van 'n brandstof, 'n remstof, 'n koelmiddel en beheerstawe in die reaktorhart. Brandstowwe bestaan uit 'n verskeidenheid stowwe, soos byvoorbeeld natuurlike uraanoksied, verrykte uraanoksied, metaaluraan, toriumoksied, torium-fluoried en plutoniumoksied of -karbied. Die brandstowwe word verpak in bundels wat die reaktorelemente uitmaak.

Die belangrikste faktor vir brandstof is die digtheid daarvan (soms ook na verwys as die neutronedigtheid), wat die totale reaktorinhoud bepaal. Die koste van 'n groot kern met goedkoop brandstof (lae digtheid) word gewoonlik deur ingenieurs uitgespeel teen die koste van 'n kleiner, goedkoop kern met duur (hoë digtheid) brandstof. Die meeste reaktors verkry hul benamings van die tiperende remstowwe of koelmiddels wat daarin gebruik word. Bekende remstowwe is byvoorbeeld gewone water (ligtewater), swaarwater en grafiet. Die voordeel van ligte- en swaarwater is dat dit terselfdertyd as remstof en koelmiddel kan dien. Ligtewater (gewone water) is die goedkoopste en beskikbaarste remstof. Swaarwater is water wat twee in plaas van een neutron in die kern het en in 'n spesiale proses berei word. Dit staan bekend as deuterium en is baie skaarser en duurder as gewone water.

Grafiet is 'n vorm van koolstof en word as 'n vaste stof in die reaktorhart gebruik. Koelmiddels is onder meer die reeds genoemde ligte- en swaarwater, asook gasse, soute en vloeibare metale. Die vereistes vir koelmiddels is dat dit veral warmte goed moet kan gelei en geen neutrone moet absorbeer nie. Beheerstawe bestaan uit neutronabsorberende materiaal soos boron of kadmium. As die beheerstawe geheel in die reaktorhart geleë is, vind daar feitlik geen reaksie plaas nie, maar die aktiwiteit neem toe namate die beheerstawe uitgetrek word, en daarmee saam die warmte. Reaktorvate is van staal of beton en die keuse van die materiaal hang af van die straling en remstof wat gebruik word.

Die brandstofelemente waarin die brandstofpastille verpak word, bestaan uit sirkonium-allooi, vleklose staal of keramiek. Sirkonium-allooi is baie geskik maar geweldig duur, terwyl goedkoper vleklose staal redelik goed daarvoor gebruik kan word, maar neig om neutrone te absorbeer. By baie hoë temperature, waar allooie of staal nie meer stabiel is nie, word keramiek gebruik. Hitteruilers word deur die koelmiddel van die reaktor omring en sit die warmte van die koelmiddel om in stoom waardeur die stoomturbines aangedryf word. Baie lande beskik oor eksperimentele reaktors waarin hulle probeer om meer te wete te kom van onder meer:

-druk;

- temperatuur;

- neutrondigtheid;

- die opbou van plutonium;

- radioaktiwiteit en

- die neweprodukte, waaronder die radioaktiewe afval.

Reaktors word hoofsaaklik in 3 groepe ingedeel. Die eerste is die termiese reaktors ("burners"), waarin die blote verbranding van brandstof plaasvind, hoewel op kleiner skaal as met fossielbrandstof. Die tweede is die snelkweekreaktors ("breeders"), waarmee daar gepoog word om brandstof vinniger te produseer as wat dit verbruik word.

Die derde is die tot nog toe nie-gerealiseerde fusiereaktors waar kernsmelting in plaas van klowing gedoen word. Al die omstandighede in ag genome, blyk ligtewater reaktors op die oomblik die doeltreffendste en die ekonomiesste te wees. Van die sowat 374 reaktors in die wêreld wat in gebruik of op bestelling is, is 273 ligtewater reaktors. Die rede daarvoor is dat ligtewater (gewone water) geredelik beskikbaar en goedkoop is, en sulke reaktors nie groot tegniese probleme oplewer nie. Die water word uit die see of riviere verkry en aanhoudend gesirkuleer. Die volgende tabel gee 'n uiteensetting van die verskillende reaktors om 'n duideliker beeld van die remstowwe, koelmiddels en brandstowwe wat daarin gebruik word, te verkry.

