Berging van radioactief materiaal Michiel Milis2017-2018mevrouw Cools Woord voorafDit eindwerk is geschreven in het kader van mijn geïntegreerde proef op het einde van mijn opleiding 6 TW

Berging van radioactief materiaal
Michiel Milis2017-2018mevrouw Cools

Woord voorafDit eindwerk is geschreven in het kader van mijn geïntegreerde proef op het einde van mijn opleiding 6 TW. Ik heb mijn onderwerp “opslaan/bergen van radioactief afval” gekozen omdat ik geïnteresseerd ben in kernenergie en kernrampen. Ik ben begonnen met het opzoeken van de basisinformatie over het onderwerp om hierover bij te leren, vervolgens heb ik via een familielid contact gelegd met hogere bedrijven binnen dit domein.Het is mijn bedoeling om de problemen waar we voor staan op vlak van opslag van radioactief materiaal aan te kaarten en vervolgens de mogelijkheden en vorderingen uit te leggen.In het bijzonder wil ik Jan Rypens contact persoon van Euridice bedanken voor de rondleiding en informatie die ik kreeg over het Hades onderzoekcentrum hij zorgde er ook voor dat ik toegang heb gekregen tot het Preclay experiment en heeft me laten deelnemen aan een rondleiding in Isotopolis. Ook wil ik mijn dank betuigen aan mijn ouders om me te steunen en om me naar Dessel en Mol te rijden, mijn mentor voor het ondersteunen van het schrijven van dit werk, mijn vakleerkrachten Pieter Sleuwaegen, Yves Humblet en Lydia Wellens voor de ondersteuning bij mijn praktische proeven wanneer nodig en ten slotte nog Eddy De Koninck, Ingenieur bij Belgoprocess, om me te helpen toegang te krijgen tot Belgoprocess en de nuttige informatie.

We Will Write a Custom Essay Specifically
For You For Only $13.90/page!


order now

Inhoudsopgave TOC o “1-3” h z u Woord vooraf PAGEREF _Toc511735931 h 3Inhoudsopgave PAGEREF _Toc511735932 h 4Inleiding PAGEREF _Toc511735933 h 51.Wat is radioactiviteit PAGEREF _Toc511735934 h 62.Belangrijkste gebruik van radioactieve materialen: PAGEREF _Toc511735935 h 102.1.Energieproductie PAGEREF _Toc511735936 h 102.2.Medische toepassingen: PAGEREF _Toc511735937 h 112.3.Industriële toepassingen: PAGEREF _Toc511735938 h 112.4.Voedingsindustrie: PAGEREF _Toc511735939 h 123.Wat is radioactief afval? PAGEREF _Toc511735940 h 123.1.Radioactief afval – Categorie A PAGEREF _Toc511735941 h 133.2.Radioactief afval – Categorie B PAGEREF _Toc511735942 h 133.3.Radioactief afval – Categorie C PAGEREF _Toc511735943 h 134.Waarom moeten we radioactief afval opbergen? PAGEREF _Toc511735944 h 145.Hoe radioactief afval opbergen? PAGEREF _Toc511735945 h 166.1 Verwerking en opslag van laagradioactief afval PAGEREF _Toc511735946 h 186.1.1.Opslag TENORM-afval PAGEREF _Toc511735947 h 206.2 Verwerking en opslag van gemiddeld en hoogradioactief afval PAGEREF _Toc511735948 h 217.Experimentele studie PAGEREF _Toc511735949 h 247.1.Inleiding PAGEREF _Toc511735950 h 247.2.Onderzoeksvraag PAGEREF _Toc511735951 h 267.3.Principe PAGEREF _Toc511735952 h 267.4.Hypotheses PAGEREF _Toc511735953 h 267.4.1.Onderzoeksvraag 1: Bepaling warmtegeleidingscoëfficiënt van klei PAGEREF _Toc511735954 h 277.4.2.Onderzoeksvraag 2: Bepaling warmtecapaciteit van klei PAGEREF _Toc511735955 h 328.Besluit en reflectie experimentele studie PAGEREF _Toc511735956 h 3810. Bronvermelding. PAGEREF _Toc511735957 h 3911. Bijlage: Beschrijving mislukte experimentele proef PAGEREF _Toc511735958 h 4311.1.Berekening geleidingsflux : PAGEREF _Toc511735959 h 4311.2. Berekening geleidingsflux: Benodigdheden/ voorbereiding PAGEREF _Toc511735960 h 4311.3. Berekening geleidingsflux: Inleiding PAGEREF _Toc511735961 h 4311.4. Berekening geleidingsflux: werkwijze PAGEREF _Toc511735962 h 4311.5. Waarnemingen en berekeningen PAGEREF _Toc511735963 h 4411.6 Besluit en reflectie experimentele studie PAGEREF _Toc511735964 h 44
InleidingDeze Geïntegreerde Proef (GIP) zal de opslag/ het bergen van radioactief afval beschrijven.
Ik ga in dit eindwerk eerst uitleggen wat radioactiviteit is. Dit zal ik doen door te beschrijven hoe straling ontstaat vanuit de atoomkern. Hoe dit proces werkt en welke soorten straling er allemaal ontstaan.

Als we dan weten wat radioactiviteit is, richt ik me op waarom radioactiviteit belangrijk is. Op de vraag hoe wij als mens straling gaan gebruiken in tal van sectoren en op welke manier de straling hier benut kan worden? Naast het nuttig gebruik van radioactieve straling kan straling ook levensbedreigend zijn. Ook hierop zal ik kort ingaan.

Wanneer we deze straling gebruiken produceren we uiteraard ook afval. Dit kan men verdelen in drie grote soorten, deze komen hier ook aan bod.

We moeten al dit radioactief afval veilig opslaan onder strenge controle, maar waarom doen we dit?
We kunnen het afval niet zomaar dumpen in de zee. We moeten het voor lange tijd – honderden jaren – veilig opbergen. Hoe krijgen we dit voor elkaar?
Tenslotte heb ik ook een aantal proeven uitgevoerd die aansluiten bij dit domein.

Zoals je kan zien zijn er zeer veel vragen die gesteld worden, deze vragen worden in dit werk beantwoord, maar er zijn nog oneindig veel vragen die we ons hierbij stellen waarvoor we nog geen antwoorden en oplossingen hebben gevonden als mens.

Wat is radioactiviteitOnze omgeving bestaat uit verschillende stoffen. Deze zijn opgebouwd uit moleculen, die op hun beurt weer bestaan uit atomen. Atomen vormen onderling de bouwstenen van al de materie op aarde.

Bij een beperkt aantal atomen is de kern instabiel, ze willen dan uit elkaar vallen naar een meer stabielere vorm. Als dat gebeurt, wordt één atoom opgebroken in twee of meerdere nieuwe atomen en wordt warmte en radioactieve straling uitgestoten. De met veel energie gevormde radioactieve straling wordt radioactiviteit genoemd.

Er zijn drie verschillende soorten radioactieve straling: alfastraling, bètastraling en gammastraling die gevormd kunnen worden. Alle drie zijn ze hoogenergetisch en kunnen ze schadelijk zijn bij blootstelling:
Afbeelding 1: Schema tegenhouden straling.

Alfastraling bestaat uit heliumkernen (een heliumkern bestaat uit twee protonen en twee neutronen) die vrijkomen uit een instabiel atoom wanneer dit vervalt. Deze deeltjes worden met hoge snelheid uitgezonden. Omdat ze relatief groot zijn kunnen ze eenvoudig tegenhouden worden; een blad papier is hiervoor al voldoende. (Afbeelding 1)
Bètastraling bestaat uit elektronen. Bij bètaverval van een atoom wordt één neutron in de kern omgezet tot één proton en één elektron. Het gevormde proton blijft in de kern achter en het elektron wordt weggeschoten als bèta-straling. Het atoomnummer van het gevormde isotoop neemt dus met 1 toe, het aantal nucleonen (protonen en neutronen) blijft gelijk. Bètastraling dringt dieper in de materie door dan alfastraling, maar ze kan niet door een aluminiumplaat of door drie meter lucht. Ook tegen bètastraling kunnen we ons relatief goed beschermen door de bron af te schermen in een metalen container. (Afbeelding 1)
Gammastraling bestaat uit elektromagnetische golven. Deze dringen veel verder en dieper door in de materie. Bij gammaverval heeft een atoomkern een overschot aan energie. Het atoom verliest deze energie door een gamma-foton uit te zenden, waarbij het aantal neutronen, protonen en elektronen behouden blijft. De fotonen van gammastraling bevatten 10.000 maal zoveel energie als de fotonen in zichtbaar licht, ze zijn dan ook zeer schadelijk voor levende cellen. We beschermen ons tegen ongewenste gammastraling door de bron af te schermen met water, lood of beton. (Afbeelding 1)
Het type straling dat gevormd kan worden, hangt in belangrijke mate af van de grootte van de atoomkernen die vervallen. Zolang het atoomnummer kleiner dan 84 is, komt alleen bètaverval voor, wordt het atoomnummer groter dan kan er zowel alfa- als bètaverval voorkomen.
Dikwijls heeft de atoomkern die ontstaat bij alfa- of bètaverval een teveel aan energie. De kern zal die energie dan uitstoten als een gamma-foton. Zowel alfa- als bètaverval vinden dus vaak plaats in combinatie met gammaverval.

Verval en halfwaardetijd
Een kenmerk van radioactiviteit is dat deze mindert naarmate de tijd verstrijkt. Bij elk verval verandert een onstabiele atoomkern immers in een meer stabiele atoomkern. Dus hoe meer tijd er verstrijkt, hoe minder radioactief het materiaal is, doordat de hoeveelheid uitgezonden radioactieve straling per tijdseenheid steeds lager wordt.

