Atomenergie durch Kernspaltung
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- Hartmut Dittmar
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1 Atomenergie durch Sommerakademie Salem 2008 Die Zukunft der Energie 17. August August 2008 Atomenergie durch
2 Inhalt 1 Kernphysik Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität 2 Induzierte Kettenreaktion 3 Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor 4 Radioaktiver Abfall Endlagerung 5 Atomenergie durch
3 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Chemische Elemente Abbildung: Chemische Elemente Atomenergie durch
4 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Das Atom Das Atom ist das kleinste, mit chemischen Mitteln nicht weiter spaltbare Teilchen eines chemischen Elements. Das Atom besteht aus einem elektrisch positiv geladenen Kern und einer Hülle aus negativ geladenen Elektronen. Atomenergie durch
5 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Das Atom Das Atom ist das kleinste, mit chemischen Mitteln nicht weiter spaltbare Teilchen eines chemischen Elements. Das Atom besteht aus einem elektrisch positiv geladenen Kern und einer Hülle aus negativ geladenen Elektronen. Der Durchmesser der Hülle beträgt etwa m und der Durchmesser des Kerns etwa m. Atomenergie durch
6 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Das Atom Das Atom ist das kleinste, mit chemischen Mitteln nicht weiter spaltbare Teilchen eines chemischen Elements. Das Atom besteht aus einem elektrisch positiv geladenen Kern und einer Hülle aus negativ geladenen Elektronen. Der Durchmesser der Hülle beträgt etwa m und der Durchmesser des Kerns etwa m. Atomenergie durch
7 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Abbildung: Atome in vereinfachter Modelldarstellung und Größenverhältnis in einem Atom Atomenergie durch
8 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Der Kern Der Kern baut sich aus elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen auf: Nukleonen Die Anzahl Z der Protonen heißt Kernladungszahl oder Ordnungszahl. Atomenergie durch
9 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Der Kern Der Kern baut sich aus elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen auf: Nukleonen Die Anzahl Z der Protonen heißt Kernladungszahl oder Ordnungszahl. Die Gesamtzahl der Nukleonen A = N + Z wird als Massenzahl bezeichnet. Atomenergie durch
10 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Der Kern Der Kern baut sich aus elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen auf: Nukleonen Die Anzahl Z der Protonen heißt Kernladungszahl oder Ordnungszahl. Die Gesamtzahl der Nukleonen A = N + Z wird als Massenzahl bezeichnet. Ein Element wird durch A und Z gekennzeichnet: A Z X Atomenergie durch
11 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Der Kern Der Kern baut sich aus elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen auf: Nukleonen Die Anzahl Z der Protonen heißt Kernladungszahl oder Ordnungszahl. Die Gesamtzahl der Nukleonen A = N + Z wird als Massenzahl bezeichnet. Ein Element wird durch A und Z gekennzeichnet: A Z X Atomenergie durch
12 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Isotope Isotope sind Nuklide (Atomkernsorten) mit gleicher Kernladungszahl, aber unterschiedlicher Massenzahl. Abbildung: Isotope des Wasserstoffs Atomenergie durch
13 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Kernkräfte Im Kern werden Protonen und Neutronen durch die starken Kernkräfte zusammengehalten. Die Kernkräfte haben eine sehr geringe Reichweite (Größenordnung m). Atomenergie durch
14 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Kernkräfte Im Kern werden Protonen und Neutronen durch die starken Kernkräfte zusammengehalten. Die Kernkräfte haben eine sehr geringe Reichweite (Größenordnung m). Die Kernkräfte sind ladungsunabhängig. Atomenergie durch
