Zweedse wetenschappers ontrafelen fusiemysterie: waarom splijt een atoom eigenlijk scheef? De doorbraak kan de sleutel vormen tot schonere kernenergie én beter begrip van het heelal.
Onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden hebben een belangrijke doorbraak geboekt in ons begrip van kernsplijting. Door voor het eerst splijtingsreacties te bestuderen in meer dan 100 exotische isotopen van elementen als platina, kwik en lood, hebben zij licht geworpen op een fundamenteel, maar tot dusver slecht begrepen aspect van de splijtingsreactie: waarom splijt een atoomkern eigenlijk altijd in ongelijke stukken?
Volgens het onderzoek, gepubliceerd in Nature, biedt deze ontdekking niet alleen nieuwe aanknopingspunten voor toekomstige kernenergie, maar helpt het ook om beter te begrijpen hoe de elementen in het heelal zijn ontstaan.
Kernsplijting nog steeds niet helemaal begrepen
In een wereld waarin de energievraag blijft stijgen en landen worstelen om hun klimaatdoelen te halen, staat kernenergie opnieuw in de belangstelling. Wind- en zonne-energie zijn schoon, maar niet altijd beschikbaar. Kernsplijting biedt een CO2-vrije bron van constante energie, maar kampt met grote nadelen: radioactief afval, veiligheidszorgen en hoge kosten.
Daarom wordt veel onderzoek gedaan naar zogeheten small modular reactors (SMR’s) en microreactoren. Deze compacte reactoren beloven veiliger en efficiënter te zijn, maar zijn nog altijd gebaseerd op dezelfde fissionele basisprocessen die we nog lang niet volledig begrijpen. En dat is precies wat het onderzoek uit Zweden zo relevant maakt.
Asymmetrisch mysterie
Bij kernsplijting wordt een zware atoomkern, zoals uranium-235, met een neutron beschoten. Hierdoor wordt de kern onstabiel en breekt zij in twee (soms drie) kleinere fragmenten. Wat wetenschappers al decennia verbaast: deze fragmenten zijn zelden gelijk verdeeld. De splijting levert vrijwel altijd één zwaarder en één lichter fragment op.
De reden? De zogeheten “nucleaire schilstructuur“. Net als elektronen zich in schillen rond een atoomkern bevinden, kennen ook protonen en neutronen in de kern stabiele schilconfiguraties. Volledig gevulde schillen maken een kern stabieler – en juist deze stabiliteit lijkt de splijtingsuitkomst te beïnvloeden.
Tot nu toe werd dit voornamelijk onderzocht bij langlevende, reactorgeschikte isotopen zoals uranium en plutonium. Maar wat als we verder kijken?
100 exotische atoomkernen geven verrassende inzichten
Omdat het moeilijk is om kortlevende isotopen te bestuderen (ze vervallen vaak binnen milliseconden), besloten de onderzoekers onder leiding van associate professor Andreas Heinz het anders aan te pakken. Ze selecteerden 100 exotische isotopen van zware elementen – sommige met meer protonen dan neutronen – en bestudeerden hoe deze zich gedragen tijdens kernsplijting.
“We hebben een regio van atoomkernen onderzocht die tot nu toe nauwelijks in kaart was gebracht,” aldus Heinz in het persbericht. En met succes.
Magisch getal 36
De grote verrassing? In bijna alle gevallen bleek het lichtere fragment een opvallend stabiel aantal protonen te bevatten: exact 36. Dit suggereert dat juist dit aantal een soort ‘magisch getal’ vormt in de nucleaire schilstructuur – en dus een belangrijke rol speelt bij het bepalen hoe een kern splijt.
Waarom dit belangrijk is
Hoewel het onderzoek niet het volledige mysterie van kernsplijting oplost, biedt het cruciale nieuwe inzichten in de basis van het proces. Dit is van groot belang voor de toekomst van kernenergie. Als we beter begrijpen waarom splijting verloopt zoals het doet, kunnen we wellicht reactoren ontwerpen die minder afval produceren of specifieke fragmenten opleveren die gemakkelijker te verwerken zijn.
Maar er is meer: het onderzoek helpt ook bij het ontrafelen van de oorsprong van de elementen in het heelal. Veel zware elementen ontstaan bij extreme kosmische gebeurtenissen, zoals supernova’s of neutronensterbotsingen – waarbij ook kernsplijting een rol speelt. Begrijpen hoe kernen zich gedragen tijdens zulke processen, helpt astronomen en natuurkundigen om het ontstaan van materie zelf beter te doorgronden.
Kernenergie veiliger, slimmer en schoner?
De studie van Heinz en zijn team toont aan dat er nog veel te leren valt over een proces dat al sinds de jaren ’40 in reactoren wordt toegepast. Hoe meer we begrijpen van de fundamentele natuurwetten achter kernsplijting, hoe beter we deze technologie kunnen aanpassen aan de eisen van de 21e eeuw: veilig, duurzaam en breed toepasbaar.
Het onderzoek uit Zweden is dus meer dan een academische exercitie – het is een bouwsteen voor de kernenergie van morgen.