Binnen een volume radioactief materiaal is het niet mogelijk om exact te voorspellen wanneer één welbepaalde kern zal vervallen. Wetenschappelijk is het wel mogelijk om de kans weer te geven dat de kern binnen een bepaalde tijd vervalt.
Zo heb je een kans van 50% dat één welbepaalde koolstof-14-kern binnen de 5730 jaar vervalt (bètaverval). Deze 5730 jaar wordt de “halveringstijd” van koolstof-14 genoemd. Het symbool voor de halveringstijd is t½.
Hoe kleiner de halveringstijd is, des te instabieler de kern omdat deze dus een grotere kans heeft om te vervallen.
We kunnen de halveringstijd van isotopen op twee verschillende manieren omschrijven.

right14224100
De halveringstijd is de tijdsduur waarbinnen een atoomkern (van de isotoop) met een kans van 50% zal vervallen.

Of
De halveringstijd is de tijdsduur waarbinnen de helft van de atoomkernen
(Van de isotoop) vervallen.
Iedere radioactieve stof heeft een bepaalde vaste halveringstijd. Voor de ene stof zijn dat seconden (0,0125 s bij stikstof-12), voor andere stoffen kan dit honderden of zelfs duizenden jaren duren (14 miljard jaar bij Thorium-232).
Deze halveringstijd is ook onafhankelijk van de omstandigheden zoals druk, temperatuur of chemische reacties. Het is dus een vaste waarde die specifiek is voor een bepaalde stof.

Dit heeft belangrijke gevolgen voor de opslag van deze materialen wanneer ze afval worden. De ene radioactieve stof vervalt heel snel en is dus maar kort gevaarlijk voor de mens en ook snel weer ongevaarlijk. Andere radioactieve materialen moet je heel erg lang opslaan voor ze opnieuw ongevaarlijk zijn, dit hangt volledig af van de halfwaardetijd.
9417054064000
Afbeelding 2: Grafiek halfwaardetijd.

Vaak worden door radioactief verval van een onstabiele kern dochterkernen gevormd. Deze dochterkern kan op haar beurt onstabiel zijn en ook weer verder vervallen. Dit zal doorgaan tot uiteindelijk een volledig stabiele kern gevormd wordt. De volgorde van kernen die ontstaan wordt weergegeven door een radioactieve vervalreeks. Wanneer we een dergelijke reeks bekijken, kunnen we onmiddellijk begrijpen dat de halveringstijd van hoogradioactief afval niet de onmiddellijke vermindering van de hoeveelheid schadelijk materiaal betekent. Het wil zeggen dat naast de oorspronkelijke radioactieve stof meerdere radioactieve kernen zullen voorkomen, die elk op hun beurt radioactieve straling produceren en elk hun eigen unieke verval cyclus hebben.

Afbeelding 3: de radioactieve vervalreeks beginnende bij uranium eindigende bij lood

Belangrijkste gebruik van radioactieve materialen:Hoewel het vrij snel duidelijk werd dat er belangrijke nadelen zijn aan het gebruik van radioactieve materialen, worden ze toch gebruikt in een groot aantal domeinen:
EnergieproductieMet kernreactoren kan energie geproduceerd worden, die niet alleen gebruikt wordt voor elektriciteitsproductie, maar ook voor het aandrijven van bijvoorbeeld vliegdekschepen en onderzeeërs.

Het proces dat we gebruiken voor deze opwekking van energie is “gecontroleerde kernsplijting” in een kerncentrale. Bij de kernsplijting gaan we ervoor zorgen dat we de kern van een U235 atoom opbreken. Bij dit splijtingsproces worden niet alleen splitsingsproducten en straling gevormd maar ook warmte. Het is die warmte, die wordt omgezet tot stoom waarmee een elektriciteit-generator aangedreven kan worden. De vrijgekomen neutronen gaan de reactie in stand houden door bij botsing met een U235 atoom een kernsplijting te forceren.
Als we dit doen vinden volgende reactie plaats: 235U + 1 neutron  2 neutronen + 92Kr + 142Ba + E (energie) 235U + 1 neutron  2 neutronen + 94Sr + 140Xe + E (energie) 235U + 1 neutron  3 neutronen + 90Kr + 143Ba + E (energie)
Zoals je kan zien treedt in deze reacties een bijzonder fysisch fenomeen op: er wordt massa omgezet naar energie. Hierdoor is het experimenteel meetbaar verschil in massa tussen begin- en eindproducten te verklaren. Dit massaverschil wordt ook het “massadefect” genoemd. Om dit beter te begrijpen kunnen we de beroemde formule E = ?m.c2 toepassen. Betekenis: de energie is het product van het verschil in massa tussen voor en na de splitsing van de kern (de hoeveelheid verloren massa= de massa die omgezet is in energie), en het kwadraat van de lichtsnelheid. Dit verklaart waarom bij kernsplijting zoveel energie vrijkomt, een heel kleine hoeveelheid massa wordt immers omgezet in een enorme hoeveelheid energie
De hierboven vermelde “gecontroleerde” kernsplijting zorgt ervoor dat een aantal neutronen opgevangen en geneutraliseerd worden alvorens ze kunnen botsen met een U235 atoom. Dit wordt gedaan door controlestaven in de reactor neer te laten. Hoe verder ze in de reactor hangen hoe meer elektronen tegengehouden worden. Zo kan men controleren dat uit elke splijting van een U235 atoom slechts 1 neutron ter beschikking gesteld wordt om de verdere kernreacties tot stand te houden. Wanneer deze reactie niet zou gecontroleerd worden dan zal het aantal splitsingen sterk stijgen, met als gevolg een enorme stijging van de geproduceerde warmte en uiteindelijk een nucleaire meltdown. Deze nucleaire ramp veroorzaakt het exploderen van de kernreactor waardoor een groot gebied besmet wordt met hoogradioactief materiaal. Dit is wat gebeurde in Tsjernobyl, Oekraïne, in 1986.
Een kernreactor levert veel meer energie dan een energiecentrale die op fossiele brandstoffen werkt en is dus voordeliger. Toen men dit ontdekte begon men kernreactoren te bouwen in plaats van de kolen- of gascentrales. Pas veel later zag men ook de nadelen van deze kernreactoren. De kerncentrales produceren veel hoogradioactief afval dat een gevaar betekend voor mens, dier en natuur.
Medische toepassingen:
Radioactieve straling kan men gebruiken om:
Een diagnose te stellen door medische beeldvormingstechnieken. Er zijn hierbinnen zeer veel toepassingen zoals: een botscan, Ventilatie/perfusiescan van de longen, Schildklierscan, Bijschildklierscan, Lever/galscan. Door deze diagnosetechnieken kan men via radioactieve straling een beeld vormen van wat erbinnen in het lichaam is, en dit zonder een kijkoperatie uit te moeten voeren.

Patiënten te behandelen (therapie) door bestraling. De meest bekende behandeling die gebruik maakt van straling is radiotherapie voor kankerpatiënten. Hierbij wordt de patiënt blootgesteld aan ioniserende straling. Deze straling zal al de snel delende cellen vernietigen, en dus ook de kanker(cellen) kapot maken.

De straling die nodig is voor medische toepassingen kan opgewekt worden door een toestel (gebruik makende van een lineaire versneller) of door gebruik te maken van medische isotopen.
Industriële toepassingen:
Diktemetingen van bijvoorbeeld papier, of om te controleren of een lasnaad voldoet aan de gestelde eisen.

Voedingsindustrie:
Het steriliseren van voedingswaren. Het voedsel wordt radioactief bestraald waardoor al de levende organismen die aanwezig zijn op of in de voeding zullen sterven.

Wat is radioactief afval?Als we spreken over radioactief afval dan spreken we ten eerste over al de afvalmaterialen die radioactieve straling uitzenden, en ten tweede over al de materialen die besmet zijn door radioactieve stoffen of straling. Dit zijn al de materialen die in contact zijn gekomen met een radioactieve bron en dus door de straling besmet zijn.
Wanneer we spreken over radioactief materiaal en dus ook radioactief afval is het belangrijk te vermelden dat dit zo gevaarlijk is dat er een Europese richtlijn opgemaakt is die beschrijft hoe omgegaan “moet” worden met deze stoffen.
Elk land binnen de Europese Unie heeft deze richtlijn vertaald naar specifieke regels (of zou dat gedaan moeten hebben). België heeft de regels gegoten in een document dat “Nationaal programma voor het beheer van verbruikte splijtstoffen en radioactief afval” genoemd wordt. In dit document staat vermeld welke instellingen er verantwoordelijk zijn voor het beheer van het radioactief afval en ook op welke manier er met deze gevaarlijke stoffen omgegaan moet worden om de veiligheid van de bevolking te garanderen.
Deze regels die bestaan voor het gebruik en de opslag van radioactief materiaal zijn zeer strikt en worden vaak gecontroleerd. Voor de berging van radioactief afval gaat men het radioactief afval onderverdelen in 3 categorieën, namelijk: A, B en C.

Afbeelding 4: onderverdeling radioactief afval
Naargelang tot welke categorie het afval behoort, zal het op een andere manier verwerkt en opgeslagen moeten worden. Tot welke categorie het afval behoort, hangt af van het activiteitsniveau (het aantal nucleaire desintegraties per tijdseenheid (hoe vaak de stof vervalt)), de aard van de stralingen die uitgezonden worden en besmettingsniveau.

Radioactief afval – Categorie ARadioactief afval dat tot categorie A behoort is afval met een lage of middelmatige activiteit. Het afval is ook kortlevend; dit betekent een halveringstijd van 30 jaar of minder.Tot dit afval behoren: filters, kleding en handschoenen, verpakkingen, papier, naalden van spuiten, enz..) die in contact zijn gekomen met radioactieve stoffen.

Radioactief afval – Categorie BDeze categorie bevat al de materialen die besmet zijn geraakt met een of meerdere radioactieve elementen met een lange halveringstijd.Dit afval is meestal afkomstig uit al de installaties die brandstof produceren voor kerncentrales en ook uit de opwerkingsfabrieken voor radioactief bestraalde brandstof. En er zal ook steeds meer en meer afval bijkomen dat afkomstig is uit de ontmanteling van oude kerncentrales.