15 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Kernkräfte Im Kern werden Protonen und Neutronen durch die starken Kernkräfte zusammengehalten. Die Kernkräfte haben eine sehr geringe Reichweite (Größenordnung m). Die Kernkräfte sind ladungsunabhängig. Atomenergie durch
16 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Kernkräfte Wegen der geringen Reichweite wirken die Kernkräfte nur zwischen unmittelbar benachbarten Kernteilchen. Dies ist immer nur zwischen einer begrenzten Anzahl von Teilchen der Fall. Besteht der Atomkern nur aus wenigen Nukleonen, ist jedes Teilchen mit jedem anderen in Kontakt, so dass die Kernkräfte zwischen allen wirksam sind. Abbildung: Kernkräfte Atomenergie durch
17 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Kernkräfte Ist die Anzahl der Nukleonen größer, kann nicht mehr jedes Kernteilchen mit jedem anderen in Wechselwirkung treten. Anders ist es bei den elektrischen Kräften, die auch noch über größere Entfernungen abstoßend wirken. Abbildung: Kernkräfte (blaue Pfeile) und elektrische Kräfte (grüne Pfeile) Atomenergie durch
18 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Bindungsenergie Bindungsenergie ist die Energiemenge, die frei wird, wenn sich Protonen und Neutronen zu einem Atomkern verbinden. Dies ist nach E = mc 2 mit einem kleinen Massenverlust der gebundenen Nukleonen verbunden, dem Massendefekt. Atomenergie durch
19 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Beispiel: Heliumkern Beispiel: Heliumkern 2 m p = 2 1, kg = 3, kg 2 m n = 2 1, kg = 3, kg m 2p+2n = 6, kg Atomenergie durch
20 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Beispiel: Heliumkern m 2p+2n = 6, kg m He = 6, kg Die Masse des Heliumkerns ist um m = 0, kg geringer als die Summe der Massen seiner Bestandteile. Abbildung: Massenverlust Atomenergie durch
21 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Bindungsenergie Abbildung: Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon in Abhängigkeit von der Massenzahl Atomenergie durch
22 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Bethe-Weizsäcker-Formel Die Bindungsenergie des Kerns wird durch Volumenenergie, Oberflächenenergie, Coulombenergie, Symmetrie und Parität beschrieben. E Bindung = E Volumen E Oberflaeche E Coulomb E Symmetrie ± E Paarbildung E Bindung = a V A a O A 2 3 ac Z 2 A 1 3 as (N Z)2 A 1 + δ A Atomenergie durch
23 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Volumenenergie E Volumen = a V A mit a V 15, 67MeV dominiert die Bindungsenergie. Die Volumenenergie resultiert aus der gegenseitigen Anziehung der Nukleonen aufgrund der starken Kernkraft. Abbildung: Zur Veranschaulichung des Volumenbeitrags zur Bindungsenergie Atomenergie durch
24 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Oberflächenenergie Der Oberlächenanteil beträgt a O A 2 3 mit a O 17, 23MeV. Die Nukleonen an der Oberfläche sind schwächer gebunden und reduzieren die Bindungsenergie. Oberfläche R 2 und V A R 2 A 2 3 Abbildung: Zur Veranschaulichung des Oberflächenbeitrags zur Bindungsenergie Atomenergie durch
25 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Coulombenergie Der Coulombanteil beträgt a C Z 2 A 1 3 mit a C 0, 714MeV. E Coulomb Z(Z 1) Z 2 für Z >> 1 E Coulomb Z 2 R Z 2 A 1 3 Abbildung: Zur Veranschaulichung des Coulombbeitrags zur Bindungsenergie Atomenergie durch
26 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Symmetrieenergie E Symmetrie = a S (N Z)2 4A mit a S 93, 15MeV Dieser Term sorgt für ein Gleichgewicht zwischen Neutronenzahl und Protonenzahl. Er verschwindet für N=Z und schwächt die Bindung mit nehmender Differenz zwischen Neutronen- und Protonenzahl. Atomenergie durch
27 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Symmetrieenergie Die Bindungsfestigkeit ist bei gleicher Protonen- und Neutronenzahl am größten und die Überschußneutronen sind weniger fest gebunden. Abbildung: Zur Veranschaulichung des Symmetriebeitrags zur Bindungsenergie Atomenergie durch
