Kernchemie. Energiedos is. Quotient aus der Energie E, die von der Masse m absorbiert wurde und dieser Masse. (absorbierte Energie pro Masseeinheit)

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1 Abitur Chemie Kernchemie Seite 1 Kernchemie Aufbau des Atomkerns 2 Sorten von Kernteilchen (Nukleonen) Protonen (1 u, 1 positive Elementarladung) Neutronen (1 u, schwerer als Proton, ungeladen) Elektron - wesentlich kleinere Masse als Proton/Neutron ( 1 / 1836 u) Ordnungszahl (Z) Zahl der Protonen im Kern, Zahl der Elektronen in der Hülle Massenzahl (A) = Protonenzahl Z Neutronenzahl N Isotope verschiedene Atomarten eines Elementes (gleiche OZ), die sich in der Neutronenzahl und folglich auch in der Massenzahl unterscheiden, heißen Isotope Strahlenarten α-strahlen zweifach positiv geladene Teilchen (He 2, Heliumatomkerne) β-strahlen γ-strahlen Elektronen nicht aus materiellen Teilchen, energiereiche, kurzwellige elektromagnetische Wellen Wirkung von Strahlen physikalische Wirkung ionisierende Wirkung Nachweis mit Geiger-Müller-Zählrohr thermische Wirkung durch Absorbtion Umwandlung Strahlungsenergie in Wärme Aktivität eines Strahlers Quotient aus der Anzahl der Zerfallsakte und der Zeit, in der dieser Zerfall erfolgt (Anzahl der Zerfallsakte pro Zeiteinheit) Anzahl der Zerfal lsakte Aktivität = Zeit Einheit: 1 Bq = 1 s -1 Energiedosis Quotient aus der Energie E, die von der Masse m absorbiert wurde und dieser Masse. (absorbierte Energie pro Masseeinheit) absorbiert e Energie Energiedos is = absorbiere nde Masse Einheit: 1 Gy = 1 J / kg Energiedosisleistung Quotient aus der aufgenommenen Energiedosis und der dazu benötigten Zeit. (absorbierte Energie pro Masseeinheit und pro Zeiteinheit) Energiedos is Energiedos isleistung = Zeit Einheit: 1 Gy / s chemische Wirkung Atome/Moleküle können ionisiert werden, chemische Bindungen können zerstört werden Bildung von Ionen und Radikalen biologische Wirkung ionisierende Wirkung, hohe Energie Zerstörung organischer Verbindungen Messung der Wikrung der einzelnen Strahlenarten auf Organismus: Äquivalentdosis Produkt aus der Energiedosis und einem für Organismus und Strahlenart charakteristischen Qualitätsfaktor. Äquivalentdosis = Energiedosis * Qualitätsfaktor Einheit: 1 Sv = 1 rem

2 Abitur Chemie Kernchemie Seite 2 Geiger-Müller-Zählrohr Aufbau (vgl. Blatt) dünnwandiges Metallrohr, mit Edelgas (Argon) gefüllt, mit Glimmerfenster verschlossen dünner Metalldraht in Achse Spannung zwischen Draht und Rohrwand bis zu 1 V Funktionsweise tritt ionisierendes Teilchen in Rohr ein Rohr aufgrund der vorhandenen Ionen elektrische leitend Stromstoß Stromstoß wird über Verstärker mit Lautsprecher/Zähler registriert Wilsonsche Nebelkammer Aufbau (vgl. Blatt) Präperat befindet sich unter Glasglocke, mit gesättigtem Alkohol- oder Wasserdampf Expansionskolben zum schnellen expandieren des Raumes Funtionsweise wird Raum ruckartig expandiert Temperatur sinkt unter Taupunkt übersättigter Wasser-/Alkoholdampf sind keine Kondensationskeime (Staub) vorhanden kann sich kein Nebel bilden werden durch radioaktive Strahlen Ionen gebildet Kondensationskeime (Dipole lagern sich an) Nebelspur der ionisierenden Teilchen α-teilchen relativ schwer geradlinige Spur, β-/γ-strahlung zick-zack-spur Zerfallsarten a-zerfall 4 2 α-teilchen: He A X 4 He 2 A 4 