Radioactief afval – Categorie CDit is de laatste en meest gevaarlijke categorie. Deze bevat namelijk het hoogradioactief en langlevend radioactief afval. Het is zo actief dat het warmte afgeeft. Dit afval is uiterst gevaarlijk voor de mens en zal dus het veiligst opgeborgen moeten worden.Dit afval bestaat hoofdzakelijk uit de verbruikte kernbrandstoffen of de uit de afvalstoffen die geproduceerd worden bij de opwerking van de verbruikte kernbrandstoffen (dit is het omzetten van een klein deel van het materiaal uit de gebruikte brandstofstaven tot nieuwe, bruikbare brandstofstaven).

“Ongeveer 75% van het volume radioactief afval is laagactief; ongeveer 1% is hoogactief (dit afval bevat echter 95% van de totale activiteit van alle afvalcategorieën samen). De rest van het afval bestaat uit middelactief afval.” (Bron van de quote: https://www.niras.be/soorten-radioactief-afval)
In België is door de regering in 2006 beslist dat categorie A-afval zal opgeslagen worden als oppervlakteberging gedurende lange termijn.
Voor categorie B- en C-afval is er in België nog geen definitieve beslissing genomen maar is onderzoek bezig om:
Te bepalen welke opslagmethode het best geschikt is,
Te onderzoeken welke technieken het best gebruikt worden om het afval op te slaan,
De verschillende fasen van de afvalverwerking beter te bepalen en beschrijven.

Waarom moeten we radioactief afval opbergen?Zoals eerder vermeld zendt radioactief materiaal ioniserende straling uit. Contact met ioniserende straling is zeer schadelijk voor de mens.De gevolgen van de straling zijn sterk afhankelijk van het soort straling en de stralingsdosis:
Bij alfastralen kan er roodheid en irritatie ontstaan vergelijkbaar met brandwonden, deze straling kan niet door de huid.
Bètastraling beschadigt de huid zwaar en deze straling heeft ook nog ioniserend vermogen waardoor het schadelijk is voor elk soort cel waar het binnendringt.
Gammastralen kunnen zowel door de huid als door de celwand.Als deze straling in de cellen terecht komt, kan deze het DNA van de cel beschadigen en zo ontstaan er mutaties in het DNA die ook worden doorgegeven aan het nageslacht. Deze mutaties kunnen leiden tot het ontstaan van kankers en kunnen de dood tot gevolg hebben.

Dit alles proberen we te voorkomen door het afval op te bergen zodat het noch het milieu, noch de gezondheid van levende organismen kan beïnvloeden.

Als een mens te veel radioactieve straling ontvangt zal die stralingsziekte krijgen. De acute symptomen van stralingsziekte zijn: misselijkheid, braken, diarree en een dalend aantal bloedcellen. Deze symptomen verdwijnen vaak spontaan na enkele minuten tot dagen.Na 2 tot 3 weken komen er nieuwe symptomen. Dit zijn: moeheid, verdere daling van het aantal witte bloedcellen, infecties, bloedingen en haaruitval. Personen die in contact komen met een grote hoeveelheid straling sterven meestal binnen de twee maanden.

Het is dus uiterst belangrijk om het afval weg te houden van levende organismen. Hiervoor hebben we hulpmiddelen nodig om de straling tegen te houden. Onderzoek naar de mogelijkheden om levende organismen af te schermen van radioactief materiaal valt onder het wetenschappelijk aspect van de berging van het radioactief afval.

Maar de berging van radioactief afval draait niet enkel om het wetenschappelijk aspect. De berging hangt af van 4 belangrijke voorwaarden: – duurzaamheid, – veiligheid, – of het technisch haalbaar is of niet, – is het ook sociaal aanvaard.Voor er een berging kan plaatsvinden moet de bergingsmethode voldoen aan deze vier voorwaarden. Vooral het sociale aspect is belangrijk aangezien er altijd gekeken moet worden of het ethisch verantwoord is, welke impact het heeft op de samenleving, etc. Het betekent dus niet dat als een bergingsmethode wetenschappelijk mogelijk is, dat deze meteen geschikt is. Aangezien je de bevolking ook moet overtuigen en gerust moet stellen.

Vooral het maatschappelijk luik vormt vaak het grootste probleem. Veel milieuorganisaties zijn tegen alles wat met radioactiviteit te maken heeft. Zij verzetten zich bij elk voorstel dat er gedaan wordt, en benadrukken de negatieve kanten om zo alle voorstellen tegen te houden. Het zijn deze organisaties die in het nieuws komen wanneer ze actievoeren tegen kernenergie en transport of opslag van radioactieve materialen. Je krijgt als leek een eenzijdig en vooral negatief beeld.

Veel mensen voelen zich onveilig bij het idee dat radioactief afval in hun buurt opgeslagen zou kunnen worden. Ze zien het afval als een serieus risico, en een stijging van het aantal mensen met kanker. Het radioactief afval moet dus zo ver mogelijk van de maatschappij weghouden worden.

Maar hoe men het ook bekijkt, er is één ding heel zeker. Het afval is er en moet op een zo veilige manier opgeborgen worden zodat de mens veilig blijft.

Hoe radioactief afval opbergen?Het voorkomen van radioactief afval is een wereldwijd probleem. Tot in het 2de deel van de 20ste eeuw werd radioactief afval nog niet op een veilige manier geborgen. Amerika en een groot deel van de landen in Europa dumpten hun radioactief afval gewoon in de Grote en Atlantische Oceaan omdat op deze manier het afval zo ver mogelijk verwijderd was van de mens met de middelen die men toen ter beschikking had. Het afval dat ze dumpten was verpakt in speciale metalen vaten waarin het gecementeerd afval zat. Maar door het zout water corrodeerden de vaten en kwam het radioactief afval vrij in de oceaan, waardoor straling zich kon verspreiden door de stromingen van de oceanen.Pas in 1971 werd het verboden om hoogradioactief afval te dumpen in de oceanen. Maar er ligt nog steeds een zeer grote hoeveelheid radioactief afval op de bodem van onze oceanen aangezien er geen grote operaties hebben plaatsgevonden om al dit afval uit de oceanen te halen.

Na een tijd had men door dat dit dumpen van radioactief afval in oceanen geen oplossing was en begon men met het zoeken naar nieuwe methodes om het afval op te slaan. En uiteindelijk op te bergen op een veilige manier. Deze methodes moest men zo snel mogelijk vinden aangezien er steeds meer en meer radioactief afval gecreëerd werd. Door de stijging van de hoeveelheid radioactief afval wordt het hoogdringend om de nodige beslissingen en acties te nemen.

De mogelijke opslagmethodes kunnen onderverdeeld worden in drie types:
Oppervlakte berging (Near-surface disposal)
Geologische berging ( HYPERLINK “http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-wastes/storage-and-disposal-of-radioactive-waste.aspx” l “ECSArticleLink1” Deep geological disposal)
Tussentijdse opslag en vervoer
Zoals eerder vermeld, zal de manier waarop het radioactief afval opgeborgen wordt volledig afhangen van de categorie afval waartoe het behoort.
Elke categorie van afval zal dus op een aangepaste manier verwerkt worden, en moeten er ook bepaalde regels gevolgd worden die afhangen van de categorie waartoe het afval behoort.

Voor we toekomen aan het opbergen van het radioactief afval moet dit eerst verzameld en getransporteerd worden naar een bedrijf dat gespecialiseerd is in het verwerken van radioactief afval zoals bijvoorbeeld Belgoprocess in Dessel. Bij Belgoprocess wordt het afval verwerkt zodat het veilig kan opgeslagen worden voor een langere tijd. Wanneer het brandstofstaven uit kernreactoren zijn is het evenwel ook mogelijk dat deze naar een opwerkingsfabriek gestuurd worden. Om ze zo om te zetten naar nieuwe brandstofstaven. Dit zijn de zogenaamde “nucleaire opwerkingsbedrijven”. Om zo volledig mogelijk te zijn wil ik hier ook een experimentele vorm van verwerking beschrijven. Transmutatie. Bij transmutatie worden de hoogradioactieve elementen uit het afval in een reactorkern gebracht. Ze wordt daar geforceerd gesplitst tot korter levende elementen die dus veel minder lang straling geven. Dit gebeurt door ze te bombarderen met neutronen uit een deeltjesversneller. Transmutatie kan dus de hoeveelheid en de stralingssterkte van hoogradioactief afval sterk verminderen. Zo kan de bergingstijd die nodig is om dit afval veilig op te slaan verminderd worden van enkele honderdduizenden jaren tot minder dan 1000 jaar. De deeltjesversneller houdt de kettingreactie van kernsplijting gaande. Er wordt voor de kern bevat te weinig splijtbaar materiaal gebruikt om de kettingreactie spontaan te laten lopen dus dit is een uiterst veilige techniek. In de toekomst zou deze techniek dan ook door verwerkingsbedrijven toegepast kunnen worden.
Het transportHet afval bevindt zich bij het transport altijd in een speciale container die moet voldoen aan de strenge regelgeving. Dat wil ook zeggen dat reeds op de plaats waar het radioactief afval geproduceerd wordt voorzien moet worden om het te kunnen opslaan in de correcte containers. Het vat/de container moet er in alle gevallen voor zorgen dat de maximale werkelijke dosis bij een ongeval nooit hoger kan zijn dan 50 millisieverts over 30 minuten op 1 meter afstand van het vat/de container. Naargelang het afval actiever is, worden de vereisten voor het vat/de container strenger. Het vat/de container met het hoogradioactief afval moet bijvoorbeeld bestand zijn tegen een val van een hoogte van 9 meter of een val van 3 meter op een puntig/scherp voorwerp, ook moeten ze een vuurtest van 800 °C gedurende 30 minuten kunnen overleven. Daarnaast moeten de vaten een onderdompeling in water op een diepte van 15 meter (200 m voor de bestraalde splijtstoffen) met succes doorstaan.