28 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Paarbildungsenergie Der Paarbildungsanteil besteht aus δ A 1 2 mit +11, 2MeV : gg Kerne δ = 0 : ug und gu Kerne 11, 2MeV : uu Kerne Kerne mit gerader Protonenzahl Z und gerader Neutronenzahl N (gg-kerne) sind besonders fest gebunden. Kerne mit ungeradem Z und N (uu-kerne) sind besonders schwach gebunden. Und die restlichen Kerne, nämlich ug- und gu-kerne liegen dazwischen. Atomenergie durch
29 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Paarbildungsenergie Durch die Bindung von je zwei Protonen oder zwei Neutronen zu einem Paar wird die Bindungsenergie erhöht. Bei ungerader Protonen- oder Neutronenanzahl bleibt jeweils ein ungepaartes Teilchen übrig, das lockerer gebunden ist und die Bindungsenergie wird reduziert. Abbildung: Zur Veranschaulichung des Paritätsbeitrags zur Bindungsenergie Atomenergie durch
30 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Bindungsenergie Abbildung: Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon in Abhängigkeit von der Massenzahl Atomenergie durch
31 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Nuklidkarte Für leichte Kerne ist N = Z Schwerere Kerne haben Neutronenüberschuss: N > Z Atomenergie durch
32 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Radioaktivität Radioaktivität: Instabile Atomkerne zerfallen unter Abgabe von Strahlung. Abbildung: α-, β- und γ-strahlung Atomenergie durch
33 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Alphazerfall Abbildung: Alphastrahlung Atomenergie durch
34 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Alphazerfall α-zerfall: A Z X A 4 Z 2 Y + 4 2He + E Ein konkretes Beispiel ist: Sm Nd + 4 2He + 2, 45 MeV Abbildung: α-zerfall Atomenergie durch
35 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Betazerfall Abbildung: Betastrahlung Atomenergie durch
36 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Betazerfall β -Zerfall: Nuklide mit einem Überschuss an Neutronen zerfallen über den β -Zerfall. Ein Neutron des Kerns wandelt sich in ein Proton um und sendet dabei ein Elektron sowie ein Antineutrino aus. 1 0n 1 1p + e + ν e A Z X A Z+1Y + e + ν e Beispiel: Abbildung: β -Zerfall Au Hg + e + ν e Atomenergie durch
37 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Betazerfall β + -Zerfall: Der β + -Zerfall tritt bei protonenreichen Nukliden auf. Ein Proton des Kerns wandelt sich in ein Neutron um und sendet dabei ein Positron und ein Neutrino aus. 1 1p 1 0n + e + + ν e A Z X A Z 1Y + e + + ν e Beispiel: 40 19K 40 18Ar + e + + ν e Abbildung: β + -Zerfall Atomenergie durch
38 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Radioaktiver Zerfall Atomenergie durch
39 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Gammastrahlung Abbildung: Gammastrahlung Atomenergie durch
40 Grundlagen Bindungsenergie Bethe-Weizsäcker-Formel Radioaktivität Gammastrahlung Abbildung: Gammastrahlung Abbildung: Zerfallsschema Atomenergie durch
41 Induzierte Kettenreaktion und Kernfusion Abbildung: Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon in Abhängigkeit von der Massenzahl Atomenergie durch
42 Induzierte Kettenreaktion Induzierte Induzierte : Ein frei herumfliegendes Teilchen, meist ein Neutron trifft einen Kern und wird von diesem absorbiert. Der Kern gewinnt dadurch die Bindungsenergie und zusätzlich auch eventuelle kinetische Energie des Neutrons. Er befindet sich also in einem angeregten Zustand und spaltet sich. Atomenergie durch
43 Induzierte Kettenreaktion Induzierte Abbildung: Vier-Phasen-Modell zur Atomenergie durch
44 Induzierte Kettenreaktion Energiebilanz bei der Bewegungsenergie der Spaltprodukte Bewegungsenergie der Neutronen Bei der auftretende Gammastrahlung Energie aus dem Betazerfall der Spaltprodukte Energie der Gammastrahlung der Spaltprodukte Energie der Neutrinos Summe 175 MeV 5 MeV 7 MeV 7 MeV 6 MeV 10 MeV 210 MeV Atomenergie durch
45 Induzierte Kettenreaktion Kettenreaktion Bei der entstehen neben den beiden Spaltprodukten noch einige Neutronen. Man hat somit die Möglichkeit, einen sich selbst erhaltenden sprozess ablaufen zu lassen Atomenergie durch
