von der Entdeckung zur Nutzung der Kernenergie

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1 XV. Heidelberger Graduiertenkurse Physik (10-14 Oktober 2005) Energie und Umwelt im 21. Jahrhundert Mittwoch Kernenergie (Teil I) von der Entdeckung zur Nutzung der Kernenergie Energie aus der Kernspaltung heute Kurzgeschichte Kernenergie physikalische Grundlagen: Radioaktivität zur Physik der Kernspaltung 1

2 Zahlen zur Kernspaltungsenergie Nach Angaben der International Atomic Energy Agency, IAEA (website: lieferten 440 Kernkraftwerke in 33 Ländern (2004) Strom und 25 Reaktoren sind in Bau. Im Jahr 2000 waren 438 Reaktoren in Betrieb und 31 Reaktoren in Bau. Vier neue Reaktoren wurden 2004 neu ans Netz geschlossen. Vier kleine Reaktoren (je 50 MW e ) wurden in England abgeschaltet. Zwei neue Reaktoren gingen im Jahr 2003 ans Netz (China und Süd Korea). Im Jahr 2000 waren es sechs. Nach Regionen aufgeteilt findet man im Jahr 2000: 150 Kraftwerke in Westeuropa, 118 in Nordamerika, 68 in zentral und Osteuropa sowie 94 im mittleren Osten, Japan, China und anderen asiatischen Ländern. Heute werden etwa 16% (35% in Europa) der elektrischen Energie auf der Welt durch Kernkraftwerke zur Verfügung gestellt, die totale installierte Leistung beträgt GW e. Die elektrische Leistung der Kernkraftwerke ist schwierig zu regeln. Deshalb laufen die Kernkraftwerke praktisch immer bei 100% der installierten Leistung! Gaskraftwerke lassen sich schnell an und ausschalten! 2

3 Kernenergie und elektrische Energie Die Schweiz als Beispiel: Elektrische Energie Produktion (2003): GWh e. Bei einer installierte Leistung der KKW s von 3200 MW e ( MW therm ) wurden GWh e produziert. KKW Effizienz Faktor: 0.92! Nukleare Stromerzeugung auf der Welt 3

4 Die Alterstruktur der Kernkraftwerke Es werden immer weniger neue Kernkraftwerke gebaut! Der Bau Boom lag in den siebziger Jahren! Die Bauzeit eines neuen KKW s beträgt 5-10 Jahre. 4

5 Kernenergie in Deutschland 17 Reaktoren (Leistung 20.3 GW el ) lieferten im Jahr /3 der elektrischen Energie in Deutschland (167 TWh) (gesammt Verbrauch etwa 7050 kwh pro Einwohner). 6 Reaktoren sind BWR (boiling water reactor), 11 Reaktoren sind PWR (Pressurized water reactor). 1 PWR liegt seit 1988 still (Lizenz Streit). Alle Reaktoren wurden von Siemens-KWU gebaut. Das Alter der Reaktoren: 7 zwischen Jahre, 6 zwischen Jahre und 4 zwischen Jahre. Aus Sicherheitsgründen wurden nach der Wiedervereinigung die 4 russischen (plus einer in Bau) abgeschaltet. 5

6 Kurzgeschichte der Kernenergie I 1896: Entdeckung der Radioaktivität H. Becquerel. 1898: Entdeckung des Radium durch Marie Sklodowska-Curie und Pierre Curie. (Separation von 110 mg Radium aus etwa 1 Tonne Pechblende). 1911: Entdeckung des Atomkerns (Rutherford). 1932: Entdeckung des Neutrons (Chadwick). 1938: Hans Bethe und C. F. Weizäcker erkannten die Kernfusion als Energiequelle der Sonne. 1938/39: Entdeckung und Erklärung der Kernspaltung (Meitner, Hahn und Strassmann) 1942: Die erste kontrollierte Kettenreaktion wurde unter Leitung von E. Fermi am 2. Dezember 1942 in Chicago durchgeführt. 6