Transport gebeurt meestal over de weg. Omdat dit niet altijd efficiënt is en verwerking van het geproduceerde radioactief afval niet altijd in eigen land kan plaatsvinden wordt onderzocht of het mogelijk is om deze vaten via een trein te vervoeren. Bij dit transport worden de veiligheidsvoorschriften extra goed gecontroleerd aangezien het risico hier hoger ligt wanneer men het radioactief afval via een trein door tal van gemeenten stuurt. De eerste maal dat er radioactief afval vanuit Frankrijk naar België (Belgoprocess) vervoerd is met een trein was op 30 augustus in 2017 hier is zeer veel protest tegen geweest.

Wanneer het radioactief afval aankomt zal de verwerking van start gaan naargelang de categorie waartoe het behoort. Het verwerkende bedrijf zal het afval ontvangen en op een veilige en efficiënte manier verwerken en klaarmaken voor de opberging.

6.1 Verwerking en opslag van laagradioactief afvalIk bespreek in dit hoofdstuk eerst de opslag van laagradioactief afval in België. Aan het einde van dit hoofdstuk komt de verwerking van een speciaal soort laagradioactief afval, namelijk TENORM (Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials). Hier geef ik weer dat niet altijd op dezelfde manier en onder dezelfde regels gewerkt wordt in alle landen.

Wanneer de vaten laagradioactief afval aankomen met speciale hiervoor voorziene vrachtwagens, zijn ze voorzien van een streepjescode met de gegevens over waar het afval vandaan komt, wat het is, welk soort straling, hoeveel activiteit, …. Deze info is verplicht aanwezig want anders zal men het niet verwerken. De informatie wordt doorgegeven door de bedrijven waarvan het afval afkomstig is.

Bij de eerste stap wordt het afval gewogen en wordt de straling gemeten. Dit doet men om te controleren of het overeenkomt met de doorgegeven informatie.
Vervolgens wordt het vervoerd naar een speciale oven waarin het afval verbrand kan worden, hierin kan men zowel vast als vloeibaar radioactief afval verbranden. Dit is nodig om het volume van het afval te verkleinen.

Als dit gebeurd is, worden al de assen verzameld en in vaten van 200 liter geplaatst.

Deze vaten worden vervolgens samengeperst tot veel dunnere “galetten” die men in een groter vat van 400 liter kan stapelen.

Als dit vat volgestapeld is, cementeren ze het vat. Dit betekent dat men het vat volledig opvult met cement en mortel om al de radioactieve straling bijna volledig af te schermen.

Wanneer de mortel en cement uitgehard is, zal men het vat hermetisch afsluiten en met vrachtwagens vervoeren voor verdere verwerking (zie volgende paragraaf: oppervlakteberging) naar de tijdelijke opslag die betonnen muren van 75cm dik heeft om straling tegen te houden. Deze bunker beschermd de vaten natuurlijk ook tegen invloeden van buitenaf, zoals regen.

Momenteel is er nog geen permanente opslagplaats voor het laagradioactief afval in België, maar er zijn al plannen om deze in de zeer nabije toekomst te bouwen.De bergingsmethode die men zal gebruiken voor de berging van het laagradioactief afval is oppervlakteberging, en de gespecialiseerde opslagplaats zal gebouwd worden in Dessel. Hier zal dus het laagradioactief afval geborgen worden tot het weer veilig is voor de mens (dat wil zeggen gedurende minstens 300 jaar).

Wat is oppervlakteberging?Bij oppervlakteberging gaat men het laagradioactief afval veilig opslaan aan de oppervlakte, de veiligheid wordt gegarandeerd door te werken met meerdere barrières.

(1) Eerst moeten er caissons gemaakt worden; Caissons zijn grote betonnen kisten met een wand van
12cm dik. Er zijn 3 types caissons: – Type 1: opslag van vijf 200L vaten of vier 400L vaten. – Type 2: opslag van 1 niet standaard vat. – Type 3: dit type bevat een extra metalen wand en wordt
gebruikt om bulkafval in op te slaan
(2) Vervolgens worden met de caissons van uit de vorige stap, grotere monolieten gemaakt. Een monoliet is een betonnen kist waarin men caissons geplaatst heeft. Vervolgens vult men de rest van de betonnen kist op met mortel die men via het deksel naar binnen spuit om zo een vast geheel te vormen dat niet meer uit elkaar kan komen.

2681605825500(3) De monolieten worden daarna naar een bergingsmodule vervoerd. Een bergingsmodule is een soort van bunker met betonen muren van 75cm dik, waarin men de monolieten zal stapelen tot aan het dak om de volledige ruimte te benutten. In deze bergingsmodule zijn de monolieten beschermt tegen de weersomstandigheden zoals wind en regen. In elke bergingsmodule kunnen 936 monolieten geplaatst worden.

Afbeelding 5: oppervlakte bergingsmodule
Opslag TENORM-afval
Aan het einde van dit hoofdstuk wil ik een zeer specifieke bron van laagradioactief afval toelichten namelijk TENORM-afval, omdat deze meestal niet besproken wordt als men over radioactief afval praat. Onder TENORM verstaan we natuurlijk voorkomende radioactieve materialen die door menselijke activiteiten zoals olie- en gasproductie en delfstoffenwinning (bv. Uraniumwinning) vrijkomen. Bij de olie en gas ontginning uit diepe bodemlagen wordt de bodemlaag verstoord waardoor radioactief materiaal uit de natuurlijke omgeving vrijkomt. Dat radioactieve materiaal komt in contact met vloeistoffen en apparatuur. Zodra de olie of het gas uiteindelijk is geëxtraheerd en verwerkt, worden deze radioactieve besmette materialen laagradioactief afval. In de meeste landen wordt dit afval op dezelfde manier verwerkt als “normaal” laagradioactief afval – of Categorie A-afval.
Met één uitzondering, Amerika, daar is de verwerking van TENORM-afval momenteel niet wettelijk geregeld en kunnen de individuele Staten zelf beslissen hoe ze met dit afval omgaan. Omdat de verwerking van radioactief afval zeer duur is werd er door de olie-industrie voor gezorgd dat dit TENORM-afval tot voor kort niet speciaal behandeld moest worden. Ook vandaag is het in Amerika nog altijd normaal het slib dat bij olie- en gaswinning geproduceerd wordt verwerkt mag worden in bouwmaterialen en zo volledig buiten de wetgeving rond de verwerking van radioactief afval valt. Door de recente discussie over schalieolie- en gaswinning is dit onderwerp wel op de radar gebracht. Onder druk van de milieuorganisaties komt hier eindelijk verandering in.

6.2 Verwerking en opslag van gemiddeld en hoogradioactief afvalDeze groep vormt het kleinste massa-volume radioactief afval dat er geproduceerd wordt, maar genereerd het hoogste stralings-volume. Het grote probleem is dat dit dus het gevaarlijkste en het meest langlevende afval is en dus het langst en het best beveiligd geborgen moet worden.
Men is nog steeds onderzoek aan het doen naar hoe we dit veilig kunnen bergen omdat het voor minstens een paar honderdduizenden jaren gevaarlijk blijft door de zeer lange halveringstijd die deze elementen hebben. De berging van gemiddeld- en hoogradioactief afval kunnen we niet aan de oppervlakte doen omdat we niet weten hoe de omgeving gaat veranderen tijdens die periode van verval (bv. aardbevingen of stormen).
We gaan dus op zoek naar een manier om dit afval in een zeer stabiele omgeving te gaan bergen, en dit gaan we doen door geologische berging.

Wat is geologische berging?Geologische berging is een bergingsmethode waarbij we het radioactief afval ondergronds gaan bergen in een diepliggende aardlaag waarvan we weten dat deze al voor een heel lange tijd stabiel en niet verstoord is. Hierdoor weten we dat deze aardlaag ook stabiel gaat blijven als het afval erin geborgen is.Onderzoek heeft aangetoond dat er drie soorten aardlagen voorkomen die hier geschikt voor zijn, namelijk: Graniet-, zout- en kleilagen. Elk van deze lagen heeft wel zijn eigen specifieke risico factoren, bv. wanneer zout beïnvloed wordt door radioactiviteit wordt het een gevaarlijke explosieve stof.
In België kiest men klei voor de berging van het radioactief afval.Maar waarom klei. Klei is een geschikte stof om radioactief afval in op te bergen aangezien klei een slechte warmtegeleider is. Dit betekent dat de klei de warmte die het radioactief afval uitstraalt wel zeer efficiënt kan opnemen maar deze traag doorgeeft. Hierdoor kan voorkomen worden dat in de opslagruimte té hoge temperaturen ontstaan, en kan men gelijktijdig voorkomen dat de opwarming de stabiliteit van de kleilaag in gevaar brengt. Klei is ook instaat om door zijn plastische eigenschappen scheuren of barsten die in de klei zouden ontstaan zelf weer te sluiten. De klei heeft ook de eigenschap dat het radioactieve straling en deeltjes zeer slecht doorlaat waardoor als er toch een lek zou zijn, de radioactieve straling en stoffen vastgehouden worden binnen de klei.

Belangrijk onderzoek naar het gebruik van deze kleilagen wordt gedaan door “the clay club”. Dit is een samenwerking van een groep landen die deze bergingsmethode wensen toe te passen voor hoogradioactief materiaal (België, Canada, Frankrijk, Duitsland, Hongarije, Japan, Nederland, Spanje, Zwitserland, Engeland en de Verenigde Staten).

