Energie wird normalerweise in Joule gemessen. Ein Joule (J) einspricht einem Newtonmeter

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2 Maße wie Gammastrahlen abgeschwächt werden. Im Gegensatz zu den Gammastrahlen sind die Neutronenstrahlen auch Teilchenstrahlen wie Alpha- und Betastrahlen. Die Reichweiten von Strahlen mit einer Energie von einem Megaelektronenvolt in Luft und Wasser sind in Abb. 2.7 dargestellt (Stierstadt 2010). Abb. 2.7 Reichweite radioaktiver Strahlen mit einer Energie von 1 Megaelektronenvolt in Luft und Wasser. a) Alphastrahlen (α, zweifach positiv geladen), b) Betastrahlen β, elektrisch negativ geladen), c) Gammastrahlen (γ, elektrisch neutral), d) Neutronenstrahlen (n, elektrisch neutral) (aus Stierstadt 2010). Energie wird normalerweise in Joule gemessen. Ein Joule (J) einspricht einem Newtonmeter (Nm). 1 J = 1 Nm (Ein Newton ist die Einheit für die physikalische Größe Kraft, definiert als Masse mal Beschleunigung) Physikalische Grundlagen 19

3 1 N = 1 kg m/s 2 1 J = 1 N m = 1 kg m 2 /s 2 m/s ist das Maß für die Geschwindigkeit (v). Da die Energie in einem Atomkern im Vergleich dazu klein ist, wird sie in Elektronenvolt (ev) angegeben, die dann entsprechend Kiloelektronenvolt (kev) für 1000 und Megaeletronenvolt (MeV) für Elektronenvolt angegeben wird. Ein Kiloelektronenvolt entspricht etwa 1, J. Ein Megaelektronenvolt ist entsprechend 1, J. Treffen Teilchenstrahlen auf Materie werden sie abgebremst, verlieren ihre Geschwindigkeit und bleiben schließlich stecken. Gammastrahlen verlieren nicht ihre Geschwindigkeit, verringern aber ihre Intensität. Die radioaktiven Strahlen werden hervorgerufen durch radioaktiven Zerfall, wobei ein Mutterisotop in ein Tochterisotop umgewandelt wird. Bei einem Alphazerfall werden zwei Protonen und zwei Neutronen aus dem zerfallenden Kern emittiert. Dadurch verringert sich die Massenzahl des Mutterkerns um vier Einheiten und das Tochterisotop hat zwei Protonen weniger und wird dadurch zu einem anderen chemischen Element. Ein Uran-238 mit 92 Protonen verliert vier Massenzahlen und zwei Protonen und wird zu einem Thorium-234 mit 90 Protonen. Beim Betazerfall wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt und ein Elektron emittiert. Die Massenzahl bleibt dabei erhalten, aber im Kern kommt ein Proton dazu, sodass hierbei auch ein neues Element entsteht, das im Periodensystem ein Nachbar ist. Zum Beispiel wird aus einem Rubidium-90 mit 37 Protonen durch Betazerfall ein Strontium-90 mit 38 Protonen, aber einem Neutron weniger (s. Abb. 2.10). Beim Neutronenzerfall verliert der Kern ein Neutron, die Massenzahl wird um eins verringert, die Protonenzahl und damit das chemische Element bleiben gleich. Beim Gammazerfall verändern sich weder die Massenzahl noch die Protonenzahl, der Kern gibt aber Energie ab. Neben den Strahlungsarten und den Reichweiten wird die radioaktive Strahlung auch charakterisiert durch ihre Zeitdauer und ihren zeitlichen Verlauf. Durch die Umwandlung nimmt die Zahl der Mutterkerne eines radioaktiven Elementes kontinuierlich im Laufe der Zeit ab. Dies erfolgt exponentiell mit der ablaufenden Zeit t. Die Abnahmerate ist der Anzahl der jeweils vorhandenen Mutterkerne proportional. Die Abnahme der Atomkerne pro Zeitdauer ist gleich der Zerfallskonstante mal der Zahl der vorhandenen Kerne. In einer mathematischen Schreibweise lautet dies: dn(t)/dt = λ N(t) Umgeformt ergibt diese Formel das Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls: N(t) = N(0) e -λt Es bedeuten: N(0) = Anzahl der ursprünglichen Mutteratome zum Zeitpunkt 0 N(t) = Anzahl der übrig gebliebenen Mutteratome zum Zeitpunkt t e = Eulersche Zahl λ = Zerfallskonstante 20 Atommüll wohin?

4 Die Zerfallskonstante λ gibt an, wie schnell ein bestimmter Atomkern zerfällt. Ihr Kehrwert entspricht der mittleren Lebensdauer eines Atomkerns, die mit dem griechischen Buchstaben τ bezeichnet wird (τ = 1/λ). Die Gleichung ergibt die Kurve in Abbildung 2.8. Das Produkt der Zahl der Atomkerne mit der Zerfallskonstante ist die Aktivität A(t). λ N(t) = A(t) Abb. 2.8 Die Kurve des radioaktiven Zerfalls in Abhängigkeit von der Zeit (aus Stierstadt 2010). Abb. 2.9 Diagramm der Abhängigkeit der Neutronenzahl (N) von stabilen Atomkernen von der Protonenzahl (Z). Jeder Punkt stammt von einem bekannten Isotop, die durchgezogene Linie entspricht einem Mittelwert (sozusagen der Idealwert), der auf der rechten Skala N/Z angegeben ist. Die gestrichelte Kurve ergibt sich, wenn die Anzahl der Protonen gleich der Neutronen ist (N = Z). Das kommt aber nur bei Atomen mit zehn oder weniger Protonen vor (aus Stierstadt 2010). Physikalische Grundlagen 21

