Nukleare Energiequellen
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- Gert Pfaff
- vor 9 Jahren
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1 Nukleare Energiequellen Kernspaltung Kernfusion H. Podlech 1
2 Kernspaltung Grundlagen, Geschichtliches Radioaktivität Kernreaktionen Kernbrennstoff, Vorkommen, Reichweite it Aufarbeitung, Wiederaufarbeitung Entlagerung, Entsorgung, Transmutation ADS Reaktoren (SWR, CANDU, PWR, EPR, RMBK, Brüter, ) Wirtschaftlichkeit Weltweite Nutzung der Kernenergie Unfälle (Windscale, Harrisburg, Tschernobyl, Fukushima) H. Podlech 2
3 Allgemeines und Historisches zur Kernspaltung Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen Die Summe der Massen der einzelnen Nukleonen ist größer als die Masse des Kerns. 1 kg Protonen und Neutronen ergeben: kg Helium kg Eisen kg Uran-235 H. Podlech 3
4 Bindungsenergie Massendefekt Bindungsenergie Die Bindungsenergie ist eine Funktion Funktion der Massenzahl A und der Kernladungszahl Z. H. Podlech 4
5 Bindungsenergie av a a s c = 2 = MeV / c ; = MeV / c ; MeV / c ; MeV / c gg nuclei δ = 0 ug nuclei MeV / c uu nuclei [E. Segre, 1977] H. Podlech 5
6 Bindungsenergie Eisen Fusion Spaltung H. Podlech 6
7 Bindungsenergie Beispiel: Spaltung von U-235 durch langsame Neutronen U n A + B n MeV Spaltung von 1 kg Uran-235: E=5.6x10 32 ev = 9x10 13 J = 2.5X10 7 kwh Energieumwandlung von 1 g Materie Vergleich: E(Kern)/E(Chemisch)=3x10 6 H. Podlech 7
8 Bindungsenergie Massenverlust bei Spaltung von U-235: 0.1% Anreicherungsgrad U-235: 3% 30g spaltbares Material 30 mg Massendefekt E=3e-5 kg*c 2 E=2.7e12 J=75000 kwh E=88 t SKE H. Podlech 8
9 Pioniere der Kernspaltung H. Podlech 9
10 Geschichte 1935: Carl Friedrich v. Weizsäcker erkennt Fusion als Energiequelle in Sternen (Bethe-Weizsäcker-Zyklus) 1938: Lise Meitner gelingt nach experimentellen Befunden von Hahn und Strassmann das Verständnis der Uranspaltung 1942: Enrico Fermi baut den ersten Kernreaktor 1945: Zündung der ersten Atomwaffen 1951: Zündung der ersten Fusionsbombe 1955: Beginn der kommerziellen Nutzung der Kernspaltung H. Podlech 10
11 Versuchsaufbau von Otto Hahn Deutsches Museum München H. Podlech 11
12 Entdeckung der Kernspaltung Such nach Trans-Uranen Beschuss von Uran mit Neutronen Nachweis von Barium in den Reaktionsprodukten Spaltung von Uran H. Podlech 12
13 Radioaktivität Emission energiereicher Strahlung aus Kernumwandlungsprozessen α-strahlung: Helium-4-Kerne β-strahlung: Elektronen (Positronen) γ-strahlung: g EM Strahlung Protonen- u. Neutronenemission C-Radioaktivität H. Podlech 13
14 Radioaktivität H. Podlech 14
15 Radioaktivität: Zerfallsgesetz Nach den Gesetzen der QM ist der radioaktive Zerfall ein statistisches Ereignis Einheit: Bequerel (Bq) Zerfälle pro Sekunde H. Podlech 15
16 Formen der Radioaktivität Alpha-Zerfall Schwere Kerne mit A>140 Eher Neutronenarme Kerne Halbwertszeit und α-energie g stark korreliert Tunneleffekt Mögliche, wenn ΔM (Mutter+Tocher)>M(He4) 2-Körperproblem p Diskretes Spektrum H. Podlech 16
17 Radioaktivität: α-zerfall E=2-5 MeV τ=10-9 bis a H. Podlech 17
18 Formen der Radioaktivität Beta-Zerfall Umwandlung eines d- in ein u-quark n p+e - +ν* Schwache Wechselwirkung 3-Körperproblem kontinuierliches Spektrum H. Podlech 18
19 Formen der Radioaktivität Gamma-Zerfall Übergangsstrahlung angeregter Kerne Tritt meist in Verbindung mit α- und β-zerfällen auf EM Wechselwirkung Multipolstrahlung 2-Körperproblem diskretes Spektrum H. Podlech 19
