Kernphysik Kernfusion und Kernspaltung

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1 Didaktische FWU-DVD differenziertes Arbeitsmaterial Kernphysik Kernfusion und Kernspaltung Physik Klasse 9 12 Trailer ansehen

2 Schlagwörter Abstoßung; Atom; Atomhülle; Atomkern; Atommüll; Basiskonzept; Bindungsenergie; Coulombkraft; Druck; Einstein, Albert; Elektron; Element; Energie; Fusion; Fusionsreaktor; Helium; Isotope; Kern; Kernkraft; Kernladungszahl; Kernphysik; Kernreaktor; Kernteilchen; Kernumwandlung; Knallgas; Kraftwerk, Ladung; Leistung; Massendefekt; Medienkompetenz; Megaelektronenvolt; Modellbildung; Modellvorstellung; Naturkonstante; Neutron; Nukleonen; Radioaktivität; Periodensystem; Proton; radioaktiv; Radioaktivität; Sonne; Spaltprodukt; Spaltung; Stern; Strom; Wasserstoff; Wechselwirkung Systematik Kernphysik Aufbau der Kerne Radioaktivität, Kernumwandlung Technische Anwendungen 2

3 Zum Inhalt Kräfte im Atomkern (Film 5 min) In diesem Film werden die wichtigsten Details über den Aufbau von Atomen und vor allem Atomkernen bereitgestellt bis hin zur Betrachtung von Massendefekt und Bindungsenergie und daraus resultierenden Konsequenzen für endotherme und exotherme Kernumwandlungsprozess. Kernfusion (Film 11 min) Dieser Film behandelt die verschiedenen Aspekte der Kernfusion, angefangen mit der Frage nach der Entstehung der chemischen Elemente über die Fusion als Energiequelle der Sterne und endotherme Neutronenanlagerungsprozesse gegen Ende der Lebensdauer eines Sterns bis hin zur Fusion im Labor und damit dem Versuch der technischen Realisation von Fusionsreaktoren zur Energiegewinnung. Kernspaltung (Film 11 min) In diesem Film geht es um den Prozess der Kernspaltung. Hier werden das Prinzip einer Spaltungsreaktion vorgestellt, der grundlegende Aufbau eines Kernreaktors betrachtet und die Rolle der Neutronen genauer untersucht. Auch die Möglichkeiten zur Regelung der Spaltungsreaktionen bei einem Reaktor im Dauerbetrieb, mögliche Gefahrenquellen bei Störfällen und die Problematik des Atommülls werden angesprochen. 3

4 Filmsequenzen Kernfusion Fusionsreaktionen in Sternen (4:10 min) Woher kommen die chemischen Elemente? Dieser Frage geht diese Sequenz kurz nach. So wird der Begriff der Kernfusion eingeführt. Die Frage nach einem Umfeld, in dem geeignete Bedingungen herrschen, führt ins Sterninnere. Am Beispiel der Sonne wird zunächst die Fusion von Wasserstoff zu Helium vorgestellt. Die Fusionsreaktionen bis zum Eisen, die ebenfalls noch exotherm verlaufen, werden kurz angesprochen und es wird erklärt, warum diese Reaktionen seltener auftreten. Anschließend erfährt man, wie die neu entstandenen Elemente an die Sternumgebung abgegeben werden und wie noch schwerere Elemente beim Tod eines Sterns in Form einer Supernova-Explosion entstehen und verteilt werden. Die Neutronenanlagerungsprozesse sind hier das erste Beispiel einer endothermen Fusion. Die Sequenz schließt mit der Information, dass Beobachtungen derartiger Fusionsreaktionen im Labor Wissenschaftler 1920 erstmals dazu veranlassten, die exotherme Fusion von Wasserstoff zu Helium als Energiequelle der Sonne und anderer Sterne zu erwägen. Fusion im Labor (4:00 min) Das JET in Culham wird als eine bestehende Versuchsanlage zur Fusionsforschung vorgestellt und die dort bereits erzielten Erfolge werden aufgezeigt. Anschließend werden die Herausforderungen untersucht, die eine technische Umsetzung meistern muss. Die infrage kommende Fusionsreaktion ist nicht dieselbe wie in der Sonne, denn die frei werdende Energie muss das Plasma verlassen können. Dazu sind ungeladene Teilchen erforderlich, also Neutronen. Um den Reaktorkern befindet sich also gewissermaßen ein konventionelles Wärmekraftwerk, das sich nur durch die Art der Heizung unterscheidet. Nachdem diese Anlage schematisch vorgestellt ist, wird die Frage nach der Energieaus beute noch einmal konkreter betrachtet. Die Erwähnung der Tatsache, dass derzeit noch mehr Energie in einen Reaktor hinein gesteckt werden muss, als man anschließend nutzen kann, schließt diese Sequenz. 4