In België is gekozen voor een opslag nabij Mol, in de Kempen. Hier is het ondergrondprofiel ideaal om de testen, en later de opslag uit te voeren.
Afbeelding 6: Geologische dwarsdoorsnede van de opslagfaciliteit in Mol
Wanneer er een geschikte aardlaag gevonden is, wordt er eerst een schacht recht naar beneden naar de aardlaag gegraven. Vervolgens gaat men dan in de aardlaag een horizontale tunnel maken. Deze tunnels worden ook wel galerijen genoemd. Vervolgens worden er ook tunnels gegraven in de wand van de galerij, deze lopen loodrecht op de galerij. Deze tunnels langs de zijkant zullen gebruikt worden om radioactief afval in te plaatsen. Dit afval zal in de tunnel geplaatst worden in een supercontainer.

136080514160500

Afbeelding 7: Supercontainer.

Deze supercontainer is speciaal ontworpen om het afval af te schermen gedurende de lange periode.Ook de supercontainers zijn ontworpen met een multi-barriere concept; dit houdt in dat de container bestaat uit meerdere lagen. In het midden van de container zit het radioactief afval ingesloten. Dit afval wordt volledig omgeven door een dunne laag koolstofstaal, daarrond komt een dikke laag van beton.
Deze laag is zeer belangrijk omdat het beton zorgt voor een licht-base pH Door deze lage pH wordt het koolstofstaal minder snel aangetast door de radioactieve straling. Het multi-barriere concept zorgt ervoor dat tegen de tijd dat de lagen van de container aangetast zijn tot op een punt dat de straling het buiten-milieu kan bereiken, de stof niet meer radioactief is en dus ook ongevaarlijk geworden is.

In België worden de testen die nodig zijn om inzicht te krijgen in de mogelijkheden van geologische berging uitgevoerd in de ondergrondse labo’s van Euricide, en in het bijzonder onder een testproject dat het Hades-Project genoemd wordt. Om mijn GIP voor te bereiden heb ik een rondleiding aangevraagd en gekregen in deze afgesloten ondergrondse labo’s.

Experimentele studieInleidingOm een betere achtergrond voor mijn experimentele studie te krijgen ben in naar EURIDICE gegaan en heb daar een persoonlijke rondleiding van het ondergrondse labo gekregen.Daar heb ik uitleg gekregen over het onderzoek dat ze in België aan het doen zijn naar geologische berging in ons land. Ook heb ik meer een uitleg gekregen over de proeven die men uitvoert en wat men tot nu toe al waargenomen heeft.In dit ondergronds labo is er al sinds 2007 een experiment aan de gang genaamd het “PRACLAY-experiment”. Dit is een experiment waarbij ze in een schacht met verwarmingselementen de omstandigheden gaan nabootsen die ontstaan als er radioactief afval zou geborgen worden. Dit is van belang aangezien men op deze manier een model kan maken voor hoe de omstandigheden zullen zijn als er radioactief afval voor een lange periode geborgen wordt in dit soort van schachten en dus kan voorspellen of de opslag mogelijk is of niet. De waarnemingen van dit experiment zullen dus bepalen hoe het radioactief afval van België geborgen zal worden.

Bij de opslag van radioactief afval moet niet alleen rekening gehouden worden met de productie van een enorme hoeveelheid schadelijke radioactieve straling, er wordt ook een grote hoeveelheid warmte geproduceerd door het materiaal.

Dit zorgt voor extra uitdagingen bij de opslag. Indien de warmte niet efficiënt opgevangen en afgevoerd kan worden dan zal ze de fysische eigenschappen van de containers en bij uitbreiding ook afschermende materialen wijzigen. Ze kunnen daardoor poreus of broos worden en de straling minder efficiënt afschermen. Niet alleen de vaten waarin het afval opgeslagen wordt kunnen aangetast worden, ook de grondlaag waarin de opslag plaatsvindt kan beschadigd worden indien ze niet over de noodzakelijke combinatie van warmteopslag- en warmteafvoer (transport) beschikt. Zoals beschreven is in België gekozen voor opslag in een diepliggende kleilaag.
Als bruggetje naar mijn praktische proef geef ik onderstaande het verband met thermodynamica weer die een beschrijving geeft van warmtetransport in de natuur. Dit zal in de experimentele paragrafen verder gedetailleerd worden om de exacte berekeningen te verklaren.
Binnen de thermodynamica wordt het proces van warmteoverdracht van een plaats met hoge temperatuur naar een plaats met lagere temperatuur ook flux genoemd. De wetten van de thermodynamica zeggen dat warmteoverdracht altijd van warm naar koud gaat binnen een gesloten systeem. Dit systeem wil van nature naar een zo groot mogelijke vorm van chaos –entropie – wil evolueren. Door een hogere temperatuur zijn er meer atomaire trillingen, en daardoor door meer atomaire botsingen en een hogere mate van chaos.

We kunnen de flux onderverdelen in drie basisvormen:
Stromingsflux: Dit is warmteoverdracht door verplaatsing van een warme vloeistof of een warm gas, of van een koude vloeistof of een koud gas. Wanneer warmte door stroming wordt meegevoerd, kan de mate daarvan worden uitgedrukt met de warmteoverdrachtscoëfficiënt. Deze flux wordt ook convectie genoemd
Straling Flux: Dit is warmteoverdracht tussen twee lichamen, die niet met elkaar in aanraking zijn zonder gebruik te maken van een tussenstof. Het ene lichaam is warm en geeft daardoor veel elektromagnetische straling af en verliest zo warmte, en het andere lichaam absorbeert een deel van de binnenkomende straling en zet die om in warmte.

Geleidingsflux: Dit is warmteoverdracht binnen een stof, waarbij warmte stroomt van deeltjes met de hogere kinetische energie (temperatuur) naar minder energierijke (koudere) deeltjes. Deze “warmtestroom” is afhankelijk van het temperatuurverschil over de afstand (de temperatuurgradiënt) en de interne weerstand tegen warmtestroom van het materiaal, die de thermische geleidbaarheid of warmtegeleidingscoëfficiënt genoemd wordt. Het is de wet van Fourier die de geleidingsflux beschrijft.

In bijna alle gevallen, zal warmteoverdracht plaatsvinden door meerdere van deze flux vormen. In het geval van geologische opslag van radioactief afval, zal de warmteoverdracht van de binnen de vaten opgewekte warmte naar de koudere kleilaag plaatsvinden.

Mijn experimenten werden uitgevoerd om een deeltje van deze complete puzzel te kunnen begrijpen. Het slaat op het berekenen van de thermodynamische eigenschappen van natuurlijke klei. Door wetenschappers is bepaald dat klei unieke eigenschappen heeft die het tot een ideaal materiaal maken om radioactief materiaal in op te slagen. Zo heeft het een zeer lage doorlaatbaarheid voor water, door zijn plastische eigenschappen worden scheuren en breuken in de kleilaag automatisch gesloten, en het heeft de mogelijkheid om warmte efficiënt op te slaan en langzaam af te voeren.

OnderzoeksvraagMijn experimentele studie gaat twee onderzoeksvragen behandelen:
Is klei een goed materiaal om door hoogradioactief afval geproduceerde warmte efficiënt af te voeren?
Is klei een goed materiaal om een grote hoeveelheid door hoogradioactief afval gegenereerde warmte op te slaan?
PrincipeBij deze onderzoeksvragen draait het om de thermodynamische eigenschappen van stoffen en hoe deze de verspreiding van warmte door de stof beïnvloeden. Hierbij zal de afstand tussen de deeltjes van de stof een rol spelen, maar ook hoe de deeltjes t.o.v. van elkaar staan in de stof speelt een belangrijke rol. Verder staat ook de warmtegeleiding van de stof centraal.

Hypotheses- We zijn in staat om Geleidingsflux binnen natuurlijke klei te bepalen door een proefopstelling te bouwen die de meting van warmtegeleiding door klei toelaat. Hiervoor zullen we de warmtegeleidingscoëfficiënt berekenen.
– Klei is een betere warmtegeleider dan water, de warmtegeleidingscoëfficiënt van klei is groter dan deze van water
– binnen éénzelfde gewicht aan klei kan meer warmte opgeslagen worden dan binnen hetzelfde gewicht aan water.

Onderstaande zullen de twee proeven verder beschreven worden in “hoofdstuk 7.3 Berekening warmtegeleidingscoëfficiënt van klei” en in “hoofdstuk 7.4 Berekening van de warmtecapaciteit van klei”. Achteraan mijn Geïntegreerde proef heb ik in bijlage de bespreking opgenomen van een eerste proef die ik uitvoerde en die niet gelukt is.

Onderzoeksvraag 1: Bepaling warmtegeleidingscoëfficiënt van klei- Hoe kunnen we de thermische geleidingscoëfficiënt van klei verkrijgen?
– Hoe kunnen we hiermee experimenteel bewijzen dat klei een betere geleider is dan water?
Principe: Bepaling warmtegeleidingscoëfficiënt van klei
Bij deze proef draait het om de fysische samenstelling van stoffen en hoe deze de verspreiding van warmte door de stof beïnvloeden. Hierbij zal de afstand tussen de deeltjes van de stof een rol spelen, maar ook hoe de deeltjes t.o.v. van elkaar staan in de stof speelt een belangrijke rol. Verder staat ook de warmtegeleiding van de stof centraal.

Om warmteoverdracht door geleiding te beschrijven gebruiken we de wet van Fourier. Deze laat toe om de warmtestroom door een materiaal te beschrijven:

Afbeelding 8: Wet van Fourier
In één dimensie zegt deze wet:
JxS=?*S*?T?x
Waarin:
Jx: warmtestroom in de x-richting Watt
S: oppervlak waardoor het warmtetransport plaatsvindt m2
?: warmtegeleidingscoëfficiënt van het voorwerp W m?1 K?1
dT/dx: temperatuurgradiënt K/m (dit is het temperatuurverschil over de afstand tussen de meetpunten)
Voor mijn proef heb ik deze formule toegepast zonder rekening te houden met de tijd. Met andere woorden, ik heb een tijdsonafhankelijke geleidingsflux bepaald door een langwerpig kleiblok met lengte ?x en doorsnede S met een temperatuurverschil ?T tussen de warmste en de koudste plaats.