Y 2 Z 2 Z 2 b -Zerfall β-teilchen: A A 1e Z X Z 1Y 1 e Neutron wird in Proton und Elektron umgewandelt b -Zerfall β -Teilchen: A A 1e (Positron) Z X Z 1 Y 1e Proton wird zu Neutron und Positron umgewandelt Verschiebungsgesetze von Fajans Bei der Ausstrahlung eines α-teilchens vermindert sich die Kernladungszahl um 3 Einheiten, die Massenzahl um 4 Einheiten. Bei Aussenden eines β - -Teilchens erhöht sich die Kernladungszahl um eine Einheit, die Massenzahl bleibt unverändert. Halbwertszeit Unter der Halbwertszeit T eines Radionuklides versteht man die Zeit, in der die Hälfte einer vorliegenden Anzahl radioaktiver Atome zerfallen ist. t N ( t ) λ* = N e * N ( t) = A( t) λ = ln( 2) T N ( t t ) * * N * λ = λ e A t ( ) * t A * λ = e

3 Abitur Chemie Kernchemie Seite 3 Radioisotope und deren Verwendung Medizin, Biologie, Biochemie Beeinflußung von Hautkrankheiten und innerer Erkrankungen durch dosierte Bestrahlung des Gewebes Untersuchung der Schilddrüse, des Abbaus von Stoffen Chemie Markierung einzelner Atome Untersuchung von Reaktionsmechanismen, Reaktionen, Wirkungsweise von Heilmitteln Technik Materialkontrolle (Dicke von Metallplatten) Radiocarbonmethode Altersbestimmung historischer, prähistorischer Gegenstände Halbwertszeit von C = 5568 a Künstliche Kernumwandlungen Rutherford Beschuß von Stickstoffatomen mit a-teilchen (1. künstl. Kernumwandlung) N He O H kurz: N(α, p O ) 8 Austauschreaktion - Proton gegen α-teilchen geringe Trefferquote (Ladung) nur bei hoher Energie (hohe Geschw.) Chadwick Neutronenstrahlung bei Mischung von Berylliumpulver und Radiumsalz Be He C Nn kurz: Be(α, n C ) 6 Austauschreaktion - Neutron gegen α-teilchen Neutronen haben hohe Energie (schnelle Neutronen) Die Kernspaltung Hahn/Straßmann - Spaltung von 235 U mit langsamen (thermischen Neutronen) 2 Bruchstücke (Massen 2:3) und 3 Neutronen Atome beitzen hohe Neutroenzahl radioaktiv β-/γ-strahlung Nn 56 Ba 36Kr 3 Nn freiwerdende Energie läßt sich mit Hilfe der Bindungsenergie im Atomkern erklären Abhängigkeit der Bindungsenergie pro Nukleon von der Massenzahl Atomkerne mit großer Nukleonenzahl - geringere Bindungsenergie pro Nukleon als Atomkerne mit mittlerer Nz Spaltung von schweren Atomkernen Energie frei leichte Atomkerne Bindungsenergie pro Nukleon kleiner als bei mittelschweren Bildung mittlereratomkerne aus Kernen mit kleiner Nukleonenzahl Energie frei Berechnung der Bindungsenergie mit Hilfe der Masse-Energie-Gleichung E = m*c² und dem Massendefekt bei der Bildung der Atomkerne (Differenz Masse links - Masse rechts) E = m*c² c: Lichtgeschwindigkeit Massendefekt Die Masse einer jeden aus Protonen und Neutronen zusammengesetzten Atomkernes ist kleiner als die Summe der Massen der Einzelbestandteile. Die Differnz m (Massendefekt) entspricht nach Einstein der Bindungsenergie E der Nukleonen im Atomkern. ungesteuerte Kettenreaktion bei Spaltung von 235 U 2-3 Neutronen freigesetzt weitere Spaltungsreaktionen Kettenreaktion nur wenn mind 1 Neutron entsteht Neutronenverlust nach Außen Kugel (Oberfläche, Volumen) kleine Uranmasse keine Kettenreaktion erst ab kritischer Masse ist kritische Masse überschritten ungesteuerte Kettenreaktion