7 Kurzgeschichte der Kernenergie II : Das Manhattan Projekt zum Bau der Atombombe führt zum Trinity Test(16 Juli 1945) und dem Einsatz der Bombe in Hiroshima (60 Kg U235) und Nagasaki (8 Kg Plutonium). Die Sprengkraft der Bomben war 15 und 22 Kilotonnen TNT. Etwa Menschen starben sofort. (mehr unter Die erste Wasserstoffbombe wurde am 1. November 1952 beim Bikini Atoll gezündet (10,4 Megatonnen 830 Mal Hiroshima Bombe). Die grösste je gezündete Bombe (58 Megatonnen) explodierte am 30. September 1961 in Russland. 1963: Vertrag zum Atomteststopp (Partial Test Ban Treaty/PTBT), der Atomwaffenversuche in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser. Ratifizierung durch die drei Atomwaffenstaaten England, Sowjetunion und USA (1970 in Kraft) Non-Proliferation Treaty (NPT) zur Nichtverbreitung von Atomwaffen. Die Atomwaffenstaaten (China, Frankreich, England, UdSSR und USA) akzeptieren das Recht der Vertragspartner auf eine friedliche Nutzung der Kernenergie unter Kontrolle der Internationalen Atomenergiebehörde. Der Vertrag wurde 1995 auf einer Überprüfungskonferenz der bis dahin 178 Unterzeichnerstaaten per Akklamation zeitlich unbegrenzt und ohne Bedingungen verlängert. Die Atommächte erklären:.. their intention to achieve at the earliest possible date the cessation of the nuclear arms race and to undertake effective measures in the direction of nuclear disarmament, Weitere Atomwaffen haben Indien, Israel, und Pakistan. Diese Länder stehen noch ausserhalb des Vertragsregimes. Die mutmassliche Atomnation Nordkorea kündigte den Vertrag am ; der Austritt wurde am wirksam. 2005/6(?) Die Bombardierung eines Kernreaktors in??? 7

8 Kurzgeschichte der Kernenergie III Die erste elektrische Energie wird 1954 von einem Spaltungsreaktor an den Verbraucher geliefert. Die Nutzung des so genannten friedlichen Atoms beginnt. (On June 27, 1954, the world s first nuclear power plant generated electricity but no headlines at least, not in the West. According to the Uranium Institute (London, England), the first reactor to generate electricity for commercial use was at Obninsk, Kaluga Oblast, Russia. The Shippingport reactor (in Pennsylvania) was the first commercial nuclear generator to become operational in the United States. The Shippingport reactor was ordered in 1953 and began commercial operation in 1957 (en.wikipedia.org/wiki/nuclear reactor) bis etwa 1970: Etwa 100 kommerzielle Kernspaltungsreaktoren werden weltweit gebaut oder liefern bereits Strom bis 1985: die Konsolidierung der Kerntechnik. Die Kernkraftwerke erreichten eine grosstechnische Reife. Aus Kostengründen werden standardisierte Anlagen angeboten, die Blockleistung betrug bereits um 1000 MW e (?): In vielen Ländern finden grosse (zum Teil gewalttätige) Demonstrationen gegen den Ausbau der Kernenergie statt. Die Periode der ersten Euphorie endet mit dem Tschernobyl Unfall am 26.April : die schnellen Brüter Projekte in Europa werden eingestellt CREYS-MALVILLE (1998/12/31) PHENIX (1999?). Kalkar (1996) verschlang 7 Mrd. DM Baukosten ohne je in Betrieb zu gehen! 2001: Deutschland erklärt den Ausstieg aus der Kernenergie ( ). 8

9 Kernenergie: E = m c 2 Atomare Unit m u = 1/12 m(c6 12 ) = 1u = MeV/c2 M p = MeV/c 2 und M n = MeV/c 2 Bindungsenergie eines Kerns X der Massenzahl A = Z + N B(X A Z = [Z M p + N M n mx A Z ] c2 Bindungsenergie pro Nukleon 8 MeV (für A > 30)! Fusion D+T = α + n MeV 1 gr Helium = J = 158 MWh! bei der Spaltung von U(238) werden 250 MeV werden freigesetzt! 22.html 9

10 Fusion in Sternen (unsere Sonne) der Proton Proton Zyklus! die wichtigste Reaktion in Sternen: 1 : pp de + ν 2 : dp He 3 + γ 3 : He 3 + He 3 α(he 4 2 ) + 2p Bei diesem Prozess werden etwa Kg Materie pro Kg Hydrogen in Energie umgewandelt. Energie Emission der Sonne: J/sec! (also etwa 4 Millionen Tonnen Materie (aus der Fusion von 600 Millionen Tonnen Wasserstoff) werden pro Sekunde in Energie umgewandelt!) Der Proton Proton Zyklus in der Sonne hat noch für etwa 4 Milliarden Jahre ausreichend Wasserstoff. (die Sonne besteht aus: 76.4% Hydrogen, 21.8% Helium, 0.8% Sauerstoff und 0.4% Kohlenstoff) 10