De FLUX of warmtestroom berekend worden J=?Q?t=?*S*?T?x
De thermische geleidbaarheid of warmtegeleidingscoëfficiënt (symbool ?) die in de wet van Fournier gebruikt wordt is een constante die weergeeft hoe goed een stof warmte geleidt. Die constante is niet alleen afhankelijk van het materiaal, maar ook van de temperatuur, dichtheid en het vochtgehalte. Hij wordt W/( HYPERLINK “https://nl.wikipedia.org/wiki/Meter” o “Meter” m·K) (de m staat hier voor meter) of als (W*d)/(A*K), hierbij is d de dikte en A de oppervlakte van het materiaal.

Hypothese: Bepaling warmtegeleidingscoëfficiënt van klei
– We kunnen simuleren dat de warmte van radioactief afval zich efficiënt verspreid in een kleibodem. Dit door uit de warmtegeleidingsflux de thermische geleidingscoëfficiënt van klei te berekenen.

– We kunnen hierdoor bewijzen dat klei een betere geleider is dan water.

Benodigdheden/voorbereiding: Bepaling warmtegeleidingscoëfficiënt van klei
Een balkvormig kleistaal met afmetingen L X B X H = 25 cm X 3 cm * 3 cm
Een houden balkje
Parafine kaars
Nauwkeurige meetlat
Digitale thermometer
En extra voor de berekening van de door de paraffinekaarsvlam geproduceerde energie:
Wasknijpers
Opengesneden frisdrankblikje
Water
Chronometer
Werkwijze: Bepaling warmtegeleidingscoëfficiënt van klei
Voor dit experiment werd volgende werkwijze gevolgd:
Het kleistaal in de vorm van een balk met afmetingen (L X B X H = 25 cm X 3 cm * 3 cm) wordt op een houten drager geplaatst (hout is een goede isolator).
Onder het ene uiteinde wordt een brandende paraffinekaars geplaatst
Op 5 cm en 15 cm (dus op een afstand van 10 cm van elkaar) van de kaarsvlam wordt een markering geplaatst om later temperatuurmetingen uit te voeren
Met een digitale thermometer wordt de temperatuur van het water gemeten, tot op 0.1 graad Celsius nauwkeurig. Deze meeting wordt uitgevoerd net voordat de klei uit de oven gehaald wordt voor de derde en laatste temperatuursmeting.

Na 10 minuten wordt de temperatuur in het midden van de kleistaaf op de maatpunten van 5 cm en dat van 15 cm gemeten. Met deze twee temperaturen kan de berekening van de flux uitgevoerd worden. Deze 10 minuten zijn belangrijk omdat we de energie moeten berekenen die de paraffinekaarsvlam op 10 minuten produceert.

De warmtegeleidingscoëfficiënt van de klei kan dan berekend worden uit dit temperatuurverschil, het oppervlak van de kleinste zijkant van de klei balk. Aangezien we een tijdsonafhankelijke proef uitvoeren is enkel het temperatuurverschil over de afstand tussen de twee meetpunten van belang (we gebruiken enkel een tijdskader van 10 minuten om te weten hoeveel energie aan de klei afgestaan is).

< Toevoegen foto’s – experiment ;
Afbeelding 9: Experimentele opstelling bepaling warmte-coëfficiënt klei
Zoals bovenstaande aangehaald is het om de thermodynamische berekening van de Flux te kunnen uitvoeren nodig om de hoeveelheid energie (Watt) die toegevoegd werd aan de klei te kennen. Het gebruik van een paraffinekaars maakt dit niet eenvoudig. Ik heb volgende proefopstelling gemaakt om de geproduceerde warmte te kunnen afleiden. Deze proef wordt 3 maal herhaald en met het berekende gemiddelde van de opwarming in °C-temperatuurstijging op 10 min wordt verder gewerkt:
Een opengeknipt blikje frisdrank wordt gevuld met 100 gram water
Dit wordt met twee houten wasknijpers aan een houten stokje boven een paraffinekaars geplaatst
De temperatuur van het water wordt gemeten voor verwarming
Dan wordt met een chronometer gedurende exact 10 min verwarmd
De temperatuur van het water wordt gemeten na verwarming
; Toevoegen foto’s – experiment >
Afbeelding 10: Experimentele opstelling bepaling energieproductie paraffinekaars
Waarnemingen en berekeningen: Bepaling warmtegeleidingscoëfficiënt van klei
Berekening van de energie de vlam van een paraffinekaars in 10 min opwekt – 3 metingen
Begin temperatuur water Eind temperatuur water TemperatuurverschilGemiddelde Temperatuurverschil op 10 min
25,2 °C 56 °C 30,8 °C = (30,8°C +30,3°C + 31.3°C)/3
= 30,8°C
25,3 °C 55,6 °C 30,3 °C 25,2 °C 56,5°C °C 31,3 °C Tabel 1: berekening energieproductie paraffinekaars
Hiermee kan de door de paraffinekaarsvlam geproduceerde energie berekend worden:
1 gram water 1°C opwarmen kost 1 cal 1 of 0.001163 watt
100 gram water 1°C opwarmen kost 100 cal 1 of 0.01163 watt
Dus de gegenereerde energie voor een opwarming van 100 g water met 30.8 °C dan ook:
0.01163 Watt * 30.8 = 0.36 Watt, dit is de energie gegenereerd door de paraffinekaars in 10 min.

Met deze berekende waarde kan de berekening van de c (symbool ?) uitgevoerd worden:
J = zoals bovenstaande berekend 0.36 Watt
Tx1 = 33.2°C
Tx2 = 19.0 °C => ?T=12.2°C ?x=10cm=0.1mS = 3 cm * 3 cm = 0.03m *0.03m = 0.0009 m^2
1822455886450
J=?*S*?T?x => 0.36 W=? *0.0009m^2*12.2°C0.1m
Of ?= 0.36 W0.0009m^2*12.2°C0.1m = 1.68 W/ K*m
Literatuurstudie toont dat de warmt coëfficiënt van water 0.606 W/ K*m is.

Besluit en reflectie bepaling warmtegeleidingscoëfficiënt van klei
– We zijn er in geslaagd om uit de warmtegeleidingsflux de thermische geleidingscoëfficiënt van klei te berekenen. En als we de berekening uitvoerden dan verkregen we dat de thermische geleidingscoëfficiënt van klei 1.68 W/ K*m bedraagt.

– We hebben experimenteel kunnen bewijzen dat klei een betere geleider is dan water omdat de experimenteel vastgestelde warmtegeleidingscoëfficiënt van klei (1.68 W/ K*m) groter is dan deze van water die we bij een literatuurstudie opgezocht hebben (0.606 W/ K*m).

Onderzoeksvraag 2: Bepaling warmtecapaciteit van kleiHoeveel warmte-energie wordt er opgeslagen in een gekende massa natuurlijke klei?
Principe: Bepaling warmtecapaciteit van klei
Zoals bovenstaand reeds vermeldt, is het niet alleen belangrijk dat de bodemlaag waarin hoogradioactief materiaal opgeslagen wordt de geproduceerde warmte efficiënt kan afvoeren (flux). Ook de capaciteit om warmte op te slaan is van cruciaal belang, dit is de warmtecapaciteit. In de thermodynamica is de warmtecapaciteit van een voorwerp het vermogen van dat voorwerp om energie in de vorm van warmte op te slaan. Als een voorwerp verwarmd wordt dan zal daardoor meestal de interne energie en dus ook de temperatuur stijgen. De betekenis van de warmtecapaciteit kan je best begrijpen door je in te beelden als je dezelfde hoeveelheid energie (warmte) toevoert aan twee voorwerpen, en je dan gaat meten dat de temperatuur van het ene voorwerp minder stijgt dan van een ander. In dit geval heeft het ene voorwerp een grotere warmtecapaciteit dan het andere.

De warmtecapaciteit “C” van een voorwerp wordt uitgedrukt als de verandering met de temperatuur van de hoeveelheid opgeslagen warmte. Het is de benodigde hoeveelheid warmte die je moet toevoegen aan een voorwerp voor een temperatuurstijging van 1 K of 1 °C. Wetenschappelijk moet dit zelfs nog iets nauwkeuriger vermeld worden als de toegevoegde warmte per eenheid van temperatuur bij constante druk en constant volume.

De eenheid waarin de warmtecapaciteit wordt uitgedrukt is (J K?1 (dat wil zeggen J/K, joule per kelvin) of J/°C (joule per graad Celsius)
Nauw verwant aan de warmtecapaciteit is de Soortelijke Warmte “c”. De Soortelijke warmte is een grootheid die aangeeft hoeveel warmte-energie er nodig is om 1 kg van een stof 1 K of 1 °C in temperatuur te laten stijgen. Het symbool van soortelijke warmte is c (kleine letter om het te onderscheiden van warmtecapaciteit). De eenheid is Joule per Kelvin per kilogram J/(K·kg) of J/(°C·kg).
Belangrijk is dat de soortelijke warmte een materiaaleigenschap is en dit verschilt dus van stof tot stof. Zo is de soortelijke warmte van water een goed gekende waarde: c=4,18.103 J.kg-1.K-1
Als voorbeeld kunnen we daarmee de warmtecapaciteit van 100g H2O berekenen: “C= c*M” = 0.1kg*4,18.103 J.kg-1.K-1 = 4,18.102 J.kg-1.K-1
De warmtecapaciteit van een voorwerp kan gemeten worden met een calorimeter. Voor mijn proef heb ik een zeer goed isolerende vacuüm thermosfles gebruikt. Het principe hierbij is dat er in een gesloten systeem behoud aan energie is. Indien je een warm voorwerp onderdompelt in kouder water, dan zal de warmte afgestaan door het voorwerp gelijk zijn aan de warmte opgenomen door het water. Dit wil zeggen dat:
Qklei = mklei.cklei. ?T (warmte in J)
Mklei (massa in kg)
cklei soortelijke warmte in J.kg-1.oC-1 of J.kg-1.K-1 =>>> in mijn experiment te berekenen
?T verandering temperatuur in oC of K (bij ?T maakt oC of K niet uit)
Gelijk moet zijn aan
Qwater = mwater.cwater. ?T (warmte in J)
Mwater (massa in kg)
cwater = 4,18.103 J.kg-1.K-1 (dit is zoals bovenstaande vermeld een goed gekende waarde)
?T verandering temperatuur in oC of K (bij ?T maakt oC of K niet uit)
Experiment: Calori metrische berekening: Berekening van de warmtecapaciteit van klei. Ik heb deze proef driemaal uitgevoerd. Tweemaal met vochtige natuurlijke klei en eenmaal met droge klei. De warmtecapaciteit van droge klei is in de literatuur terug te vinden. Ik heb dan ook gekozen om een experiment uit te voeren met droge klei om mijn resultaat te kunnen vergelijken met de waarde uit de literatuur.