4 Abitur Chemie Kernchemie Seite 4 n(gebildete Spaltneutr onen) k = > 1 n (verbraucht e Spaltneutr onen) Atombombe: Uranblock in mehrere unterkritische Teile zerlegt keine Kettenreaktion bei Zündung Implosion kritische Masse Kettenreaktion zusaätzlich Neutronenreflektierende Hülle gesteuerte Kettenreaktion k < 1 keine Kettenreaktion, bricht ab k = 1 gesteuerte Kettenreaktion (jedes spaltende Neutron liefert ein neues) natürliches Uran aus 2 Isotopen: 235 U - spaltbar (,7 %) 238 U - nicht spaltbar (99,3 %) Einwirkung von Neutronen auf natürliches Uran: Spaltungsreaktion Nn X Y 3 Nn Einfangreaktion (Neutronen werden absorbiert durch 238 U) Nn kurz: 92 U ( n, ) mit natürlichem Uran keine Kettenreaktion möglich Einfangreaktion läuft besonders leicht bei schnellen Neutronen ab Spaltungsreaktion läuft besonders leicht bei thermischen (langsamen) Neutronen ab um Spaltungsreaktion durchzuführen muß Geschwindigkeit durch elastische Stöße sehr schnell herabgesetzt werden Verwendung von Bremssubstanzen = Moderatoren Energieübertragung auf anderes Teilchen dann maximal, wenn gleiche Masse (Impuls) Substanzen mit geringer Atommasse (Graphit, Wasser, schweres Wasser) Abbruch einer Kettenreaktion durch Neutronenabsorber (Borstähle, Cadmiumstähle) Kraftwerke allgemeiner Aufbau: Wasser durch Energiezufuhr erhitzt Dampf durch Düsen über Turbine (Generator) Abkühlung des Dampfes in Kühltürmen Kernkraftwerke Kernreaktoren (Reaktor = Bereich in dem Kettenreaktion abläuft) Reaktorkern (Core) aus vielen Brennelementen (quadrat./sechseck. Querschnitt) Brennelemente aus Brennstäben metallisches Hüllrohr, Spaltstoff (Kernbrennstoff) in Tablettenform (Pellets), oberes/unteres Ende zusammengeschweißt, Hohlräume zur Aufnahme der Spaltgase Reaktorkern im Druckbehälter vom Kühlmittel umströmt Kühlmittel gibt Wärmetauschern Energie ab, durch Pumpen wieder Reaktor zugeführt Steuerung durch Steuerelemente (neutronenabsorbierendes Material) werden in/zwischen Brennelemente bewegt Vorteil von Wasser als Moderator und Kühlmittel: bei Kühwasserverlust entfällt Moderation der Neutronengeschwindigkeit Kettenreaktion bricht ab Siedewasserreaktor Wasserdampf im Core (7 bar, 285 C) Brennstäbe, angereichertes Uran - Moderator, Kühlmittel: leichtes Wasser Steuerung: Cadmiumstäbe (durch Elektromotoren auf und ab, schnell: schießen)

5 Abitur Chemie Kernchemie Seite 5 Vorteil Einkreisreaktion Dampf direkt auf Turbine (kein Wärmetauscher, keine Verluste) hoher Wirkungsgrad Nachteile Steuerung von unten Steuerstäbe fallen nicht von selbst in Reaktor (Störfall) Abbrand der Brennelemente nicht konstant (unten stärker - stärkere Moderatorwirkung) Schaden radioaktive Stoffe in Kühlwasser Turbine radioaktov kontaminiert Druckwasserreaktor Moderator/Kühlmittel: leichtes Wasser Druck im Core (16 bar, 3 C Wasser verdampft nicht) Zweikreissystem Wärmetauscher Vorteile 2. Kreis kann nicht radioaktiv werden (Turbine nicht gefährdet) Steuerung von oben bei Ausfall der Steuerung durch Schwerkraft nach unten Wasser als Kühlmittel und Moderator Sicherung Nachteil Wasser des 1. Kreises darf nicht zum Sieden kommen (Dampfblasen überhitzen Brennstäbe) radioaktive Stoffe in Primärkreislauf Hochtemperaturreaktor Kühlmittel: Helium (geringe Dichte kaum Moderatorwirkung) - Moderator: Graphit tennisballgroße Kugelbrennelemente, Hülle aus Graphit, Kugel enthält Brennstoffpartikel (von mehreren übereinanderliegenden Graphitschichten umschlossen keine Spaltprodukte können