11 Die Stabilität der Kerne Schwere stabile Kerne haben mehr Neutronen als Protonen! so genannte gerade-gerade Kerne sind besonders stabil! (gerade Anzahl von sowohl Neutronen als auch von Protonen) 22.html 11

12 α, β und γ Strahlung Alpha-Zerfall: X N+Z Z Beta -Zerfall: X N+Z Z Y N+Z 4 Z 2 + α Y N+Z Z+1 + e ν Gamma-Zerfall: X N+Z Z ( ) X N+Z Z + γ 22.html 12

13 Natürliche Radioaktivität Klassifizierung der ionisierenden Strahlen (Rutherford): wichtige α Strahler: Am 241 (E=5.486 MeV und MeV), Po 210 (5.3 MeV) und Cm (6.113 MeV und MeV). α- Strahlen haben diskrete Energien! wichtige β Strahler: H 3 (Tritium) mit E max = MeV, C 14 mit E max = MeV und Cl 36 mit E max =0.714 MeV. Der β Zerfall liefert ein kontinuierliches Energiespektrum (n e νp). γ Strahlung (angeregte Kernzustände in Zerfallsketten) mit Energien von einigen 100 KeV bis ein paar MeV. Man findet diskrete scharfe γ-energien! 13

14 Daten zu wichtigen radioktiven Isotopen 22.html 14

15 Radium (Ra 88 ) und seine Anwendungen Entdeckung 1898 (1 gr Radium in 7 Tonnen Pechblende). Das Element konnte 1911 durch Elektrolyse isoliert werden (M. Curie und Debierne). Man findet Radium in allen uranhaltigen Mineralien. Radium emittiert α, β und γ Strahlung ( Radongas). Heute sind 25 Ra-Isotope bekannt. Das wichtigste ist Ra 226 mit einer Halbwertszeit von 1600 Jahren. Radium wurde für medizinische (Krebsbehandlung) und andere technische Anwendungen wie Leuchtziffern bei Armbanduhren benutzt. Unvorsichtiger Umgang mit Radium führte bei vielen Physikern zu Krebs! P. Curie (in der Nobelpreisrede 1905) It can even be thought that radium could become very dangerous in criminal hands, and here the question can be raised whether mankind benefits from knowing the secrets of Nature, whether it is ready to profit from it or whether this knowledge will not be harmful for it... I am one of those who believe with Noble that mankind will derive more good than harm from the new discoveries. 15

16 Altersbestimmung mit radioaktiven Zerfällen Carbon 14: Alle lebenden Organismen absorbieren Kohlenstoff aus der Atmosphäre und man findet ein C 14 /C 12 Verhältnis von etwa Die Halbwertszeit von C 14 beträgt 5730 Jahre. Man erreicht eine gute Genauigkeit bis zu etwa Jahren. Mit Hilfe von Beschleunigern hat man eine Sensitivität von bis zu für Messungen des C 14 /C 12 Verhältnisses (mit Milligramm Proben) erreicht! Clocks in the Rocks. Mit Hilfe von sehr langlebigen Elementen, z.b.: U(235) Halbwertszeit (0.704 Milliarden Jahre), U(238) Halbwertszeit (4.468 Milliarden Jahre) und den jeweiligen Tochterkernen (aus den Zerfallsreihen) kann man das Alter von Gesteinen und das Alter der Erde, Meteoriten und des Mondgesteins auf 4.6 Milliarden Jahre bestimmen! 16

17 Subatomare und subnukleare Physik (als Grundlagenforschung) Verständnis der Atomkerne und Isotope: die Kernkraft als MeV Physik. Entwicklung von Messmethoden und Messgeräten zum quantitativen Nachweis von ionisierenden Strahlen und deren Wechselwirkung mit Materie. Subnukleare Physik (von der GeV zur TeV Physik): das Verstehen der fundamentalen Kräfte QED, QCD, Elektroschwache Wechselwirkung (Higgs Boson) und die Entdeckung von möglichen neuen superschweren Teilchen am LHC? (super interessant aber nicht das Thema) Teilchenphysik und Energieerzeugung (die M.D. Vermutung): Wir werden keine neuen fundamentalen Energiequellen in der Teilchenphysik finden! 17