Hypothese: Bepaling warmtecapaciteit van klei
Binnen éénzelfde gewicht aan klei kan meer warmte opgeslagen worden dan binnen hetzelfde gewicht aan water.

Benodigdheden/voorbereiding: Bepaling warmtecapaciteit van klei
De benodigdheden voor elk van de uitvoeringen:
Kubus klei met afmetingen 5,0 cm X 5,0 cm X 5,0 cm wordt gesneden en gewicht wordt op een elektronische weegschaal tot 1 gram nauwkeurig afgewogen
Klei kubus bedekken met zilverpapier om vochtverlies te beperken
Thermosfles
Water
Digitale thermometer
Warme-lucht oven
Werkwijze: Bepaling warmtecapaciteit van klei
Voor elk van de experimenten werd dezelfde werkwijze gevolgd:
Het kleistaal (met gekend gewicht) werd in een warme luchtoven verwarmt tot onder 100 graden calcium (drie temperatuurmetingen worden uitgevoerd per staal: op 50 min, 55 min en 60 min, de gemiddelde temperatuur wordt vervolgens berekend)
Een thermosfles wordt op een elektronische weegschaal geplaatst waarna het gewicht gereset wordt naar 0 gram, volgende daarop wordt een exact gewicht lauw water toegevoegd tot 1 gram nauwkeurig afgewogen
Met een digitale thermometer wordt de temperatuur van het water gemeten, tot op 0.1 graad Celsius nauwkeurig. Deze meeting wordt uitgevoerd net voordat de klei uit de oven gehaald wordt voor de derde en laatste temperatuursmeting.

De klei wordt aan het water toegevoegd en de thermos wordt gesloten en geschud gedurende 5 min.

Na exact 5 min wordt de thermos geopend en de eindtemperatuur met een digitale thermometer gemeten
Met de gemeten gewichten aan klei/water, de begin- en eind-temperatuur van klei/water en de gekende warmtecapaciteit van water kan de warmtecapaciteit van de klei berekend worden.

Afbeelding 11: experimentele opstelling calorimetrie
Waarnemingen en berekeningen: Bepaling warmtecapaciteit van klei
Het is moeilijk om de temperatuur van de oven exact te meten daarom heb ik met een digitale thermometer 3 maal een meting van de temperatuur in het midden van het kleistaal uitgevoerd op 50 min, 55min en 60min door de oven te openen en met de thermometer door een meting te doen: Deze leverde een gemiddelde op van:
Proefuitvoering onderzoeksvraag 2 – eerste uitvoering vochtige klei
TijdTemperatuur Meeting Gemiddelde Temperatuur50 min 93,2 C =(93.2C+93.2C+93.3C)/3
= 93.2C
55 min 93,2 C 60 min 93,3C Tabel 2: berekening gemiddelde temperatuur kleistaal na opwarming – staal 1
Proefuitvoering onderzoeksvraag 2 – tweede uitvoering vochtige klei
Tijd Temperatuur Meeting Gemiddelde Temperatuur50 min 96,4 C =(96.4C+96.7C+96.8C)/3
= 96.6C
55 min 96.7 C 60 min 96.8 C Tabel 3: berekening gemiddelde temperatuur kleistaal na opwarming – staal 2
Proefuitvoering onderzoeksvraag 2 – droge klei
Tijd Temperatuur Meeting Gemiddelde Temperatuur50 min 95.0 C =(95.0C+95.2+95.3)/3
= 95.2C
55 min 95.2 C 60 min 95.3 C Tabel 4: berekening gemiddelde temperatuur kleistaal na opwarming – staal 3

Waardoor de volgende berekeningen uitgewerkt kunnen worden voor onderzoeksvraag 2
          ?Q=|?Qklei|-|?Qwater|  
   m=kg
T=°C Q Afgestaan ?Qklei=m*C*?T Q opgenomen ?Qwater=m*C*?T
Proef 1 mwater (Kg) 0,4        
  Tbegin27,5 C* 1,8705 803,904
  mklei (Kg) 0,029 C= 802,0335  
  Tbegin93,2 c2005 ‘(c=C/m )  Teinde28,7    
     
   m=kg
T=°C    
Proef 2
(Zie foto’s) mwater (Kg) 0,2        
  Tbegin26,8 C* 2,352 435,448
  mklei (Kg) 0,035 C= 433,096  
  Tbegin96,6 c2165 ‘ ( c=C/m )
  Teinde29,8        
   
   
          ?Q=|?Qklei|-|?Qwater|  
Droge klei    m=kg
T=°C     Q Afgestaan ?Qklei=m*C*?T Q opgenomen ?Qwater=m*C*?T
mwater0,2    
  Tbegin25 C* 2,756 217,36
  mklei0,04 C= 214,604  
  Tbegin95,2 c1073 ‘ ( c=C/m )
  Teinde26,3        
Tabel 5: berekening warmtecapaciteit kleistalen voor de drie test uitvoer rondes
Besluit en reflectie bepaling warmtecapaciteit van klei
Als controle werd de berekening voor droge klei uitgevoerd. Uit literatuurstudie is beschreven dat de warmtecapaciteit van droge klei 978 J.kg-1.oC-1 is. Experimenteel heb ik een waarde van 1073 gemeten. Dit is een afwijking van 8.7 %
Als we de beide metingen van de vochtige klei bekijken dan zien we dat deze met een onderlinge afwijking van 7.9% binnen dezelfde grootte van afwijking vallen. De conclusie die we hieruit kunnen trekken is dat de gebruikte proefopstelling binnen de 10% nauwkeurige metingen toelaat.

Daarnaast liggen de waardes van de warmtecapaciteit van vochtige klei dubbel zo hoog dan deze van droge klei. Er kan dus dubbel zoveel warmte opgeslagen worden binnen vochtige dan binnen droge klei (wat het belang van een goede geleidbaarheid van klei voor opslag van radioactief materiaal duidelijk maakt. Indien de warmte niet efficiënt afgevoerd wordt dan zal de klei snel uitdrogen en de warmte minder efficiënt afgevoerd kunnen worden).

Besluit en reflectie experimentele studie Tijdens het maken van deze GIP heb ik zeer veel bijgeleerd over radioactieve stoffen en de opslag en berging hiervan. Ik heb meer inzicht gekregen over wat er nu juist allemaal in deze sector gaande is en de problemen waar we voor staan. Door te werken rond dit onderwerp ben ik in contact gekomen met de grootste en belangrijkste bedrijven van deze sector binnen België en heb de kans gekregen om met de mensen die hier werken te praten en naar hun uitleg te luisteren.Ook heb ik ondervonden dat zelf een experiment opstellen en uitvoeren niet eenvoudig is.

Radioactief afval is zeer gevaarlijk voor de mens en we moeten er voorzichtig mee omgaan.De oplossing is het opslaan en opbergen van deze stoffen tot ze weer ongevaarlijk zijn. Voor de opslag moeten de stoffen eerst verwerkt worden zodat ze veilig opgeslagen kunnen worden. Deze opslag moet gebeuren onder constante omstandigheden en permanente controle. Dit alles gebeurt volgens strikte regels en richtlijnen. Tot op de dag van vandaag staan we voor zeer grote problemen omtrent de berging van hoog en gematigd radioactief afval. Er is nog geen concrete oplossing maar we gaan spoedig beginnen met het in gebruik nemen van de geologische berging. Zoals ik experimenteel aangetoond heb heeft de kleilaag waarin deze berging zou plaatsvinden alvast de noodzakelijke thermodynamische eigenschappen. Hopelijk is dit een gepaste oplossing voor het probleem.

10. Bronvermelding.Internetbronnen:
Werking van Belgoprocess. Geraadpleegd op 6 september 2017 via http://www.belgoprocess.be/over-belgoprocess.

Conversie van Cal naar Watt. Geraadpleegd op 1 maart 2017 via
HYPERLINK “https://www.convertunits.com/from/cal/hr/to/watt” https://www.convertunits.com/from/cal/hr/to/watt ( PDF ref 005 ).

Transport per trein. Geraadpleegd op 6 augustus via
http://fanc.fgov.be/nl/nieuws/eerste-transport-van-verglaasd-middelradioactief-afval-vanuit-frankrijk-naar-belgie .

Categorieën chemisch afval geraadpleegd op 10 februari 2017 via (pdf-ref 001)
http://www.monavzw.be.

Transport radioactief afval. Geraadpleegd op 16 januari 2018 via https://www.niras.be/sites/niras.be/files/Het%20transport%20van%20radioactief%20afval%20in%20Belgi%C3%AB.pdf.
Geologische berging in België. Geraadpleegd op 10 september 2017 via https://www.niras.be/onderzoek-naar-geologische-berging..

Oppervlakteberging. Geraadpleegd op 5 januari 2018 via Https://www.niras.be/oppervlakteberging-vogelvlucht .

Soorten radioactief afval. Geraadpleegd op 6 september 2017 via https://www.niras.be/soorten-radioactief-afval.

Radioactief afval in België. Geraadpleegd op 6 september 2017 via https://www.nucleairforum.be/campagne/kernafval.