Koeberg

Die eerste kernkragsentrale in Suid-Afrika, naamlik Koeberg, is in die Wes-Kaap en ongeveer 28 km noord van Kaapstad geleë. Dit is 'n ligtewaterreaktor wat uiteindelik 2 000 MW sal lewer. Die kernkragsentrale is by die Weskus opgerig omdat die land se huidige distribusienetwerk nie meer in die toenemende vraag in die Wes-Kaap kan voorsien nie. Die alternatief was dus om 'n konvensionele kragsentrale ter plaatse op te rig, maar dit sou heeltemal onekonomies wees om steenkool daarheen te vervoer. Die son, die wind en die golwe van die see kan nog nie ekonomies as energiebronne aangewend word nie en daarom is daar op kernenergie besluit.

Aanvullende redes vir kernkragontwikkeling is dat steenkool waardevolle valuta in die buiteland kan verdien en bowendien toenemend vir die petrochemiese en plastiekbedryf aangewend word. Verder is feitlik die helfte van die materiaal en dienste vir die bou van 'n kernkragsentrale uit die Republiek self voorsien en meebring dat die binnelandse handel gestimuleer en nuwe tegnieke aangeleer is. Eskom het by die destydse Raad op Atoomkrag om 'n lisensie aansoek gedoen om uraan te gebruik en ook 'n hele aantal instansies geraadpleeg oor aspekte rakende die seevissery, die geologie, besoedeling, ensovoorts.

Koeberg het ongeveer 100 ton seewater per sekonde nodig vir verkoeling. Die sirkulasie van die water deur die reaktor bring mee dat die water in die onmiddellike omgewing in die see warmer word en die temperatuur van ongeveer 13°C tot 23 °C styg. Navorsers voorsien dat die seelewe in die omgewing van Koeberg meer soos dié in die Indiese Oseaan daar sal uitsien. Kaapstad en sy nywerheidsentra word dus voorsien van krag wat uit olie, steenkool en kernkrag ontwikkel word.

Die Tafelbaaise kragsentrale (Ankerlig) werk met olie, die krag uit die distribusienet is uit steenkool afkomstig en Koeberg voorsien die kern-ontwikkelde elektrisiteit. Die eerste vereiste vir die kragsentrale by Koeberg was dat dit ooreen moet kom met identiese kragsentrales in die buiteland wat reeds 3 jaar lank in bedryf is. Aangesien daar reeds in 22 lande van ligtewater-reaktors gebruik gemaak word, sal die identiese reaktors feitlik 10 000 bedryfsjare agter die rug hê voordat Koeberg in bedryf kom.

Uit hierdie voorafgaande ondervinding en ervaring sal Koeberg ook kan baat vind. Die kernkragsentrale by Koeberg is 'n PWR (pressure water reactor) wat seewater as koelmiddel sal gebruik. Om besoedeling van die see te voorkom, word alle moontlike voorsorgmaatreëls getref. Hoewel die strengste veiligheidsmaatreëls daar geld, word daar tog beheerde hoeveelhede radioaktiewe gasse in die atmosfeer uitgelaat omdat dit onekonomies is om alles te probeer suiwer.

Die radioaktiewe gasse xenon en kripton sal egter 'n stralingspeil van 10 mrem/jaar meebring, wat heelwat minder is as die maksimum-toelaatbare grens wat deur die Raad op Atoomkrag voorgeskryf is. Ander radioaktiewe stowwe sal in die see uitgelaat word, maar in 'n baie verdunde vorm. Die neweprodukte en vaste afval sal op die terrein van Koeberg bewaar en waarskynlik later na herwinningsaanlegte in die buiteland verskeep word, aangesien Suid-Afrika nog nie oor sy eie beskik nie. Suid-Afrika beskik egter wel oor sy eie uraanafsettings en die Raad op Atoomkrag het aanvanklik aangekondig dat uraan plaaslik relatief goedkoop verryk kan word, maar vertragings en probleme op hierdie gebied word ondervind.

Gedurende Mei 1982 het die Minister van Mineraal- en Energiesake in die Parlement aangekondig dat die Koebergkragsentrale gedurende die eerste helfte van 1983 ten volle in bedryf gestel sal word. Dit is later as wat aanvanklik beplan is en die vertraging word toegeskryf aan die feit dat Koeberg Suid-Afrika se heel eerste kernkragsentrale is. Die probleme en vertragings wat tot dusver opgeduik het, word nie deur die owerheid as buitengewoon beskou nie.