18 Uran Zerfalls Reihe Halbwertzeit: U(238) = Jahre, U(235) = Jahre Radium (226) 1600 Jahre, Radium (228) 5.76 Jahre, Radium (224) 3.66 Tage html 18

19 n(langsam!)+u U Die Kernspaltung U(235) und PU(239) X + Y + νn (schnell) für U(235) findet man ν 2.43 (U(233) ν 2.48 und Plutonium P u ν 2.87) schnelle Neutronen haben eine kinetische Energie von etwa 2 MeV, langsame (thermische) Neutronen etwa ev! 22.html 19

20 Physik der Kernspaltung I n + U(235) U(236) X + Y + νn(fast) MeV = Joule Für eine thermische Ausgangsleistung von 3.2 GWatt müssen also etwa Spaltprozesse pro Sekunde stattfinden (1 gr U(235) J). Kern Halbwertszeit spon. Spaltung Neutron [barn] η τ 1/2 [y] τ 1/2 [y] σ therm σ Einfang νσ th /σ tot Th > U U Pu Cf confidential? Daten für wichtige spaltbare Isotope. Andere Kerne spalten nur bei zusätzlicher Energiezufuhr. Th 232 und U 238 können nur mit schnellen Neutronen gespalten werden. Man bekommt etwa eine spontane U 235 Spaltung pro Gramm und Stunde! (Skript Vorlesung Prof. Lang (ETH) 2000/2001) Die Variable η entscheidet, ob sich ein Isotop zur Energiegewinnung eignet! 20

21 Physik der Kernspaltung II Energie der Neutronen und Wirkungsquerschnitt der Spaltung Wichtig: es gibt viele Resonanzen und U(238) kann praktisch nicht durch die bei der Spaltung entstehenden Neutronen gespalten werden. Bei der Neutron Absorption (n + U238) entsteht das spaltbare Plutonium. 21

22 Physik der Kernspaltung III Notwendige Bedingungen für eine Kettenreaktion: Bei jeder Kernspaltung müssen genug Neutronen freigesetzt werden! (Neutronenvervielfachungskoeffizient K mit K = η) Absorption (w γ ) von Neutronen durch Verunreinigungen im Reaktormaterial (z.b. Moderatoren, Spaltfragmente etc) K = η(1 w γ ) Der Reaktor hat endliche Dimensionen und einige Neutronen werden immer entweichen (w e ) K = η (1 w γ ) (1 w e ) Die Leistung der Kettenreaktion wird dann: P (t) = P (0) k (t/τ g) die Generationszeit τ g liegt etwa zwischen 10 3 und 10 4 sec. Für K = 1 ist der Reaktor im kritischen Zustand, K < 1(> 1)) unter (über) kritisch! 22

23 Fermi s Reaktor in Chicago Am 2. Dezember 1942 gelang es einem kleinem Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren eine Kettenreaktion mit Natururan und reinstem Graphit als Moderator durchzuführen. (Leistung 2 Watt) Natürliches Uran besteht zu 0.72% aus U(235) (das spaltbare Isotope und zu 99.27% aus U(238). Eine Kettenreaktion kann nur funktionieren wenn die Neutronen in schwerem Wasser oder Graphit abgebremst werden. a joke among the scientists working on it was: If people could see what we re doing with a million-and-a-half of their dollars, they d think we are crazy. If they knew why we are doing it, they d know we are. mehr unter: 23

24 Zusammenfassung und Ausblick: Physik der Kernenergie Die Grundlagenforschung der Subatomaren Physik war und ist faszinierend! Wir Teilchenphysiker (Theorie und Experiment) sind Erben von Einstein, Planck, Bohr, Heisenberg, Pauli, Dirac Fermi... sowie P. und M. Curie, Rutherford, Chadwick, Anderson und vielen vielen anderen! Das energetische Potential in der Kernspaltung und der Fusion ist enorm. Wie kann es friedlich und gefahrlos genutzt werden? Kernspaltung: technologische Realisierung (Teil 2) und potentielle Probleme (Teil 3) Kernenergie: Unfälle, die Kernfusion und das ITER Projekt (Donnerstag Teil I+II). 24