Radioactiviteit: natuurlijk nodig. Geraadpleegd op 11 december 2017 via
https://nucleairnederland.nl/sites/default/files/Brochure%20radioactiviteit%20en%20Nucleair%20Nederland.pdf.

Voedingsindustrie. Geraadpleegd op 28 december 2017 via https://nucleairnederland.nl/sites/default/files/Brochure%20radioactiviteit%20en%20Nucleair%20Nederland.pdf.

Calori metrische berekening. Geraadpleegd op 16 januari 2018 via http://www.pearsoneducation.nl/download/Giancoli_Hfdstuk19.pdf.

Warmte en de eerste hoofdwet van de thermodynamica. Geraadpleegd op 28 december 2017 via
http://www.pearsoneducation.nl/download/Giancoli_Hfdstuk19.pdfEuricide en Hades
HYPERLINK “https://www.sckcen.be/nl/Technology_future/Radioactive_waste/Geological_disposal” https://www.sckcen.be/nl/Technology_future/Radioactive_waste/Geological_disposal (PDF ref 003).

Berging radioactief afval. Geraadpleegd op 6 september 2017 via https://www.sckcen.be/nl/Technology_future/Radioactive_waste.

Blootstelling radioactieve straling in België
HYPERLINK “https://www.sckcen.be/nl/SCKCEN_for_you/Radioactivity” https://www.sckcen.be/nl/SCKCEN_for_you/Radioactivity (PDF ref 002).

Radioactieve Decay Series. Geraadpleegd op 8 december 2017 via
http://staff.orecity.k12.or.us/les.sitton/Nuclear/318.htm.

Soorten radioactief afval. Geraadpleegd op 30 oktober 2017 via https://www.stora.org/nl.

Radioactief afval. Geraadpleegd op 5 januari 2018 via https://nl.wikipedia.org/wiki/Radioactief_afval
Documentaire into eternity. Geraadpleegd op 4 september 2017 via https://www.youtube.com/watch?v=ZUQ-Mhb4OVoBoek/publicatie:
Nationaal programma voor het beheer van verbruikte splijtstoffen en radioactief afval, eerste versie 2015, Document opgesteld door het Comité van het nationale programma overeenkomstig de wet van 3 juni 2014 ter omzetting van de Europese richtlijn 2011/70/Euratom van 19 juli 2011
Bepaling thermische karakteristieken van de ondergrond. Auteurs: G. Van Lysebetten, N. Huybrechts, L. François, 2013, Geraadpleegd op
Effect of Additives on the Thermal Conductivity of Clay, Joshua FOLARANMI, Leonardo Journal of Sciences, Issue 14, January – June 2009, blz. 74-77, Geraadpleegd op
Methods and results of experimental researches of thermal conductivity of soils, Tetiana NIKIFOROVAa*, Mykola SAVYTSKYIa, Karim LIMAMb, Walter BOSSCHAERTSc, Rafik BELARBIb, Energy Procedia 42 (2013) blz. 775 – 783
Stability and Buffering Capacity of the Geosphere for Long-term Isolation of Radioactive Waste, ”
Clay Club” Workshop Proceedings Braunschweig, Germany, 9-11 December 2003
Fast, J. D. (1980). Energie uit atoomkernen. Eindhoven: Centrale uitgeverij B. V.

Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials From Uranium Mining, Volume 1: Mining and Reclamation Background, Volume 2: Investigation of Potential Health, Geographic, and Environmental Issues of Abandoned Uranium Mines, EPA 402-R-08-005, April 2008
Overview of Exploration and Production: Waste Volumes and Waste Management Practices in the United States – prepared for The American Petroleum Institute by ICF Consulting, May 2000.Management and Disposal Alternatives for NORM Wastes in Oil Production and Gas Plant Equipment- prepared by Rogers and Associates Engineering Corporation for the American Petroleum Institute (RAE-8837/2-2), May 1990.E-mailbericht:
SCK-CEN Academy ([email protected]). (23.09.2017). Vraag bij geïntegreerde proef 6de jaar – Michiel Milis E-mail aan M. Milis ([email protected])
Aparte documenten gekregen op rondleidingen:
Dizier, A. & Chen, G. & Li, X.L. & Leysen, J. & Verstricht, J. & Troullinos, I. & Rypens, J. (2016). The start-up phase of the PRACLAY Heater test. Mol: EIG EURIDICE.

Chen, G. & Li, X.L. & Leysen, J. & Verstricht, J. & Rypens, J. & Van Marcke, Ph. & Bastiaens, W. (2013). The design and installation of the PRACLAY In-Situ Experiment. Mol: EIG EURIDICE.

Afbeeldingen:
Afbeelding 1: Schema tegenhouden straling. Geraadpleegd op 2 januari 2018 via http://www.radinpro.com/straling.htm .

Afbeelding 2: Grafiek halfwaardetijd. Geraadpleegd op 2 januari 2018 via http://www.mathima.be/ftp/kernfysica/radioactief_verval.html .

Figuur 3: vervalreeks. Geraadpleegd op 7 januari 2018 via http://staff.orecity.k12.or.us/les.sitton/Nuclear/318.htm.

Afbeelding 4: onderverdeling radioactief afval. Geraadpleegd op 10 april 2018 via monavzw.be.

Afbeelding 5: oppervlakte bergingsmodule. Geraadpleegd op 10 april 2018 via https://www.niras.be/oppervlakteberging-vogelvlucht .

Afbeelding 6: geologie. Geraadpleegd op 16 maart 2018 via
Afbeelding 7: Supercontainer. Geraadpleegd op 2 januari 2018 via http://science.sckcen.be/en/Projects/Project/RD_waste_disposal .

Figuur 8: Wet van Fourier. Geraadpleegd op 10 april 2018 via https://nl.wikipedia.org/wiki/Wet_van_Fourier .

Afbeelding9: Experimentele opstelling bepaling warmte-coëfficiënt klei.
Foto’s gemaakt van de proefopstelling.

Afbeelding 10: Experimentele opstelling bepaling energieproductie paraffinekaars.

Foto’s gemaakt van de proefopstelling.

Afbeelding 11: experimentele opstelling calorimetrie.

Foto’s gemaakt van de proefopstelling.

11. Bijlage: Beschrijving mislukte experimentele proef11.1. Berekening geleidingsflux:
11.2. Berekening geleidingsflux: Benodigdheden/ voorbereiding- een verwarmingselement om het water te kunnen opwarmen tot een bepaalde temperatuur.- natuur klei- Chronometer om de tijd te bepalen- een bassin om het water in te doen- 4 thermometers indien mogelijk die tot 100 graden Celsius gaan- een lengte warmtegeleidend metaal om in de klei in te brengen
– een kleine 12V halogeenlamp die veel warmte afgeeft- een blokje klei (10 cm X 10 cm X 10 cm)- digitale thermometers- een proefbuis rekje om het blokje op te laten rusten- een stroombron- 2 elektriciteit draden- een chronometer
11.3. Berekening geleidingsflux: InleidingIk wil de warmteoverdracht door geleiding (Wet van Fourier) binnen natuurlijke klei meten en berekenen. Hiertoe ga ik de warmteflux bepalen. Dit laat toe om te bepalen of Klei een betere of slechtere warmtegeleider is dan water.

11.4. Berekening geleidingsflux: werkwijzePoging 1: Warmtebron is een metalen staaf, verwarmd door contact met verhit water
We vullen het bassin met de benodigde hoeveelheid water, vervolgens plaatsen we het verwarmingselement in het water en beginnen dit te verwarmen. Wanneer het water op de correcte temperatuur is brengen we het metaal in het water in zodanig dat de klei ver genoeg boven het water blijft. Vervolgens doen onze metingen voor de nul-waarden.

Poging 2: warmtebron is een 12V halogeenlampje
De warmtebron die moet instaan voor de verwarming van de klei wordt is aangepast naar een 12V halogeenlampje dat volledig in de bodem van de kleiblok ingebracht werd.

Voor beide pogingen: We nemen een kubus met het benodigde volume van de klei (10 cm X 10 cm X 10 cm) en plaatsen de warmtebron 1 cm diep in de bodem van het kleiblok. Aan de zijkant van het kleiblok plaatsen we 3 thermometers op gelijke afstand van elkaar.Van zodra de warming start lezen we periodiek – om de 10 min – de temperatuur af op elk van de thermometers noteren die. Van zodra de temperatuur die op een thermometer afgelezen wordt gelijk blijft veronderstellen we dat een stabiele geleidingsflux bereikt is en kunnen we het experiment stoppen
11.5. Waarnemingen en berekeningenBij een herhaalde uitvoer van de proef steeg de temperatuur in de kleimassa telkens te traag waardoor de temperatuur van de klei niet stabiel was over de gehele massa. Hierdoor kon ik geen thermodynamische berekening uitvoeren.
Reden: De warmteoverdracht van het verwarmde water doorheen het metaal naar de klei is niet efficiënt.

Rekening houdende met deze vaststelling heb ik de proefopstelling geoptimaliseerd en de werd proef werd succesvol uitgevoerd zoals bovenstaand beschreven onder hoofdstuk 7.4.1
11.6 Besluit en reflectie experimentele studieHet experiment is niet gelukt aangezien de volumes klei die gebruikt werden te groot waren. Dit resulteerde in een te trage stijging van de temperatuur waarden waardoor ik onvoldoende gegevens heb om dit te laten tellen als een representatieve proef. Ik zal het experiment moeten aanpassen en uitvoeren maar dan met kleinere klei volumes. Door deze experimentele problemen heb ik ook besloten dat het aangewezen is om de warmtegeleidingscoëfficiënt te berekenen in plaats van de geleidingsflux. Het experiment wordt aangepast en verder uitgewerkt onder experimentele vraag 7.4.1.

x

Hi!
I'm Delia!

Would you like to get a custom essay? How about receiving a customized one?

Check it out