Eskom het die brandstof vir die kernkragsentrale intussen uit 'n ander bron bekom as wat oorspronklik beoog is, en daar was ook vertragings in die lewering van hierdie brandstof. Uiteraard het die vertragings in lewering ook vertragings in die voltooiing van die projek veroorsaak. Meer as R315 miljoen is in die finansiële jaar 1982/83 aan kernenergie-ontwikkeling in Suid-Afrika bestee (die meeste daarvan aan uraanverryking). Daar is ook meer duidelikheid oor wat met die radioaktiewe afval sal gebeur.

Die Minister het verslag gelewer dat doeltreffende voorsiening gemaak is vir die veilige hantering en opberging van die afval. Hoëaktiewe vaste afval sal eers oor 10 jaar vir Suid-Afrika 'n werklike probleem word as die hoogsradioaktiewe materiaal, wat volgens kontrak in Frankryk geprosesseer sal word, teruggeneem sal moet word. In 1982 was dit nog nie duidelik of Suid-Afrika die bou van nog kernkragsentrales oorweeg nie.

Veiligheid

Die veiligheidsmaatreëls in 'n kragsentrale word nie slegs toegepas kernenergie om die sentrale teen beskadiging van buite te beskerm nie, maar ook om die buitewêreld teen radioaktiewe bestraling en besoedeling uit die reaktor te beskerm. Die grootste enkele risiko is die van radioaktiewe bestraling en nie soseer 'n kernontploffing, soos wat deur die meeste mense gevrees word, nie. 'n Ontploffing is fisies onmoontlik aangesien die kernbrandstof sterk verdun is (2 tot 3 % klowingstof), terwyl feitlik suiwer klowingstof (tot 99%) vir 'n kernontploffing nodig is.

In die laaste 25 jaar is daar heelwat ondervinding betreffende kernveiligheidsrisiko's opgedoen en stappe geformuleer wat die moontlikhede van 'n werklik ernstige ongeluk feitlik uitsluit. Daar word selfs beweer dat dit so min as 1 ongeluk per 100 000 tot 1 000 000 reaktorbedryfsjare kan wees, maar die teenstanders van kernenergie betwis hierdie stelling. Onder 'n ernstige ongeluk word verstaan dat alle veiligheidstelsels faal en 'n groot hoeveelheid radioaktiwiteit vrykom wat nie binne die reaktor afgesluit word nie.

Dit vereis werklik 'n kombinasie van katastrofes waardeur die koel- en noodkoelstelsels faal en die reaktorkern smelt. Sou so iets wel gebeur, sal die gesmelte kern deur die beskermde omhulsel brand en die radioaktiewe inhoud vrykom, waaronder vlugtige elemente soos edelgasse, halogene en alkalimetale. Afhangende van die klimaatstoestande (windrigting ingesluit) en die ligging van die kragsentrale ten opsigte van bewoonde gebiede, kan die radioaktiwiteit gevaarlik wees vir alle lewende organismes. Tot sowat 15 km van die sentrale af sal die omgewing ontruim moet word, die mense wat verder bly, binnenshuis moet bly, die vensters afgedig moet word, oop water vermy moet word en dies meer. Volgens publikasies van die teenstanders van kernenergie sal die hele wêreld naderhand besoedel wees en sekere gebiede jare lank ontruim moet bly.

Tegniese aspek

By die klowing van atoomkerne word daar 2 klowingsprodukte gevorm met atoommassas wat wissel tussen 80 en 160, onstabiel is, en die grootste gevaar van radioaktiewe besmetting skep. Dit word egter binne die klowingstof self gevorm en sal nie maklik versprei nie, want die klowingstof is in 'n beskermende omhulsel. As die omhulsel nie defek raak nie, bly die klowingstof behoue. Sou die omhulsel lek, word die radioaktiewe stowwe in die primêre koelstelsel vrygelaat, wat self baie goed geïsoleer is.

Die koelstelsel is van die grootste belang in 'n kernreaktor. Sonder voldoende verkoeling kan die kern van die reaktor smelt en die reaktorvat beskadig of selfs deur die bodem brand. As dit in die water beland, word 'n stoomontploffing veroorsaak, Die warmteproduksie in die reaktorkern word gereguleer met behulp van die beheerstawe wat, indien nodig, met die hand in die kern gesteek kan word. As daar geen fout met die beheerstawe is nie, word die klowings binne sekondes verminder, en die energieproduksie daal tot sowat 5%, (Die restante energie is afkomstig van die radioaktiewe klowingsprodukte.)