46 Induzierte Kettenreaktion Kettenreaktion Bei der entstehen neben den beiden Spaltprodukten noch einige Neutronen. Man hat somit die Möglichkeit, einen sich selbst erhaltenden sprozess ablaufen zu lassen Die freigesetzten Neutronen können unter geeigneten Bedingungen weitere Uranatome spalten Kettenreaktion Atomenergie durch
47 Induzierte Kettenreaktion Kettenreaktion Bei der entstehen neben den beiden Spaltprodukten noch einige Neutronen. Man hat somit die Möglichkeit, einen sich selbst erhaltenden sprozess ablaufen zu lassen Die freigesetzten Neutronen können unter geeigneten Bedingungen weitere Uranatome spalten Kettenreaktion Atomenergie durch
48 Induzierte Kettenreaktion Kettenreaktion Abbildung: Kettenreaktion im 235 U Atomenergie durch
49 Verwendungszweck Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Verwendungszweck: Leistungsreaktoren Forschungsreaktoren Antrieb von Fahrzeugen Atomenergie durch
50 Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Hauptbestandteile eines Kernreaktors Brennstoff (Spaltbares Material) Moderator (Bremssubstanz) Steuerungs- und Kontrolleinrichtungen (Steuerstäbe) Kühlmittel Strahlenschutzbarrieren Abbildung: Hauptbestandteile eines Kernreaktors Atomenergie durch
51 Spaltbares Material Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor 235 U, 233 U oder 239 Pu Natürliches Uran besteht zu 0,73 % aus 235 U und 99,27 % 238 U. Atomenergie durch
52 Spaltbares Material Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor 235 U, 233 U oder 239 Pu Natürliches Uran besteht zu 0,73 % aus 235 U und 99,27 % 238 U. Im angereicherten Uran ist der Prozentsatz des Isotops 235 U auf ca. 3 bis 4 % erhöht. Atomenergie durch
53 Spaltbares Material Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor 235 U, 233 U oder 239 Pu Natürliches Uran besteht zu 0,73 % aus 235 U und 99,27 % 238 U. Im angereicherten Uran ist der Prozentsatz des Isotops 235 U auf ca. 3 bis 4 % erhöht. 233 U entsteht aus 232 Th und 239 Pu aus 238 U. Atomenergie durch
54 Spaltbares Material Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor 235 U, 233 U oder 239 Pu Natürliches Uran besteht zu 0,73 % aus 235 U und 99,27 % 238 U. Im angereicherten Uran ist der Prozentsatz des Isotops 235 U auf ca. 3 bis 4 % erhöht. 233 U entsteht aus 232 Th und 239 Pu aus 238 U. Mischoxid (MOX) ist ein Gemisch aus Uranoxid und Plutoniumoxid. Atomenergie durch
55 Spaltbares Material Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor 235 U, 233 U oder 239 Pu Natürliches Uran besteht zu 0,73 % aus 235 U und 99,27 % 238 U. Im angereicherten Uran ist der Prozentsatz des Isotops 235 U auf ca. 3 bis 4 % erhöht. 233 U entsteht aus 232 Th und 239 Pu aus 238 U. Mischoxid (MOX) ist ein Gemisch aus Uranoxid und Plutoniumoxid. Atomenergie durch
56 Brennstäbe Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Abbildung: Kopfbereich eines Brennelementes Atomenergie durch
57 Moderator Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Bei der Spaltung frei gesetzte Neutronen haben hohe Geschwindigkeiten. Ein Moderator dient dazu, diese Neutronen abzubremsen: Bremsmittel Abbildung: Abbremsung schneller Neutronen durch einen Moderator Atomenergie durch
58 Moderator Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Massenverhältnis mittlere Anzahl Moderator Kern zu der Stöße Neutron für Abbremsung Wasserstoff 1 18 Deuterium 2 25 Beryllium 9 86 Graphit Uran Tabelle: Durchschnittliche Anzahl der Stöße um Neutron auf thermische Energie abzubremsen Atomenergie durch
59 Moderator Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Gute Moderatoren müssen folgende zwei Bedingungen erfüllen: Die schnellen Neutronen sollen möglichst schnell durch wenige Stöße ihre Energie verlieren und dadurch abgebremst werden. Atomenergie durch