20 Abfälle aus Kernspaltung Pro Betriebsjahr (8000 h) fallen bei Wiederaufarbeitung it pro 1000 MW el an: 4 m 3 hochradioaktive Abfälle (40 Jahre Zwischenlagerung) 40 m 3 mittelradioaktive Abfälle 400 m 3 schwach radioaktive Abfälle Abfall pro Person/a H. Podlech 20
21 Weltweite Nutzung der Kernenergie (2014) 435 Reaktoren mit P=354 GW elektrischer Leistung Pro Jahr 8000 t abgebrannte Brennelemente H. Podlech 21
22 Abfälle aus Kernspaltung Wohin damit?? H. Podlech 22
23 Abfälle aus Kernspaltung H. Podlech 23
24 Nuclear Waste Transmutation Accelerator Driven Systems (ADS) Hochleistungsprotonenbeschleuniger MW-Strahl (1 GeV) Hg/Bi/Pb-Target flüssig Spallation Neutronen Zerstörung der Spaltprodukte Erbrüten von 233 U aus 232 Th Subkritischer Reaktor H. Podlech 24
25 EUROTRANS Integrated Project on EUROpean TRANSmutation H. Podlech 25
26 MYRRHA Multi Purpose Hybrid Research Reactor for High Tech Applications H. Podlech 26
27 MYRRHA EFIT: European Full intensity Industrial Transmuter Strahl: Protonen Strahlstrom: 2.5/25 ma (MYRRHA, EFIT) Energie: 600/800 MeV Leistung: 1.5/20 MW/ (Reaktor MW th ) Duty cycle: 100% Treiber: Supraleitender Linearbeschleuniger Frequenz: MHz Strahlstabilität: 2% Leistung Maximal 3-10 beam trips pro Jahr >1 s!!! Transmission: % Verlustrate: 1 W/m H. Podlech 27
28 MYRRHA Neutronenausbeute: t 1.5x n/(a ma) 3x10 26 (20 ma) Transmutationsrate: 25 mol/(a ma) 500 mol Produktionsrate 233 U: 5 kg/(a ma) 100 kg Abfalltransmutationsrate: 2.5 kg/(a ma) 50 kg Ein 20 ma Transmuter kann den Abfall von zehn 1GW Reaktoren entsorgen! H. Podlech 28
29 MYRRHA H. Podlech 29
30 MYRRHA 17 MeV Injektor Unter Entwicklung am Institut für Angewandte Physik RFQ MEBT NL CH SL CH H. Podlech 30
31 MYRRHA-Treiberbeschleuniger b i 1. Beschleunigerstufe: 00315M MeV Radiofrequenz-Quadrupol (RFQ) H. Podlech 31
32 MYRRHA-Treiberbeschleuniger 1. Beschleunigerstufe: Radiofrequenz-Quadrupol (RFQ) H. Podlech 32
33 MYRRHA-Treiberbeschleuniger 1. Beschleunigerstufe: Radiofrequenz-Quadrupol (RFQ) H. Podlech 33
34 MYRRHA-Treiberbeschleuniger b i 1. Beschleunigerstufe: Radiofrequenz-Quadrupol (RFQ) LEDA-RFQ, LANL IPHI-RFQ, Saclay LEDA-RFQ, LANL H. Podlech 34
35 MYRRHA-RFQ RFQ Parameter Value Unit RF Structure 4-Rod --- Frequency 176 MHz Beam current 4 ma Duty factor 100 % E out 1.5 MeV R p >67 kωm Specific power 25 kw/m Voltage 40 kv Length 4 m H. Podlech 35
36 Die Familie der H-Moden Driftröhren-Kavitäten H 11(0) H 21(0) H 21(0) normalleitender IH-DTL normalleitender CH-DTL supraleitender CH-DTL H. Podlech 36
37 NL CH-Kavität H. Podlech 37
38 SL CH-Kavität H. Podlech 38
39 SL CH-Kavität H. Podlech 39
40 SL CH-Kavität H. Podlech 40
41 SL CH-Kavität H. Podlech 41
42 Bachelor- und Masterbeiten in der LINAC AG: Design von supraleitenden CH-Strukturen Design von normalleitenden CH-Strukturen Design von IH-Strukturen Strahldynamische h Simulationen Elektromagnetische Simulationen Regelsysteme für sl Resonatoren Messungen an supraleitender CH-Strukturen Tunerentwicklung für sl CH-Strukturen Multpacting Untersuchungen Thermische Untersuchungen H. Podlech 42
43 Vorlesungen SoSe 2015 Anwendungen der Supraleitung in Beschleuniger- und Fusionstechnologie Di H. Podlech 43
44 MYRRHA-Treiberbeschleuniger b i 3. Beschleunigerstufe: MeV Supraleitende Spoke-Resonatoren J.-L. Biarotte, IPN Orsay H. Podlech 44
45 MYRRHA-Treiberbeschleuniger 4. Beschleunigerstufe: MeV Supraleitende Elliptische Resonatoren H. Podlech 45
46 Kryomodul für den Hochenergieteil P. Pierini, INFN Milano H. Podlech 46
47 H. Podlech 47
48 Myrrha: Multi Purpose Hybrid Reactor for High Tech Applications H. Podlech 48
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