14. Kernreaktionen; Kernspaltung; Kernfusion
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- Ella Pfaff
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1 4. Kernreaktionen; Kernspaltung; Kernfusion 4.. Überblick über wichtige Kernreaktionen Unter einer Kernreaktion versteht man den Vorgang, der sich abspielt, wenn ein Teilchen in das Feld eines Atomkerns eintritt. Dabei gelten stets der Masse-Energie-, der Impuls- und der Ladungserhaltungssatz. Folgende Prozesse sind möglich: a) Die elastische Streuung (Rutherfordstreuung) Die kin. Energie bleibt erhalten. Beispiele: 97 Au 97 +α Au+α Neutronenstreuung: n+ H n+ H Moderation b) Die unelastische Streuung: Der Zwischenkern strahlt das eingefangene Teilchen wieder ab. Ein Teil der eingebrachten Energie verbleibt dabei im Kern und wird meist als -Quant abgestrahlt. 4 4 Bsp.: N + p p+ N +γ c) Die Austauschreaktion (Compound-Reaktion) Der Zwischenkern gibt für das eingefangene Teilchen ein anderes Teilchen ab. Der Energieüberschuß wird durch ein Gammaquant abgestrahlt. Manchmal wird auch nur ein Gammaquant abgestrahlt. Bsp.: 4 7 N n 6 C + p +γ Berühmte Beispiele:. Kernspaltung: 939 von Hahn und Straßmann entdeckt; Urankerne werden durch Neutronenbeschuss gespalten U + n Ba Kr +3 n +75 MeV Es können auch andere Spaltprodukte entstehen. Die drei schnellen Neutronen können nach Abbremsung ( Moderation) wieder Urankerne spalten. Dies führt zu einer Kettenreaktion Radiumzerfall: 88Ra 86Rn+ 2 α der Q- Wert beträgt 4,9 MeV. Wie verteilen sich die 4,9 MeV auf die Zerfallsprodukte? Impulserhaltung : m Rnv Rn = m Hev He daraus folgt v Rn/v He = m He/m Rn = 4/222 E Rn = 222 E He 4 v ² Rn v He ² mit Impulserhaltung folgt: E Rn E He = ² 222² = Die kin. Energien verhalten sich umgekehrt wie die Massen. Damit erhält man : E He = 4,9 MeV : (4+222) * 222 = 4,8 MeV Das Alphateilchen nimmt fast die ganze kin Energie mit. 3. Protonenbeschuss von Bor p + 5 B 6 C+ 0 n Der Q-Wert ist negativ. Q = - 2,67 MeV. Die Reaktion ist endotherm. Das Proton als Geschoss muss mindestens die kin Energie 2,7 MeV besitzen.
2 Blei Paraffin 4.2. Freie Neutronen Entdeckung: 930 durch Bothe und Becker bei folgendem Versuch: α Ionisationskammer Beryllium Bothe nannte die durchdringende Strahlung zunächst Berylliumstrahlung Be+ 2He 6C+ 0n Irene Curie und der schlaue Chadwick haben die Strahlung als Neutronenstrahlung klassifiziert. Erzeugung freier Neutronen;Neutronenquellen - starken Alpha Strahler mit Beryllium pulverisieren und mischen - Be + Ra in Nickelröhrchen, (oder Be + Po ) Reaktion von oben - Kernreaktionen Eigenschaften: - mittlere Lebensdauer 888 s - Zerfall in Elektronen und Protonen und ν - große Reichweite auch in Pb - indirekte ionisierende Wirkung ( Gewichtung: je nach ihrer Energie Faktor 5 bis 20 ) - durch e-m Felder nicht beeinflußbar Nachweis: - über Rückstoßprotonen im paraffinausgekleideten Zählrohr - über Rückstoßprotonen, die im H 2 gefüllten Zählrohr entstehen. Kernreaktionen: Wegen fehlender Ladung können Neutronen leicht in den Kern eindringen und Reaktionen verursachen, die zur Aktivierung des Materials führen.. Schnelle Neutronen (E kin > MeV) sind dabei nicht so effektiv wie langsame, thermische Neutronen ( E kin <,ev). Zur Abbremsung (Moderation) verwendet man "leichte" Materialien wie H 2 O, D 2 O, Graphit oder Polyethylen. Bemerkung: Die Neutronenstrahlung gibt bei Castortransporten immer wieder Anlass zur Diskussion. Ein Polizist, der in 5 m Abstand zum fahrenden Zug steht, erhält zusätzlich etwa 0,02 Sv. Dies entspricht einem Aufenthalt von 20 min im Freien. Bei 20 min Aufenthalt direkt am Zug sind es 25 Sv. Dies entspricht der zusätzlichen Dosis bei einem Flug von Frankfurt nach New York. (Rimpler, Bundesamt für Strahlenschutz)