60 Moderator Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Gute Moderatoren müssen folgende zwei Bedingungen erfüllen: Die schnellen Neutronen sollen möglichst schnell durch wenige Stöße ihre Energie verlieren und dadurch abgebremst werden. Der Moderator darf nur eine geringe Neigung zum Einfang von Neutronen besitzen. Atomenergie durch
61 Moderator Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Gute Moderatoren müssen folgende zwei Bedingungen erfüllen: Die schnellen Neutronen sollen möglichst schnell durch wenige Stöße ihre Energie verlieren und dadurch abgebremst werden. Der Moderator darf nur eine geringe Neigung zum Einfang von Neutronen besitzen. Atomenergie durch
62 Moderator Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor mittlere Anzahl Neigung zum Moderator der Stöße Einfang für Abbremsung thermischer Neutronen Wasserstoff Deuterium 25 1 Beryllium 86 7 Graphit Uran Tabelle: Eigenschaften verschiedener Moderatorstoffe, Uran zum Vergleich Atomenergie durch
63 Steuerstäbe Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Steuerstäbe dienen zur Regelung und Abschaltung des Kernreaktors. Sie bestehen aus Stoffen mit großer Neigung zur Absorption von Neutronen, z.b. Bor, Indium, Silber oder Cadmium. Abbildung: Steuerstäbe Atomenergie durch
64 Steuerstäbe Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Abbildung: Anfahren eines Reaktors Abbildung: Abschalten eines Reaktors Atomenergie durch
65 Kühlmittel Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Medien zur Wärmeabführung: Wasser, Schweres Wasser, Quecksilber, Natrium, Kohlendioxid, Luft, Helium. Atomenergie durch
66 Sicherheitsbarrieren Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Abbildung: Sicherheitsbarrieren gegen das Austreten radioaktiver Stoffe Atomenergie durch
67 Verschiedene Reaktortypen Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Leichtwasserreaktor Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Brutreaktor (Schneller Brüter) Hochtemperaturreaktor (HTR) Atomenergie durch
68 Leichtwasserreaktor Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Wasser H 2 O ist Reaktorkühlmittel und Moderator. Brennstoff ist angereichertes Uran mit einem 235 U-Massenanteil zwischen ca 1,5 % und 6 %. Leichtwasserreaktor existiert in den Varianten Siedewasserreaktor und Druckwasserreaktor. Atomenergie durch
69 Siedewasserreaktor Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Abbildung: Kernkraftwerk mit Siedewasserreaktor Atomenergie durch
70 Siedewasserreaktoren Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Siedewasserreaktoren in Deutschland: Brunsbüttel Philippsburg (Block 1) Isar (Block 1) Krümmel Gundremmingen (Blöcke B und C) Würgassen Abbildung: Kernkraftwerk Krümmel Atomenergie durch
71 Druckwasserreaktor Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Abbildung: Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor Atomenergie durch
72 Druckwasserreaktor Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Druckwasserreaktoren in Deutschland: Brokdorf Isar (Block 2) Philippsburg (Block 2) Grohnde Unterweser Emsland Neckarwestheim (Blöcke 1 und 2) Grafenrheinfeld Biblis (Blöcke A und B) Abbildung: Kernkraftwerk Grafenrheinfeld Atomenergie durch
73 Schwerwasserreaktor Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Abbildung: Kernkraftwerk mit Schwerwasserreaktor Atomenergie durch
74 RBMK Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Abbildung: Aufbau eines Reaktorkerns eines RBMK-1000 Abbildung: Reaktorkern eines RBMK-1000 Atomenergie durch
75 RBMK Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Abbildung: Kernkraftwerk mit Siedewasser-Druckröhrenreaktor RBMK 1000 Atomenergie durch
76 Schneller Brutreaktor Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor In Schnellen Brutreaktoren werden die beiden folgenden Vorgänge gezielt herbeigeführt: Energiegewinnung durch en Brutvorgang: Erzeugung von neuem spaltbaren Material Atomenergie durch
