duimnael|280px|Die Koeberg-kernkragsentrale. duimnael|280px|’n Russiese ysbreker wat kernaandrywing gebruik.
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.