Eksterne geweld

Tot die noodsaaklike vredestydse veiligheidsvoorsiening behoort ook die beskerming van die sentrale teen vliegtuie wat moontlik kan val, teen aardbewings, ensovoorts. Brande en klein ontploffings wat om verskillende redes ontstaan, het 'n beperkte uitwerking aangesien dit net in 'n gedeelte van die sentrale voorkom. Deur die belangrike dele van dubbele wande te voorsien, kan brande en ontploffings geïsoleer word. 'n Stelsel van skeiding, dubbele wande en dubbele stelsels kan voorkom dat ernstige skade en lewensverlies veroorsaak word. Veiligheidstelsels dien ook om 'n sentrale minder kwesbaar teen terrorisme en sabotasie te maak, wat verder bemoeilik word deur die buitengewone tegniese kennis en vertroudheid met die installasie wat nodig is om beduidende skade aan te rig.

Mobiele kernkrag

Kernkragaandrywing word tot op hede nog nie as prakties uitvoerbaar vir voertuie beskou nie omdat die voertuig lomp raak met al die verwante stelsels. Dit is ook baie moeilik om straling doeltreffend te beperk en verder is die voertuig onderhewig aan botsings en ander ongelukke. Hoewel talle skepe, veral duikbote, reeds van kernkragaandrywing gebruik maak, bestaan die gevaar dat wanneer die skip sou sink, dit nie geberg kan word nie en die water besoedel kan raak.

Kernenergie en die omgewing

In die meeste besprekings oor die voor- en nadele van die ontwikkeling van kernenergie word veral die nadelige uitwerking wat vrygestelde radioaktiewe stowwe op die gesondheid van die mens kan hê, te dikwels beklemtoon. Minder aandag word gewoonlik aan die ekologiese gevolge bestee, waarskynlik omdat dit in hierdie gevallangtermyneffekte behels wat nie so maklik gemeet of dadelik waargeneem kan word nie. Radio-ekologie (stralingsekologie) is 'n onderafdeling van die ekologie wat probleme bestudeer in verband met die akkumulasie (ophoping) van radioaktiewe materiaal in die omgewing, en die invloede ondersoek wat hierdie radioaktiewe straling op die lewende organismes in die natuur het. Dit is ook 'n studie van die gevolge wat die straling moontlik op die lang termyn vir die organismes self en vir die biosfeer in sy geheel kan inhou. Die besoedeling van die omgewing deur die vrystelling van groot hoeveelhede koelwater word elders bespreek.

Akkumulasie

In die natuur is daar as gevolg van kosmiese straling en radioaktiewe elemente in die aardkors normaalweg ook 'n sekere hoeveelheid radioaktiewe straling aanwesig. Die hoeveelheid straling wat die mens as gevolg van hierdie natuurlike radioaktiwiteit ontvang, bedra ongeveer 0,10 tot 0,15 rem per persoon per jaar, afhangende van die plek op aarde. Op groot hoogtes is daar meer kosmiese uitstrating, en op plekke waar radioaktiewe ertse gevind word en in die omgewing van uraanhoudende gesteente, is die straling hoër (soms selfs aansienlik hoër as die gemiddelde).

Die voorstanders van die gebruik van kernenergie beweer juis dat die hoeveelheid radioaktiewe straling wat daar by die normale produksie van 'n kernkragsentrale vrygestel word, so gering is dat dit selde die gemiddelde natuurlike radioaktiewe uitstraling oorskry en dikwels minder is. Die feit dat die natuurlike radioaktiwiteit van oudsher aanwesig was, en waarskynlik 'n belangrike rol gespeel het in die ontwikkeling van organismes, beteken egter nie dat radioaktiwiteit in die natuur onskadelik is nie. Dit word deur verskeie wetenskaplike navorsers as 'n feit aanvaar dat spontaan optredende erflike siektes, aangebore afwykings, kanker- en leukemiegevalle deels toegeskryf kan word aan die natuurlike stralingsinvloed. Elke toevoeging van radioaktiwiteit wat die gemiddelde natuurlike straling verhoog, sal daarmee ook die kanse op die voorkoms van derglike defekte vergroot.

Invloed op organismes

Die belangrikste bronne van radioaktiewe omgewingsbesoedeling word gevorm deur tritium (H-3), kripton-85, stronsium-90 en sesium-137, almal produkte met 'n lang halfleeftyd (met ander woorde dit duur baie lank voordat hierdie stowwe se natuurlike vervalproses begin en geleidelik dan minder skadelik raak). By ander radioaktiewe isotope soos jodium-131 is die halfleeftyd so gering dat hulle net in die geval van 'n ongeluk gevaarlik kan wees.

