Energie aus Kernkraft Seminar Uni Potsdam, Institut für Physik und Astronomie

Transkript

1 Energie aus Kernkraft Seminar Uni Potsdam, Institut für Physik und Astronomie , Regenstein, Gebert, Schmidt, Wüsthoff, Guber, Polster 1

2 physikalische Grundlagen der Kernenergietechnik , Christoph Guber 2

3 Roadmap Begriffe Wie fest sind Nukleonen gebunden? Spaltung: warum U, warum U235, Wirk.-querschnitte, Energiebilanzen, Moderation, Kettenreaktion, verzögerte Neutronen, Brutreaktionen Forschungsreaktoren im Pulsbetrieb gute Nacht - Geschichte

4 Erinnerung Positiv geladene Teilchen stoßen sich ab El/stat Abstoßung zwischen zwei Protonen im Abstand 10^-15m: F~250N -> m=f/g=23kg!!! Offensichtlich gibt es eine auf dieser kurzen Reichweite viel stärkere Kernkraft

5 Bausteine der Welt

6 Bausteine der Welt Proton: udu Neutron: dud Konstituenten-& See -quarks in den Nukleonen -Kernkräfte zwischen Nukleonen Als Rest der Farb -kräfte (speziell Austausch von Mesonen (q-anti-q-paare))

7 Was ist ein Potential V(x)?

8 Was ist Bindungsenergie? = Energie, die man aufwenden muss, gebundenes System in seine Einzelteile zu zerlegen, bzw. einen einzelnen Baustein zu entfernen Dieses Energie wird beim Zusammenbauen FREI Bsp.: eff. Gravitations- potential

9 Wie stark sind Nukleonen im Kern gebunden? Halbempirische Formel von Hans Bethe & C.F.Weizsäcker:

10 Volumenterm Kurze Reichweite der Kernkraft nahezu NUR zwischen direkt benachbarten Nukleonen

11 Oberflächenterm Je größer die Oberfläche, desto kleiner EBind

12 Asymmetrieterm Pauliprinzip: Maximierung von EBind für N=Z

13 Asymmetrieterm Pauliprinzip: Maximierung von EBind für A=Z

14 Coulombterm -Kernkraft nur zwischen nächsten Nachbarn, Protonen sehen aber die positive Ladung ALLER anderen Protonen im Kern

15 Paarungsterm Gepaarte Nukleonen fester gebunden (letztes Nukleon muss nicht in neues Paulizimmer) Besser noch: Magische gg-kerne: Volle Schalen wie im Atom- Modell Helium, Xenon, z.b.:

16 Halbempirische Formel von Hans Bethe & C.F.Weizsäcker:

17 Kernspaltung Masse der Produkte kleiner als Masse der Edukte steckt jetzt vorwiegend in Ekin

18 Kernspaltung Masse der Produkte kleiner als Masse der Edukte steckt jetzt vorwiegend in Ekin

19 Warum U-235 oder was ist ein Wirkungsquerschnitt? Spaltung vs. Absorption

20 Spaltbarriere

21 Spaltverteilung / Energiebilanz Nachzerfallswärme: Radioaktiver Zerfall der instabilen Spaltprodukte (zu viele n)

22 Spaltverteilung / Energiebilanz

23 Moderation <En>=1,5Mev Wir brauchen En=0,025eV=kT Idee: Stöße Wie schwer sollte Stoßpartner sein? -> Wasserstoffkerne

24 Absorption vs. Abbremsung

25 Temperatureffekte Wie reagiert Reaktor auf Leistungs-bzw. Temperaturerhöhung (Temperaturkoeffizient dr/dt)? -Dopplerverbreiterung der Absorptionsresonanzen -Moderation-u. Kühlmitteltemperaturkoeffizient Bsp: Dampfblaseneffekt bei SWR und RBMK: Leistung steigt Temperatur steigt Dampfblasenbildung Weniger Neutronen werden absorbiert (reaktivitätssteigernder Effekt) Neutronen werden schlechter abgebremst (moderiert) (reaktivitätssenkender Effekt) Bei SWR dominiert 2. Effekt, bei RBMK 1. Effekt gewisse Selbstregelung vs. Durchgehen

26 Kettenreaktion / Kritikalität kritisch durch: Masse/Geometrie/Moderation/Reflektoren (Neutronen-)Multiplikationsfaktor k: Nn+1 = k * Nn Stabile Kettenreaktion <->k=1 Zeit zw. 2 Generationen: ~0,00021s Bsp. k:=1.001 Wann hat sich Neutronenzahl verdoppelt?

27 Kettenreaktion / Kritikalität kritisch durch: Masse/Geometrie/Reflektoren/Moderation Multiplikationsfaktor k: Nn+1 = k * Nn Stabile Kettenreaktion <->k=1 Generationenzeit ~0,00021s k:=1.001 Antwort: 0,15s BOOM!!!

28 Kettenreaktion / Kritikalität Warum endet nicht jeder Kernreaktor als Atombombe? Antwort: ß=0,65% der Neutronen werden verzögert (13s) emittiert. Wieder: k:=1,001 Wann hat sich Neutronenzahl verdoppelt?

29 Kettenreaktion / Kritikalität Warum endet nicht jeder Kernreaktor als Atombombe? Antwort: ß=0,65% der Neutronen werden verzögert (13s) emittiert. Wieder: k:=1,001 Wann hat sich Neutronenzahl verdoppelt? Antwort: 60s Verzögerte Neutronen erhöhen Verdopplungszeit um Vielfaches Dadurch Regelung überhaupt erst denkbar

30 Kettenreaktion / Kritikalität kritisch durch: Masse/Geometrie/Reflektoren/Moderation Reaktivität in Dollar & Cent R:=1-1/k R=1$ <-> R=ß k<1 unterkritisch R<0 k=1 kritisch R=0 1< k< 1+ß verzögert kritisch 0<R<ß k > 1+ß prompt kritisch R>ß

31 Kettenreaktion / Kritikalität kritisch durch: Masse/Geometrie/Reflektoren/Moderation Reaktivität in Dollar & Cent R:=1-1/k R=1$ <-> R=ß k<1 unterkritisch R<0 k=1 kritisch R=0 1< k< 1+ß verzögert kritisch 0<R<ß k > 1+ß prompt kritisch R>ß

32 Forschungsreaktoren im Pulsbetrieb ß:= 1Dollar Tscherenkov-Strahlung Reaktivität R:= 1-1/k in Einheiten von Dollar und Cent R=2$ und ß=0,0065 ->k=1,01317 ß-Strahlung & Sekundärelektronen schneller als Licht

33 Brutreaktionen U238+n -> U239* -ß-> Np239 ß-> Pu239 -T1/2 (Pu239)= Jahre -Pu239 gut mit langsamen Neutronen spaltbar ->Wiederaufbereitung und MOX-Brennelemente -in schnellen Brutreaktoren wird mehr Brennstoff erzeugt als verbraucht -in LWR: ca. 1/3 der Energie aus Spaltung von Pu

34 Auf selbe Art entstehen auch andere Isotope von Pu, Am, Cm mit z.t. sehr hässlichen Halbwertszeiten Problem bei der Endlagerung Partitionierung und Transmutation? Xenon-u. Samariumvergiftung

35 Die letzten Tage im Leben des Louis Slotin

36 Energie aus Kernkraft Seminar Uni Potsdam, Institut für Physik und Astronomie , Regenstein, Gebert, Schmidt, Wüsthoff, Guber, Polster 36