5 Mögliche Probleme der Kernfusion (2:00 min) Fusion wird als saubere Energiequelle propagiert, keine klimaschädlichen fossilen Brennstoffe sind erforderlich und es entsteht nur das harmlose Helium. Welche Probleme es dennoch gibt, wird nun unter die Lupe genommen. Zunächst wird erklärt, dass durch Neutronenanlagerung ein Reaktor im Laufe der Zeit radioaktiv wird. Er stellt somit für Wartungsarbeiten eine gesundheitsschädliche Umgebung dar und auch die spätere Entsorgung ist nicht unproblematisch. Das zweite große Problem ist die Bereitstellung des kurzlebigen Tritiums, welches vor Ort erbrütet werden muss. Dafür ist der auch anderweitig heiß begehrte und relativ seltene Rohstoff Lithium nötig. Filmsequenzen Kernspaltung Prinzip der Kernspaltung (2:20 min) Kernkraftwerke sind allgemein bekannt. Was in ihrem Inneren genau passiert, ist schon weniger geläufig. Die Spaltung von Uran-235 wird im Folgenden näher betrachtet. Dabei wird auch noch einmal erklärt, warum hier Energie frei wird. Dass die frei werdenden Neutronen wieder neue Kernspaltungen auslösen können und so ein Reaktor die Spaltungsprozesse am Laufen halten kann, wird ebenfalls kurz beschrieben. Die Rolle der Neutronen (1:30 min) Bei einer Kernspaltung werden Neutronen frei. Diese sind für einen Kernreaktor in mehrfacher Hinsicht wichtig. Zum einen sind sie es, die die Energie als kinetische Energie an das Wasser abgeben und somit die Nutzung im Wärmekraftwerk ermöglichen, zum anderen verursachen sie auch neue Spaltreaktionen und halten so einen Reaktor im Dauerbetrieb am Laufen. Auch die Steuerstäbe, die den Neutronenfluss regeln, indem sie überzählige Neutronen einfangen, werden vorgestellt. 5

6 Wie viel Energie lässt sich bei der Kernspaltung gewinnen? (2:30 min) Wie bei der Fusion stellt sich auch hier die Frage, wie viel Energie bei einer Kernspaltung frei wird. Eine Modellrechnung liefert ein beeindruckendes Ergebnis. Wie diese Energie in Druckwasser- und Siedewasserreaktoren zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt wird, zeigen einfache schematische Darstellungen. Die frei werdende Energie wird mit konventionellen Energiequellen verglichen. Eine Übersicht über die weltweit in Kernreaktoren gewonnene elektrische Energie schließt diese Sequenz. Probleme bei der Kernspaltung (2:20 min) Kernkraftwerke sind nicht ungefährlich. Im Dauerbetrieb entsteht Wasserstoff und damit letztlich Knallgas, was bei einer Havarie möglicherweise nicht mehr abgepumpt werden kann. Die Radioaktivität der Spaltprodukte aufgrund einer zu großen Zahl von Neutronen und damit der hoch radioaktive Atommüll mit seinen langen Halbwertszeiten stellt ein weiteres Problem dar, das auf langen Zeitskalen gelöst werden muss. Und auch Neutronenanlagerungsprozesse, die die Reaktormaterialien radioaktiv werden lassen und damit auch verändern, sind problematisch. Dem gegenüber steht die Klimaneutralität im Vergleich zu fossilen Brennstoffen. 6