Die verspreiding van radioaktiewe afvalstowwe in die omgewing verskil in beginsel nie van die verspreiding van ander besoedelende stowwe nie. Deur die grond, die water en die lug beland hulle deur voedselopname en tydens asemhaling in die stofwisselingsproses van organismes. Verdunning van die radioaktiewe stof of straling help nie altyd om dit minder gevaarlik te maak nie, al word dit ook in 'n veer kleiner hoeveelheid oor 'n groter gebied versprei. Soos in die geval van swaar metale en insekdoders wat in die natuur beland, word sommige radioaktiewe stowwe byna selektief deur organismes uit die omliggende omgewing opgeneem (al is dit in geringe hoeveelhede). Dit word nie weer uitgeskei nie, waardeur die radioaktiewe stof in die liggaam ophoop. Sommige radioaktiewe isotope versprei deur die hele liggaam, terwyl ander weer in bepaalde weefsels ophoop of in 'n sekere fase van die stofwisseling ingryp.

So byvoorbeeld konsentreer stronsium-90 in die beenstelsel van diere. Radioaktiewe jodium hoop in die skildklier op en sesium in die spierweefsel. Tritium kan as 'n bestanddeel van 'n watermolekule deur die hele liggaam versprei. Sodra daar van ophoping in 'n orgaan sprake is, word die orgaan of liggaamsdeel radioaktief oorbelas en geld die toelaatbare dosis radioaktiwiteit wat die liggaam van nature kan weerstaan, nie meer nie, Die gemiddelde natuurlike straling is te veel vir so 'n liggaam. Die biologiese uitwerking hang bowendien dikwels af van die chemiese toestand waarin die elemente verkeer. Tritium rig byvoorbeeld ongeveer 50 tot 50 000 maal meer skade aan die chromosome aan as dit in die vorm van timien in voedsel voorkom as wanneer dit as ioon uit die water opgeneem word. Oor wat presies as 'n toelaatbare stralingsdosis beskou kan word, bestaan daar geen sekerheid nie.

'n Bykomende probleem in derglike berekeninge is die feit dat die radioaktiewe dogterprodukte (stowwe wat ontstaan tydens die verval van 'n ander radioaktiewe stof en op die manier radioaktief geïnduseer word) dikwels nog op onbekende wyses in die stofwisseling ingryp. Uit 'n ondersoek met muise het dit geblyk dat diere wat stronsium-90 opgeneem het, veral in hul geslagsorgane 'n hoë stralingsbelasting vertoon het. Hierdie hoër belasting is veroorsaak deur 'n dogterproduk van stronsium-90, naamlik yttrium-90. Bowendien het hierdie selfde eksperiment getoon dat die vroulike geslagsorgane ongeveer een en 'n half tot twee keer soveel yttrium-90 opgeneem het as die testes van manlike diere. As gevolg van die akkumulasie in die geslagsorgane is die daaruitvolgende bestraling van die geslagselle (wat natuurlik ŉ invloed op die nageslag uitoefen) baie groter as wat die geval sou wees as die radioaktiewe stof deur die hele liggaam versprei sou wees.

Ander verskynsels wat na die toediening van radioaktiewe straling by proefdiere waargeneem is, is onder meer 'n ophoping van radionukliede in die alvleisklier en die hipofise (die belangrikste regulator van die hormonale prosesse in die liggaam), 'n verminderde lewensvatbaarheid van embrio's en ontwikkelingsteurnisse. In die geval van 'n konsentrasie van yttrium-90 in die drinkwater wat nie die wettig toelaatbare grens oorskry het nie, het viseiers steurnisse vertoon. In die eieromhulsels het soveel yttrium versamel dat die konsentrasie van die stof hierin 10 000 maal hoër was as in die omringende water. Na die atoombomaanvalle op Hirosjima en Nagasaki (1945) het die aantal nie-volledig volgroeide en erg misvormde babas in Japan toegeneem. Ook in die omgewing van die Dresden-reaktor in Illinois (VSA) is daar 'n derglike betekenisvolle toename in die aantal kinders wat met aangebore afwykings gebore is, aangeteken.