3 4.3. Kerntechnik Kernreaktor ( leifi G9 Kernphysik Kernkraftwerk oder Basiswissen Kernenergie.pdf) Der Schlüssel zum Verständnis ist nebenstehende Kurve, die die Bindungsenergie pro Nukleon zeigt.sie ist bei den Spalt- bzw. Fusionsprodukten (betragsmäßig) größer, d.h.bindungsenergie wird frei. Kernspaltung: 938 entdeckten Hahn, Straßmann und Meitner die Kernspaltung. Der Experimentiertisch ist im Deutschen Museum nachgebaut und in Leifi abgebildet. Beim Beschuss von Uran mit Neutronen(Röhrchen mit Beryllium und Radiumpulver) konnte er mit chemischen Mitteln das Element Barium nachweisen. Die zugehörige Reaktionsgleichung lautet: 235 U n Kr Ba +3 0 n +ν+97 MeV Spaltprodukte: Die Spaltprodukte sind dabei nicht eindeutig festgelegt. Die Häufigkeitsverteilung für die Spaltprodukte in Abhängigkeit von der Massenzahl ist nebenstehend angegeben. Häufigkeit Welche Materialien eignen sich für die Kernspaltung? Neutronen. Diese geben bei Anlagerung an den Kern nicht nur ihre kin. Energie ab sondern auch die Bindungsenergie E B des Neutrons an den betreffenden Kern. Sind beide Energien zusammen größer als die Anregungsenergie des betreffenden Kerns so kommt es zur Spaltung. Bei U(235) reichen schon geringe kin. Energien von ca ev (thermische Neutronen). Bei U(238) bedarf es schneller Neutronen (>,5 MeV). A Spaltneutronen 99% der bei der Spaltung freiwerdenden Neutronen sind prompte Neutronen, die in ca. 0-6 s nach der Spaltung auftreten. % sind verzögerte Neutronen, die beim weiteren Zerfall von Kernbruchstücken entstehen. Gerade sie sind wichtig für die Regelung von Kernreaktoren. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron auch wirklich eine Kernreaktion verursacht hängt stark von der Neutronenenergie ab. Der sog. Wirkungsquerschnitt, ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, ist nebenstehend in Abhängigkeit von der Neutronenenergie dargestellt. Wirkungsquerschnitt 0, E n in ev Sicherheit: Google: Basiswissen Kernenergie Seite 54 (Redundanz, Diversität, failsafe)
4 Fusionsreaktor (leifi G9 Kernphysik - Fusion) Beispiele für mögliche Fusionsreaktionen: Reaktion Reaktionsenergie in MeV 7,6 3,3 4,0 Damit es zu exothermen Fusionsreaktionen kommen kann, müssen die beiden zu fusionierenden Kerne sich so nahe kommen, dass die kurzreichweitigen Kernkräfte wirken können. Dazu müssen zunächst die abstoßenden Coulombkräfte überwunden werden, die umso größer sind je höher die Ordnungszahlen der beteiligten Elemente sind. Daher versucht man die Kernfusion auf der Erde in erster Linie mit leichten Elementen zu erreichen. W Coulomb = d Q Q 2 4πϵ o r² dr = Q Q 2 4π ϵ o d Aufgabe: Abschätzung von Energien a) Berechnen Sie die Reaktionsenergie der D-T-Reaktion. m D=2,04022u m T = 3,060494u m He = 4, u m n =,008665u b) Bestätigen Sie durch Rechnung die kinetischen Energien der Reaktionsprodukte bei der D-T-Reaktion. 