7 Grafiken Massendefekt (Grafik) Laut Einstein ist die Masse der Energie direkt proportional. Die Energie E ist gleich der Differenz der Massen mal dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. In Kernen ist die Bindungsenergie so groß, dass man sie als fehlende Masse, als Massendefekt messen kann. Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon Berechnung (Grafik) Dividiert man die gesamte Bindungsenergie eines Kerns durch die Zahl seiner Kernteilchen, erhält man eine Aussage darüber, wie stark jedes einzelne Kernteilchen im Mittel im Kern gebunden ist. Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon Graph (2 Grafiken) Diese Bindungsenergie pro Nukleon kann man in einem Diagramm für alle stabilen Kerne eintragen. Man erkennt, dass die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon nicht für alle Kerne gleich ist. Vielmehr nimmt sie bis zum Eisen immer mehr zu. Für Kerne mit mehr Masse als Eisen nimmt sie langsam wieder ab. Proton-Proton-Reaktion (Grafik) Die Proton-Proton-Reaktion ist eine von zwei Fusionsreaktionen des sogenannten Wasserstoffbrennens, durch welche in Sternen Wasserstoff in Helium umgewandelt wird. Bethe-Weizsäcker-Zyklus (CNO-Zyklus) (Grafik) Der Bethe-Weizsäcker-Zyklus wird auch CNO-Zyklus genannt, nach den Elementen Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Er ist eine der zwei Fusionsreaktionen des sogenannten Wasserstoffbrennens und läuft vor allem in schweren Sternen ab. Ein Kohlenstoffatom wirkt hier als Katalysator für die Fusion von vier Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler können das Prinzip einer Fusionsreaktion erklären; können das Prinzip einer Kernspaltungsreaktion erklären; können den prinzipiellen Aufbau von Fusions- und Spaltungsreaktoren beschreiben; erkennen, dass Fusions- und Spaltreaktionen sehr große Energiemengen frei werden lassen; erkennen, dass bei der Spaltung der 7

8 größten Kerne in mittelgroße Kerne Energie frei wird; erkennen, dass Fusionsreaktionen in Sternen die Quelle der meisten chemischen Elemente sind; erkennen, dass die Spaltprodukte radioaktiv sein müssen; erkennen, dass die bei der Fusion im Reaktor frei werdenden Neutronen Materialien verändern können; erkennen, dass auch Neutronenanlagerungen Fusionsreaktionen sind. Didaktische Hinweise Seit einiger Zeit werden etliche Aspekte der modernen Physik nicht erst in der Sekundarstufe 2 unterrichtet, sondern sind ein wichtiger Bestandteil der Physik der Sekundarstufe 1 geworden. Hintergrund ist, dass diese moderne Physik sehr viele Alltagsbezüge hat und für Entscheidungen relevant ist, über die sich jeder Bürger ein Bild verschaffen können sollte. Dazu gehören insbesondere auch die Fragestellungen zur Nutzung von Kernspaltung und Kernfusion als Energiequelle, die im Zuge des Klimawandels als Alternative zu fossilen Brennstoffen wieder sehr intensiv diskutiert werden. In der Sekundarstufe 1 ist es noch nicht möglich, aufwendige Rechnungen durchzuführen. Die Behandlung des Themas muss sich stattdessen auf möglichst einfache und anschauliche Weise gestalten, um möglichst vielen Schülerinnen und Schülern einen Zugang zu bieten. Hier setzt diese Produktion an. Sie erlaubt es, die Geschehnisse im Atomkern auf einfache Art zu visualisieren. Damit kann der Unterricht, der sich sonst auf Analogiebeispiele und einfache statische Skizzen beschränken muss, optimal ergänzt werden. Auch Schülerinnen und Schüler mit einem wenig ausgeprägten abstrakten Vorstellungsvermögen können so einen Einblick in die Prozesse der Kernfusion und der Kernspaltung erhalten. Die Produktion kann im Rahmen der folgenden Themenschwerpunkte eingesetzt werden: Aufbau von Atomkernen Bindungskräfte und Kräfte in Atomkernen Massendefekt Entstehung von Elementen Kernfusion und Kernspaltung Energiegewinnung durch Kernfusion und Kernspaltung sowie deren Probleme Aufbau und Nutzung von Reaktoren 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen als PDF- und Word-Dateien vor. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichts situation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) Grafiken Infotext Filmtexte Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz der Filme, der Filmsequenzen, den Grafiken und den ergänzenden Arbeitsmaterialien 1.1/1.2) Kernfusion in Sternen 2.1/2.2) Kernfusion im Labor 3) Rechnungen zur Kernfusion 4) Fusionsquiz 5.1/5.2) Kernspaltung 6) Rechnungen zur Kernspaltung Massendefekt Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon Berechnung Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon Graph Bestandteile der Nahrung Proton-Proton-Reaktion Bethe-Weizsäcker-Zyklus (CNO-Zyklus) Wasserstoffbrennen Filmtexte zum Film als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Kräfte im Atomkern Kräfte im Atomkern Kernfusion Kernfusion Kernspaltung Kernspaltung Wasserstoffbrennen Kernphysik Kernfusion und Kernspaltung 5 min 3 Grafiken 11 min Sequenzen 9 min Sequenzen 2 Grafiken Untermenü Massendefekt Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon Berechnung Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon Graph Fusionsreaktionen in Sternen Kräfte im Atomkern Grafik Grafik Grafik Kernfusion 4:10 min Arbeitsmaterial Fusion im Labor Mögliche Probleme der Kernfusion 4:00 min 2:00 min Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 6 Arbeitsblätter (z.t. differenziert) Infotext 6 Grafiken Filmkommentare Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Prinzip der Kernspaltung Die Rolle der Neutronen Wie viel Energie lässt sich bei der Kernspaltung gewinnen? Probleme bei der Kernspaltung Kernspaltung 2:20 min 1:30 min 2:30 min 2:20 min Wasserstoffbrennen Proton-Proton-Reaktion Grafik Bethe-Weizsäcker-Zyklus (CNO-Zyklus) Grafik 10