Die destydse omstrede Amerikaanse statistiek oor die korrelasie tussen radioaktiewe uitstraling en kindersterftes in die omgewing van die bron is weliswaar deur die elektrisiteitsmaatskappye ontken, maar nooit met syfers weerlê nie. Op grond van die ondersoeke wat tot dusver gedoen is, kan aanvaar word dat sekere soorte organismes met 'n langer generasieduur gevoeliger is vir chroniese blootstelling aan radioaktiewe straling. Hierdie spesies word populasiegeneties ook sterker negatief beïnvloed as spesies met 'n kort generasieleeftyd. By al die afgehandelde ondersoeke is daar tot dusver nog nie rekening gehou nie met die moontlikheid dat die radioaktiewe stowwe en die reeds aanwesige besoedeling in die grond, lug en water mekaar se werking net kan versterk. Die proses word sinergisme genoem en in so 'n geval kan daar verwag word dat die nagevolge van radioaktiewe straling eerder nog groter as kleiner sal wees as wat tot dusver vasgestel is.

Invloed op die lang termyn

Oor die vraag in hoeverre die ekostelsel waarvan die organismes deel is (nie die afsonderlike organismes self nie), deur 'n toename in radioaktiwiteit in die omgewing beïnvloed sal word, kan daar tot dusver nog net gespekuleer word. In natuurlike bevolkings is daar gewoonlik 'n enorme oorproduksie om seker te maak van 'n potensiële nageslag. Die hoeveelheid saadjies by plante en eiertjies by diere wat geproduseer word, is in ieder geval baie meer as die aantal wat die jeugstadium oorleef en uiteindelik self voortplant.

Dit is die gevolg van natuurlike seleksie wat die swakker aangepaste tipe op die manier elimineer, sodat hulle nie kan bydra tot die erflikheidsmateriaal van die spesies nie. Die spesies met so 'n groot oorproduksie wat hulle reeds aangepas het by 'n geharde seleksieproses, sal relatief weinig skade berokken kan word wanneer hulle blootgestel word aan hoër radioaktiewe straling as die gemiddelde. Hulle sal ook minder deur die verhoogde stralingsopgewekte mutasiefrekwensie aangetas word. Na eliminasie van die ongunstige mutante bly daar gewoonlik nog genoeg normale eksemplare oor om die voortbestaan van die spesifieke spesies te verseker. 'n Voorbeeld van organismes wat aan 'n besonder geharde seleksieproses gewoond is, is insekte. Gedurende hul ontwikkelingsverloop het hierdie diere die vermoë verwerf om hulle baie vinnig aan te pas by die verskillende gifstowwe wat van nature in plante voorkom.

Op grond daarvan is hulle ook opgewasse teen die insektedoders waarmee die mens hulle bestry. Vanweë die groot mutasiefrekwensie bly daar altyd enkele eksemplare oor wat die toediening van die gif oorleef en immuun raak teen die spesifieke middel. Danksy die massale reproduksie van insekte bestaan die hele populasie reeds na enkele generasies uit individue wat weerstand bied omdat net die wat nie immuun is nie, uitsterf. Dit beteken dat insekte waarskynlik ook opgewasse is teen ander seleksiefaktore wat kunsmatig geskep is. ŉ Verhoogde mutasiefrekwensie weens 'n verhoogde stralingsvlak verbeter eerder die moontlikhede van sulke soorte om hulle by uiterste milieufaktore te kan aanpas.

Die mutasies is dikwels 'n hulpmiddel vir oorlewing. In die geval van spesies met 'n lae produksie en daarmee saam 'n kleiner potensiële nageslag, verloop die oorlewingskanse anders. Ondanks die lae produksie oorleef byna alle potensiële nakomelinge as gevolg van die beskermende omgewing waarin hulle groot word. Die duidelikste voorbeeld in die geval is die mens, huisdiere en kultuurgewasse. Deur die druk van byna alle natuurlike seleksieprosesse uit te skakel, word 'n toestand geskep waarin allerlei minder lewenskragtige mutante hulle kan bly handhaaf en selfs voortplant. Die gevolg is dat hierdie soort populasies in hul geheel ernstig verswak word deur die aanwesigheid van talle ongunstige erflike eienskappe.

'n Verhoging in die stralingsdosis en daarmee gepaardgaande verhoogde mutasiefrekwensie kan waarskynlik net die degenerasie bespoedig. Met ŉ verhoging van die algemene stralingvlak as gevolg van kernenergie sal nie net die organismes direk beïnvloed word nie. Vanweë die bevoor- of benadeling van bepaalde spesies (die vlak van mededinging sal versteur word) sal die oorlewingskanse van spesies in hul geheel beïnvloed word.

Bronne

Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409559 band