entweichen) hochangereichertes 235 U (93 %) als Spaltstoff natürliches 232 Th als Brutstoff ( 233 U aus 232 Th als Brennstoff) β 233 β 233 9Th Nn 9Th 91Pa Kühlmitteltemperatur bis zu 1 C hoher Wirkungsgrad Vorteile hohe Kühlmitteltemp. (Einsatz als Prozesswärme) hoher Wirkungsgrad geringe Abwärme relativ große Spaltzone, hohe Wärmekapazität des Graphits Schmelzen des Core nicht möglich (Kühlmittelverlust nicht schwerwiegend) spaltbares Material wird erbrütet He nur geringe radioaktive Mengen Gasturbinde direkt von He angetrieben Nachteil hochangereichertes 235 U als spaltbares Material Schnelle Brutreaktoren Brennstäbe: Mischung aus 238 UO 2 und 239 PuO 2 (Verhältnis 5:1) Brennstäb zu sechseckigen Brennelementen Spaltzone (vom Brutmantel aus 238 UO 2 als Brutmaterial umgeben, ebenfalls in Hüllrohren zu Brutelementen) Kernbrennstoff: 239 Pu Ziel neben Energiegewinnung, Erbrüten von spaltbarem Material keine Moderatoren erforderlich, da spaltbares Material erbrütet werden soll schnelle Neutronen lösen aber Spaltung von 235 U aus Reaktion muß kompakter werden, Konzentration von spaltbarem Material muß größer sein als bei LWR hohe Leistungsdichte (Leistung durch Volumen) Wasser kann nicht als Kühlmittel verwendet werden (Moderator), He zu geringe Wärmekapazität flüssiges Na als Kühlmittel (geringe Moderatorwirkung, gute Wärmeleitfähigkeit, hohe Wärmekapazität, kein hoher Druck, hoher Wirkungsgrad)

6 Abitur Chemie Kernchemie Seite 6 Urananreicherung Gasdiffusionsverfahren aus Kammern mit höherem Druck strömt UF 6 durch poröse Wände in Kammern mit geringerem Druck V( 235 UF 6 ) > V( 238 UF 6 ) Moleküle mit 238 U diffundieren schneller Anreicherung von 238 UF 6 auf Niederdruckseite mehrere 1 Trennschritte hintereinander notwendig nach jedem Trennschritt erneute Kompression hoher Energiebedarf Zentrifugenverfahren gasförmiges UF 6 in Zentrifuge mit hoher Geschw. geschleudert unterschiedliche Zentrifugalkräfte außen 238 U, innen 235 U Trenndüsenverfahren Gemische aus UF 6 und He mit großer Geschwindigkeit durch Düse Umlenkung um 18 UF 6 mit schwererem Uran weiter nach außen ca. 2 Schritte für Anreicherung von,71 % auf 3 % erneute Kompression vor jeder Stufe hoher Energieverbrauch Herstellung des Kernbrennstoffes UO 2 Ausgangsstoff UF 6 bzw. UO 2 (NO 3 ) 2 (aus Wiederaufbereitung) 1. Hydrolyse von UF 6 2. Ausfällung von Ammoniumuranylcarbonat 3. Thermische Zersetzung von Ammoniumuranylcarbonat 4. Reduktion des UO 3 mit Wasserstoff Brennstäbe und Brennelemente UO 2 -Pulver zu Tabletten (Pellets) gesintert Einfüllen der Pellets in Hüllrohre, Brennstäbe dicht verschweißt Brennstäbe zu Brennelement zusammengeführt Kernfusion Spaltung vo Kernen Kernfission Verschmelzung von Kernen Kernfusion auch bei Kernverschmelzung wird Energie frei (natürliche Kernverschmelzung in Sonnen) Voraussetzungen für Kernfusion hohe Energie (Geschwindigkeit) der zu verschmelzenden Kerne, damit Coulomb- Kräfte überwunden werden hohe Temperatur Ziel: Kernfusion energiegewinnend einzusetzen Fusionsreaktoren geeignete Reaktion: 1 H 1H 2 He Nn Voraussetzungen für energiegewinnenden Ablauf sehr energiereiche, schnelle Teilchen hohe Temp. (Teilchen in Kerne und Elektronen zerfallen = Plasma) Plasma muß hohe Teilchendichte besitzen, diese muß lange genug aufrecht erhalten werden Anlage: Tokamak siehe Blatt