4 MeV für Trit und 3,5 MeV für Deut c) Bestätigen Sie durch Rechnung den angegebenen Wert für die freigesetzte Energie pro Kilogramm Brennstoff für die D-T-Fusionsreaktion. 3,4 * 0 ⁸ MJ/kg m D + m T = 5u d) Welche Temperatur ist einem Plasma zuzuordnen, dessen Teilchen eine mittlere kinetische Energie von 20 kev besitzen? Vorteile gegenüber der Kernspaltung: Die zur Fusion notwendigen Rohstoffe sind in fast unerschöpflichem Maße vorhanden. Bei der Fusion entstehen entstehen im Gegensatz zur Kernspaltung keine extrem langlebigen radioaktiven Folgeprodukte. Die Sicherheit eines Fusionsreaktors lässt sich leichter gewährleisten als die eines Spaltreaktors (z.b. bei Ausfall des gesamten Kühlsystems), da sich im Fusionsrektor immer nur sehr kleine Mengen fusionsfähigen Materials befinden und jede Unregelmäßigkeit sofort zum Stillstand der Fusion führen würde. Nicht zu vernachlässigende Probleme: Das auftretende Tritium ist radioaktiv. Es hat zwar nur eine Halbwertszeit von 2,3 Jahren, ist aber - wie Wasserstoff - sehr leicht flüchtig. Durch die intensive Neutronenbestrahlung unterliegen die Reaktormaterialien einer extremen Belastung (Gefahr der Versprödung). Neben diesen Materialproblemen muss auch noch die Aktivierung des Reaktormaterials durch die Neutronen beachtet werden. Die Aktivierung führt zu radioaktiven Folgeprodukten, deren Halbwertszeit jedoch nicht so hoch ist wie die von den herkömmlichen Spaltreaktoren.
5 Die Bombe Die Atomtechnik hat sich während des 2. Weltkriegs entwickelt. Weil man nicht wusste wie weit das Nazi-Deutschland bei der Atomforschung war, riet sogar der Pazifist Einstein in einem Brief an Roosevelt zum Bau einer Atombombe. Ungeheure Anstrengungen wurden unternommen. Zeitweise arbeiteten streng geheim (?) bis zu Leute unter der Führung vieler namhafter Wissenschaftler wie Feynman oder A.H. Compton an diesem Projekt, das bis zu 2 Mrd Dollar verschlang. Das Prinzip war einfach : Zwei U(235) Halbkugeln mit unterkritischer Masse wurden getrennt in einem Gehäuse untergebracht. Bei der Zündung wurden diese Halbkugeln durch gewöhnlichen Sprengstoff zu einer einzigen Kugel von überkritischer Masse zusammengeschossen. Ein einziges Neutron aus der Luft oder aus einer Neutronenquelle genügte nun schon die Kettenreaktion einzuleiten. Damit nun die Bombe nicht zu schnell explodierte und das System dabei wieder unterkritisch wurde, wurde das Ganze in einen Mantel aus Stahl gehüllt; der sollte die Spaltmasse möglichst lange zusammenhalten und diente zugleich auch als Neutronenreflektor. U235 U235 Stahlmantel gewöhnlicher Sprengstoff unterkritische Masse Neben Uran 235 (Hiroshima) kann auch Pu 239 (Nagasaki)als Spaltstoff dienen. Die kritischen Massen betragen für U etwa 5-20 kg für Pu ca. 5-0 kg. Die Hiroshima Bombe enthielt wahrscheinlich 5 kg reines U235, wobei nur ca. kg tatsächlich gespalten wurde, was einer Sprengkraft von t TNT entsprach. Neben Kernspaltwaffen gibt es auch Kernfusionswaffen, kurz Wasserstoffbomben. Im Wesentlichen läuft dabei folgender Prozess ab: Li + D 2 He + 22,2 MeV Zur Zündung des Fusionsprozesses verwendet man wieder eine kleine U- oder Pu-Bombe. Während bei der Spaltbombe die Unterbringung des Spaltmaterials wegen der kritischen Masse begrenzt ist, gibt es für Fusionsstoffe keine solche obere Grenze, die zerstörende Wirkung kann noch gigantischer gestaltet werden.
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