Moderne Experimentalphysik III: Kerne und Teilchen (Physik VI)

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1 Moderne Experimentalphysik III: Kerne und Teilchen (Physik VI) Günter Quast, Roger Wolf, Pablo Goldenzweig 08. Juni 2017 INSTITUTE OF EXPERIMENTAL PARTICLE PHYSICS (IEKP) PHYSICS FACULTY KIT University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 2/25 Kapitel 5.3: Kernspaltung und Kernfusion 2

3 3/25 Kernspaltung Erinnerung: Bindungsenergie pro Nukleon (siehe VL-10 Folie 10) Zerfall schwerer Kerne in leichtere Kerne energetisch grundsätzlich möglich 3 Potentialbarriere, Tunnelwahscheinlichkeit sehr gering, nur für wenige Nuklide möglich, in Konkurenz zu anderen Zerfallsarten (i.e. )

4 4/25 Energiebilanz bei Deformation 4 Erinnerung Tröpfchenmodell (siehe VL-10 Folie 17)

5 4/25 Energiebilanz bei Deformation Erinnerung Tröpfchenmodell (siehe VL-10 Folie 17) Veranschaulichung: Deformation Kugel Ellipsoid (bei konstantem Volumen) Vergrößerte Oberfläche Verringerte Coulombabstoßung 5 Energiegewinn bei Deformation!

6 4/25 Energiebilanz bei Deformation Erinnerung Tröpfchenmodell (siehe VL-10 Folie 17) Veranschaulichung: Deformation Kugel Ellipsoid (bei konstantem Volumen) Vergrößerte Oberfläche Verringerte Coulombabstoßung Spontane Kernspaltung: 6 Möglich für Z>114 und A>270 Energiegewinn bei Deformation!

7 5/25 Induzierte Spaltung Überwindung der Potentialbarriere für Spaltung durch Beschuß mit Neutronen, (auch mit -Teilchen möglich) Beispiel : Potentialbarriere Energiegewinn bei Spaltung : 5.5 MeV/n : 4.9 MeV/n Kinematisch nur möglich mit schnellen Neutronen ( ) Fermi s Goldene Regel (siehe VL-03 Folie 4): aus Projektilfluß ( Einfang schneller Neutronen unterdrückt) 7

8 5/25 Induzierte Spaltung Überwindung der Potentialbarriere für Spaltung durch Beschuß mit Neutronen, (auch mit -Teilchen möglich) Beispiel Potentialbarriere : Beispiel : 5.5 MeV/n : gu-kern, : gg-kern zusätzlich Paarungsenergie! Energiegewinn bei Spaltungfrei werdende : 4.9 MeV/n Potentialbarriere : 5.5 MeV/n Kinematisch nur möglich mit schnellen Neutronen Energiegewinn bei Spaltung : 6.4 MeV/n ( ) Fermi s Goldene Regel (siehe VL-03 Folie 4): aus Projektilfluß ( Einfang schneller Neutronen unterdrückt) 8

9 6/25 Wirkungsquerschnitt als Funktion der Neutronenergie Induzierte Spaltung von Spaltung bereits mit thermischen Neutronen möglich ( ) (1) Energiegewinn pro Spaltung: ~200 MeV Asymmetrische Spaltung bevorzugt 9 (1) Mittlere Anzahl emmittierter Neutronen (im plot: ) Kettenreaktion falls mehr Neutronen bei Spaltvorgang freigesetzt als absorbiert

10 7/25 Fusion 10 Energiegewinn bei Fusion leichter Elemente durch höhere Bindungsenergie pro Nukleon (möglich bis ) Vorkommen: Bildung schwerer Elemente in Sternen Primordiale Nukleosynthese Fusionsreaktor Beispiel Deuterium-Tritium-Fusion: Bedingung für Fusion: Überwinden des Potentialwalls oder Tunneln

11 8/25 Fusion von Deuterium-Tritium Abschätzung Höhe Potentialwall: Schätzen Sie den Radius von Deuterium und Tritium ab durch Berechnen Sie die Höhe des Potentialwalls bei Nehmen Sie an die notwendige Energie zum Überwinden des Potentialwalls sei zwischen beiden Kernen gleich aufgeteilt. Welcher Temperatur entspricht diese Energie? 11

12 8/25 Fusion von Deuterium-Tritium Abschätzung Höhe Potentialwall: Schätzen Sie den Radius von Deuterium und Tritium ab durch Berechnen Sie die Höhe des Potentialwalls bei Nehmen Sie an die notwendige Energie zum Überwinden des Potentialwalls sei zwischen beiden Kernen gleich aufgeteilt. Welcher Temperatur entspricht diese Energie? Temperatur der Sonne: 12 Außen: 6000 K Innen: 15.6 MK

13 9/25 Gamow-Peak Überwindung des Potentialwalls: nur in Ausläufern der Boltzmann-Verteilgung Durchtunneln des Potentialwalls: analog zu -Zerfall; reduzierte Masse der Fusionspartner 13 Resultat: Gamow-Kurve enges Energiefenster für Fusionsreaktionen