5 Für die Aktivität wurde die Maßeinheit Becquerel eingeführt (1 Becquerel = 1 Zerfall pro Sekunde). Früher wurde dafür die Einheit Curie verwendet (1 Curie = 3, Becquerel). Anstelle der Zerfallskonstante λ wird häufig die Halbwertszeit benutzt, die angibt nach welcher Zeitdauer noch die Hälfte der Atomkerne eines radioaktiven Elements vorhanden ist. Je kleiner die Halbwertszeit oder die mittlere Lebensdauer und je größer die Zerfallskonstante, desto schneller zerfällt der Kern. Man kennt mittlerweile die Halbwertszeit von fast allen radioaktiven Elementen, sie reichen von Bruchteilen von Sekunden (10-8 ) bis zu tausend Trilliarden (10 24 ) Jahren (Stierstadt 2010). Der radioaktive Kohlenstoff 14 C hat eine Halbwertszeit von 5730 Jahren. Nach dieser Zeit sind von einer Million Atomen noch übrig, Jahre später nur noch usw. In der sogenannten Karlsruher Nuklidkarte von 1998, vereinfacht dargestellt in Abbildung 2.9 (aus Stierstadt 2010), sind die bekannten stabilen und radioaktiven Elemente mit ihren Massenzahlen angegeben. Bei den radioaktiven Elementen sind außerdem die Halbwertszeiten beigefügt. Radioaktiver Abfall aus Kernkraftwerken Spaltprodukte Die Spaltprodukte aus der Spaltung von Uran- und Plutoniumkernen sind radioaktiv. Der Grund liegt in ihrem zu hohen Neutronenanteil. Der Zusammenhalt eines Atomkerns wird hergestellt durch die Kernkraft, die von der Masse der Neutronen ausgeht (siehe vorhergehende Abschnitte). Je höher die Anzahl der Protonen, desto mehr Neutronen sind notwendig, um den Kern zusammen zu halten. In der vereinfachten Nuklidkarte (s. Abb. 2.9) sieht man, dass Atomkerne stabil sind, wenn sie ein bestimmtes Neutronen-Protonen-Verhältnis (N/Z) in Bezug zur Protonenzahl haben. Wenn Abb Spaltung eines Urankerns und die daraus entstehenden Zerfallsreihen der beiden Spaltprodukte Krypton und Barium (aus Stierstadt 2010). 22 Atommüll wohin?

6 diese Beziehung nicht eingehalten wird, ist der Kern instabil. Ein Uran-235-Kern hat ein Neutronen-Protonen-Verhältnis (N/Z) von 1,55. Ein durch Spaltung entstandener Kern des Barium-143 enthält 87 Neutronen und hat von dem Urankern ein N/Z-Verhältnis von 1,55 geerbt. Dies ist aber für seine Protonenanzahl von 56 zu hoch. In einem stabilen Bariumisotop ist das N/Z-Verhältnis nur 1,45. So versucht nun das Bariumisotop einen stabilen Zustand zu erreichen, in dem es sein N/Z-Verhältnis verändert. Dies geschieht über eine Umwandlung eines Neutrons in ein Proton unter Abstrahlung eines Elektrons (Betastrahlung). Dabei entsteht ein anderes Element, nämlich Lanthan, das aber auch nicht stabil ist, und so wird dieser Schritt so häufig wiederholt bis ein stabiles Element erreicht ist. In unserem Beispiel ist dies Neodym-143 mit einem N/Z-Verhältnis von 1,38 (s. Abb. 2.9 und 2.10 aus Stierstadt 2010). So entsteht eine Reihe von Spaltprodukten, die sich in den abgebrannten Brennstäben anreichern. Transurane Nicht alle frei umherfliegende Neutronen treffen auf einen Uran-235-Kern und spalten diesen. Es kann auch vorkommen, dass ein Neutron in einen Kern eindringt und von diesem aufgenommen wird. Dadurch entsteht ein Atomkern, der ein Neutron mehr besitzt als notwendig und es ereignet sich der gleiche Vorgang wie bei den Spaltprodukten: Ein Neutron wird umgewandelt in ein Proton und ein Elektron emittiert. So entsteht ein neues Element mit einer höheren Protonenzahl als Uran. Deshalb heißen diese Elemente Transurane. Als bedeutendstes Element wird dabei Plutonium-239 produziert. Es ist ein Alphastrahler mit einer Halbwertszeit von Jahren und ist selbst wieder spaltbar. Plutonium ist darüber hinaus hochgiftig und wird deshalb auch zur Atomwaffenherstellung benutzt. Atomarer Müll Ein Uranbrennstab besteht zu 3,3% aus Uran-235 und zu 96,7% aus Uran-238. In der Natur kommt Uran-235 nur zu etwa 1% vor, es muss also in den Brennstäben angereichert werden. Ein abgebrannter Brennstab enthält folgende Elemente (nach Stierstadt 2010): 1. Uranreste 0,86% Uran-235 (-2,44%) 94,48 % Uran-238 (-2,22%) 2. Neu gebildet 3,25 % Spaltprodukte 0,42 % Uran-236 (nicht aufgespalten!) 0,93% Plutonium 0,06% andere Transurane Die abgebrannten Brennstäbe bilden den größten Teil des hochradioaktiven Atommülls (englisch: high active waste, HAW). Im neuen Sprachgebrauch werden sie Physikalische Grundlagen 23