11 Produktionsangaben Kernphysik: Kernfusion und Kernspaltung (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2017 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann DVD-Authoring und Design TV Werk GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2017 Bildnachweis Coverbild: Thinkstock PeterHermesFurian Arbeitsmaterial Dr. Sylvia Becker Begleitheft Dr. Maike Schuchmann Sounddesign Sven Lütgen Tonstudio Marko Peter Bachmann Buch Dr. Maike Schuchmann Dr. Sylvia Becker Sprecher Mark Bremer Fotos Wikicommons Istockphoto / xeni4ka EUROfusion Consortium Fachberatung Dr. Sylvia Becker Redaktion Dr. Maike Schuchmann Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zu den Filmen Kräfte im Atomkern, Kernfusion und Kernspaltung Produktion Weglowinthedark. im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2017 Animation und Gestaltung Antonia Kühn Dominic Bünning Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2017 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Kernphysik: Kernfusion und Kernspaltung Kernfusion und Kernspaltung sind beides Methoden, die den Massendefekt zur Energiegewinnung ausnutzen. Doch was passiert bei der Verschmelzung zweier Atomkerne zu einem neuen Kern? Was geschieht bei der Zerlegung eines Atomkernes in mehrere kleinere? Und wie kann man das nutzen? Diesen und anderen Fragen wird in der Produktion nachgegangen. Laufzeit 25 min Klasse 9 12 Sprache Filme 3 Filmsequenzen 7 Arbeitsblätter 6 DE Grafiken 5 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler können das Prinzip einer Fusionsreaktion erklären; können das Prinzip einer Kernspaltungsreaktion erklären; können den prinzipiellen Aufbau von Fusions- und Spaltungsreaktoren beschreiben; erkennen, dass Fusions- und Spaltreaktionen sehr große Energie mengen frei werden lassen; erkennen, dass bei der Spaltung der größten Kerne in mittelgroße Kerne Energie frei wird; erkennen, dass die Spaltprodukte radioaktiv sein müssen. Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Themen Klasse 9 12 Aufbau der Atomkerne Kräfte im Atomkern Kernfusion Kernspaltung Probleme und Gefahren Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht ggmbh Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de