14 10/25 Kapitel 6: Anwendungen der Kernphysik 14

15 11/25 Kapitel 6.1: Energieerzeugung 15

16 12/25 Kernreaktoren Grundprinzip: kontrollierte nukleare Kettenreaktion Beachte: Rolle der Neutronen bei der Kernspaltung im mittel 2.5 Neutronen (Energie im MeV Bereich) Wirkungsquerschnitt nimmt mit Energie der Neutronen ab 16 Abbremsen der Spaltneutronen durch elastische Stöße in geeignetem Moderator (optimaler Energieübertrag bei Stoßpartner gleicher Masse)

17 13/25 Kernreaktoren Grundprinzip: kontrollierte nukleare Kettenreaktion Beachte: Rolle der Neutronen bei der Kernspaltung im mittel 2.5 Neutronen (Energie im MeV Bereich) Wirkungsquerschnitt nimmt mit Energie der Neutronen ab 17 Abbremsen der Spaltneutronen durch elastische Stöße in geeignetem Moderator (optimaler Energieübertrag bei Stoßpartner gleicher Masse) Abschätzung: (Energieverlust pro Stoß) Nach wievielen Stößen hat sich die Energie eines Neutrons von 1 MeV auf ev reduziert?

18 13/25 Kernreaktoren Grundprinzip: kontrollierte nukleare Kettenreaktion Beachte: Rolle der Neutronen bei der Kernspaltung im mittel 2.5 Neutronen (Energie im MeV Bereich) Wirkungsquerschnitt nimmt mit Energie der Neutronen ab 18 Abbremsen der Spaltneutronen durch elastische Stöße in geeignetem Moderator (optimaler Energieübertrag bei Stoßpartner gleicher Masse) Abschätzung: (Energieverlust pro Stoß) Nach wievielen Stößen hat sich die Energie eines Neutrons von 1 MeV auf ev reduziert?

19 14/25 Betrieb & Steuerung 19 Betrieb: mit Hilfe von Uran-Brennstäben Woher kommt das blaue Leuchten? Steuerung: mit Hilfe von Regelstäben Materialien mit hohem WQ für den Einfang thermischer Neutronen

20 15/25 Prinzip Druckwasserreaktor 20

21 16/25 Wasserstoff-Fusion Am Beispiel der Tritium-Deuterium-Fusion Reaktionsrate abhängig von: 21 Teilchendichten ( ) Relativgeschwindigkeit ( ) Wirkungsquerschnitt ( ) Volumen ( ) Herstellung von ausreichend Tritium durch Brutreaktion in Mantel (engl. blanket) des Fusionsreaktors:

22 17/25 Reaktorkonzepte Wasserstoffplasma, bei Temperaturen von MK Techniken um Plasma vor Ort zu halten: 22 Magnetischer Einschluß (hier diskutiert) Trägheitseinschluß (Plasma wird durch eigene Trägheit vor Ort gehalten) Tokamak Stellarator

23 18/25 Lawson-Kriterium 23 Ziel: Erzeuge mehr Energie in Plasma als zur Aufrechterhaltung des magnetischen Einschlußes benötigt wird Neutronen verlassen Plasma und können zur Energiegewinnung genutzt werden ( 14.1 MeV, Stöße im Brutmantel) -Teilchen heizen Plasma ( 3.5 MeV) Verluste: Bremsstrahlung und durch Energietransport in Plasma (hier nicht diskutiert) Selbsterhaltender Betrieb, wenn Energieverluste in Plasma durch Aufheizung durch -Teilchen kompensiert werden Lawson-Kriterium

24 19/25 Lawson-Kriterium 24 Bisher noch von keinem Reaktor erreicht Institute of Experimental Particle (Lawson-Kriterium ) Physics (IEKP)

25 20/25 ITER-Projekt Caderache (Südfrankreich) Derzeit im Bau (erstes Plasma 2025?) Toroidmagnet Solenoidmagnet Blanket 25

26 21/25 Kapitel 6.2: Kernphysik in der Medizin 26

27 22/25 Strahlentherapie (z.b. mit schweren Ionen) Bsp.: Schwerionentherapie in Heidelberg Erlaubt exaktere Deposition der Strahlendosis Vgl VL-04 Folie 11 27

28 23/25 Magnetresonanztomographie Kernspin in Wasserstoff richtet sich parallel zu starkem äußerem (longitudinalem) Magnetfeld aus und wird durch transversales Wechselfeld resonant ausgelenkt. Präzessionsbewegung in longitudinalem Magnetfeld induziert Strom in Meßspulen. (Lamorfrequenz) 28 Für p und B=1Tesla Ortsauflösung durch B-Feld Institute of Gradient Experimental Particlein Physics (IEKP)

29 24/25 Positronen-Emissions-Tomographie 29 Patient bekommt Radiopharmakon ( Marker ) gespritzt Marker reichert sich in betroffenem Gewebe an und emittiert Prositronen ( -Zerfall) Paarvernichtung mit Elektronen in Gewebe wird koinzident nachgewiesen

30 KW-25/26 KW-24 KW-23 KW-22 KW-21/22 25/25 30

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