Kernsplijting
Bij kernsplijting valt een zware kern uiteen in twee hoofdfragmenten, meestal samen met enkele neutronen en een grote hoeveelheid vrijgekomen energie. Die energie ontstaat niet simpelweg omdat de kern “breekt”: de producten zijn gemiddeld sterker gebonden per nucleon.
Van neutronenvangst tot twee fragmenten
Een splijtbare kern zoals uranium-235 kan een neutron invangen en een aangeslagen samengestelde kern vormen. De kern vervormt steeds sterker en kan uiteindelijk splitsen. Er ontstaat niet één vaste combinatie van dochterkernen, maar een verdeling van fragmentmassa’s en kinetische energieën.
Lading en nucleonental blijven in elk splijtingskanaal behouden. De fragmenten worden sterk aangeslagen gevormd en kunnen prompt neutronen en gammafotonen uitzenden voordat latere vervalstappen ze naar stabielere nucliden brengen.
Waar ongeveer 200 MeV vandaan komt
De energiebalans wordt gegeven door de Q-waarde: Q = (mbegin − meind)c². Voor veel splijtingen van zware kernen ligt Q rond 200 MeV. Het grootste deel wordt kinetische energie van de fragmenten; de rest verschijnt in neutronen, gammafotonen en later verval.
De kromme van bindingsenergie per nucleon verklaart de richting. Middelzware kernen zijn gemiddeld sterker gebonden per nucleon dan zeer zware kernen. De afname van de totale rustmassa is precies de energiewinst van het systeem.
Waarom neutronen een keten kunnen onderhouden
Een splijting kan meer dan één neutron leveren dat een volgende splijting veroorzaakt. De vermenigvuldigingsfactor k vat de balans samen: k<1 dooft uit, k=1 blijft stationair en k>1 groeit. “Kritisch” betekent hier k=1 en is geen synoniem voor explosief.
k hangt af van productie, lekkage, niet-splijtende absorptie en de kans dat overblijvende neutronen opnieuw splijting veroorzaken. Daardoor zijn geometrie, materiaalopbouw en neutronenergie wezenlijke onderdelen van de fysica.
Prompte en vertraagde componenten
De meeste splijtingsneutronen ontstaan vrijwel onmiddellijk. Een kleine fractie wordt later uitgezonden door bepaalde splijtingsproducten. Die vertraagde neutronen zijn weinig talrijk, maar maken de tijdschaal van een regelbare kettingreactie veel langer.
Ook de energie komt in fasen: snelle fragmentbeweging en prompte straling, gevolgd door beta- en gamma-verval van de splijtingsproducten. Een complete energiebalans moet daarom aangeven welke producten en welk tijdvenster worden meegeteld.
Uitgewerkte voorbeelden
1. Nucleonen en lading behouden
Oplossing
Voor ²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3n geldt voor het massagetal 236 aan beide kanten: 235+1 = 141+92+3. Ook de kernlading klopt: 92 = 56+36.
2. Wat betekent k = 0,97?
Oplossing
Omdat k<1, levert elke generatie minder effectieve neutronen dan de vorige. De keten dooft uit.
3. Waar komt de energie vandaan?
Oplossing
De producten hebben samen een kleinere rustmassa en gemiddeld een grotere bindingsenergie per nucleon. Het massaverschil verschijnt als energie via Q=Δmc².