77 Plutonium Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Der 238 U-Kern wandelt sich durch Neutroneneinfang in den angeregten Zustand 239 U um. 239 U zerfällt unter Emission von γ-strahlung in den Grundzustand. 239 U geht dann durch zweimaligen β-zerfall zuächst in 239 Np und anschließend in 239 Pu über. Abbildung: Entstehung von 239 Pu Atomenergie durch
78 Schneller Brutreaktor Kernphysik Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Abbildung: Kernkraftwerk mit Schnellem Brutreaktor Atomenergie durch
79 Thorium-Hochtemperaturreaktor Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Kühlmitteltemperaturen von 750 C bis 950 C 233 U wird aus 232 Th erbrütet: 232 Th + n 233 Th 233 Th 233 Pa + e + ν e 233 Pa 233 U + e + ν e Atomenergie durch
80 Thorium-Hochtemperaturreaktor Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Abbildung: Kugelförmiges Brennelement des THTR-3000 Atomenergie durch
81 Thorium-Hochtemperaturreaktor Aufbau eines Kernreaktors Siedewasserreaktor Druckwasserreaktor Schwerwasserreaktor RBMK Schneller Brutreaktor Thorium-Hochtemperaturreaktor Abbildung: Kernkraftwerk mit Thorium-Hochtemperaturreaktor Atomenergie durch
82 Radioaktiver Abfall Endlagerung Charakterisierung von radioaktiven Abfällen Radioaktivitätsgehalt schwachradioaktive Abfälle mittelradioaktive Abfälle hochradioaktive Abfälle Physikalischer Zustand Abbildung: Radioaktiver Abfall Atomenergie durch
83 Radioaktiver Abfall Endlagerung Radioaktive Abfälle Abbildung: Herkunft der radioaktiven Abfälle in Deutschland Atomenergie durch
84 Radioaktiver Abfall Endlagerung Radioaktiver Abfall In radioaktiven Abfällen aus Kernkraftwerken kommen an Radionukliden die folgenden wesentlichen Stoffgruppen vor: 137 Spaltprodukte: 131 I (T 1 (T 1 = 8, 02070d), Cs (T I (T 1 a) = 30, 17a), Sr 2 2 Aktivierungsprodukte: 60 Co (T 1 = 5, 2714a) 2 Erbrüteter Kernbrennstoff: 239 Pu (T 1 2 Erbrütete weitere Transurane: 241 Am (T 1 = 432, 2a) 2 Unverbrauchter ursprünglicher Brennstoff: 235 U (T U ( T 1 = 7, a), 2 = 4, a ) 2 Atomenergie durch
85 Radioaktiver Abfall Endlagerung Radioaktive Abfälle Abbildung: Der radioaktive Zerfall von Uran über Radium zu Blei Atomenergie durch
86 Radioaktiver Abfall Endlagerung Endlagerung Unter Endlagerung versteht man die wartungsfreie, zeitlich unbefristete und sichere Beseitigung von radioaktiven Abfällen und bestrahlten Brennelementen in geeigneten Lagern in geologischen Formationen. Ton-, Granit- oder Salzlager sind am besten geeignet. In 300 bis 1000 m Tiefe sollen die radioaktiven Abfälle eingelagert werden. Atomenergie durch
87 Radioaktiver Abfall Endlagerung Endlagerung Abbildung: Natürliches Barrierensystem Abbildung: Technisches Barrierensystem Atomenergie durch
88 Radioaktiver Abfall Endlagerung Endlagerung Für schwach- und mittelradioaktive Abfälle aus Deutschland ist das Endlager Schacht Konrad vorgesehen. Schacht Konrad ist ein ehemaliges Eisenerzbergwerk bei Salzgitter. Anfang 2008 haben die Arbeiten für den Ausbau von Schacht Konrad begonnen. Dort sollen auf Dauer bis zu Kubikmeter schwach- und mittelradioaktive Abfälle entsorgt werden. Abbildung: Endlager Schacht Konrad Atomenergie durch
89 Kernkraftwerke in Deutschland Abbildung: Kernkraftwerke in Deutschland Atomenergie durch
90 Brutto-Stromerzeugung 2007 in Deutschland Abbildung: Brutto-Stromerzeugung und Grundlast 2007 in Deutschland Atomenergie durch
91 Kernkraftwerke weltweit Abbildung: Kernkraftwerke weltweit Atomenergie durch
92 Atomausstieg, nein danke? Geringe CO 2 -Emission: 32 g pro kwh Keine Abhängigkeit von Energieimporten Niedrige Strompreise Sicherheitsstandards der modernen Kernkraftwerke Atomenergie durch
93 Atomkraft, nein danke? Risiken für Umwelt und Gesundheit Ungelöstes Problem der Endlagerung Wirtschaft und Versicherung Begrenztes Uranvorkommen: Jahresbedarf an Natururan: t Uranvorkommen Förderkosten Uranvorräte $ / kg U weltweit Reserven ,36 Mio. t Ressourcen 130 8,17 Mio. t In Phosphaterzen Mio.t Im Meerwasser Mrd. t Atomenergie durch
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