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Die Kernenergie - Referat
Allgemeine Begriffe:
1) Kern-Hülle-Modell:
Das Kern-Hülle-Modell wurde entwickelt, um den Aufbau von Atomen und Ionen anschaulich darzustellen. Ein sehr kleiner Atomkern, in dem sich fast die ganze Masse (Protonen (positiv geladene Teilchen) und Neutronen (neutrale Teilchen)) befindet wird von einer Elektronenhülle umgeben, in der die negativ geladenen Elektronen vorhanden sind. Die Elektronenhülle wird in mehrere Schalen unterteilt (K-Schale, L-Schale, usw.). In Der K-Schale befinden sich höchstens 2 Elektronen, in den übrigen maximal 8.
Beispiel: Kohlenstoff hat 2 Elektronen auf der K-Schale und 4 Elektronen auf der L-Schale.
2) Radioaktivität und radioaktiver Zerfall:
Radioaktive Atomkerne schleudern Masse- und Energieportionen (Neutronen, Elektronen, Protonen) mit einer sehr hohen Geschwindigkeit aus, um zu einem stabileren Zustand zu gelangen. (Instabilität entsteht, wenn die Kernkräfte die elektrischen Kräfte zwischen den Protonen nicht ausgleichen können, d.h. wenn es eine bestimmte Anzahl an Protonen gibt.) Bei radioaktiven Mineralien, Vulkanausbrüchen und weiterer Radioaktivität, die in der Natur vorkommt, spricht man von natürlicher Radioaktivität. Künstliche Strahlung wird u. a. durch Atomwaffentests und Kernkraftwerke, also durch künstlich herbeigerufene Kernspaltungen erzeugt.
3) α-, β- und γ-Strahlung:
Es gibt verschiedene Arten des radioaktiven Zerfalls.
α-Strahlung: Werden vom Atomkern 2 Protonen und 2 Neutronen ausgeschleudert, so wird dieser Vorgang Alphazerfall genannt. Die Alphateilchen, die in einem Strom die Alphastrahlen bilden, haben eine Anfangsgeschwindigkeit von ca. 15000km/s.
Beispiel: Ra-226 (Kernladungszahl 88) ist instabil, es schleudert 2 Protonen und 2 Neutronen aus dem Atomkern. Dadurch sinkt die Massenzahl um 4, die Kernladungszahl um 2. Es entsteht Rn-222, dabei wird Energie (Bewegungsenergie, Gammaquant (s. γ-Strahlung)) freigegeben, da die Kernteilchen jetzt fester miteinander verbunden sind und die Bindungsenergie geringer ist. Der neue Stoff gibt 2 Hülleelektronen ab, welche die Alphateilchen aufnehmen. Es entstehen Heliumatome.
β-Strahlung: Wandelt sich im Kern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um, wird das Elektron abgegeben. Die Geschwindigkeit ist variabel (0 bis Lichtgeschwindigkeit). Sie bilden einen Elektronenstrom, der ähnlich dem elektrischen Strom in metallischen Leitern ist. Da die Elektronen negativ geladen sind, wird der Zerfall Beta--Zerfall genannt. Die Kernladungszahl des neu entstandenen Stoffes beträgt 1 höher, die Massenzahl bleibt erhalten.
Beispiel: Cs-137 (Kernladungszahl 55)  Ba-137 (Kernladungszahl 56) + e-
Beim Beta+-Zerfall werden Positronen (positiv geladene Teilchen mit der Masse eines Elektrons) ausgeschleudert, wenn sich im Kern ein Proton in ein Neutron und ein Positron umwandelt. Dabei sinkt die Kernladungszahl um 1, die Massenzahl bleibt erhalten.
Beispiel: Na-22 (Kernladungszahl 11)  Ne-22 (Kernladungszahl 10) + e+
In beiden Fällen wird ein weiteres Teilchen ausgesandt (Beta-: Antineutrino; Beta+: Neutrino), die keine elektrische Ladung besitzen und durch fast jede Materie dringen können.
γ-Strahlung: Gammastrahlung ist eine energiereichere Strahlung als Licht, die bei Kernumwandlungen und anderen Reaktionen zwischen Elementarteilchen entsteht. Somit tritt sie oft beim Alpha- und Beta-Zerfall auf, da nach dem Ausschleudern eines Alpha- bzw. Betateilchens überschüssige Energie entsteht. Gammastrahlung werden wie sichtbares Licht in Portionen abgegeben (Quanten, Photonen). Die Strahlen haben immer Vakuumlichtgeschwindigkeit. Hierbei bleibt die Massen- und Kernladungszahl erhalten, jedoch ändert sich der Energieinhalt des Kerns.
Beispiel: Ein angeregter Bariumkern muss einen Gammaquant abgeben um zu einem stabileren Energiezustand zu gelangen.
4) Halbwertszeit:
Die Halbwertszeit gibt an, nach welcher Zeitspanne nur noch die Hälfte einer bestimmten Anzahl von Radionukliden übrig ist.
5) Messgrößen u. Maßeinheiten:
Kernladungszahl: Anzahl der Protonen in einem Atomkern
Massenzahl: Gesamtzahl der Protonen und Neutronen in einem Atomkern
Elementarladung: Gibt an, ob und wie ein Elementarteilchen geladen ist. (-1; +1; 0)
Masse (m): Gewicht (g, kg) von etwas
Energie (W): Gibt an, wie viel Energie (J;Ws;Nm) geliefert wird
Elektronvolt (eV): Energie in eV (1 eV=1,602*10-19 J)
Becquerel (Bq): Gibt die Aktivität (Anzahl der Kernumwandlungen) in Bq pro Sekunde an.
Mol (mol): Drückt aus, wie viel Atome bzw. Moleküle sich in einer Stoffportion befinden.
Wirkungsgrad (η): Anteil nutzbarer Energie in Relation zur aufgewendeten Energie bei Energieumwandlungen in η.
Kernspaltung:
Kernspaltung ist, wie der Name schon sagt, eine Spaltung von Atomkernen. Im Jahre 1932 wurden zum 1. Mal freie (=nicht im Atomkern befindend) Neutronen nachgewiesen, mit denen es später leicht gelang, Atomkerne zu spalten, da sie von den Protonen aufgrund ihrer elektrischen Neutralität nicht abgestoßen werden. Doch zunächst wurden die freien Neutronen für künstliche Isotopenerzeugung (Isotope sind Atome eines Elements, die sich nur durch die Massenzahl, genauer durch die Anzahl der Neutronen unterscheiden) genutzt, z.B. für die Herstellung von H-2:
H-1 wird mit einem Neutron beschossen, es entsteht H-2. Dabei werden Gammastrahlen frei.
Auch radioaktive Isotope wurden hergestellt. Dabei wurde u.a. Uran mit Neutronen bestrahlt, was zur Folge hatte, dass sich Uran in radioaktives Barium und Krypton aus den Urankernen gebildet hatte. Der Urankern beginnt nach dem Einfang eines Neutrons zu schwingen, verformt sich dann in eine Ellipse und schnürt sich immer weiter ein, wobei an der Einschnürungsstelle nur noch geringe Kernkräfte für den Zusammenhalt verantwortlich sind. Die abstoßenden elektrischen Kräfte bleiben bestehen und treiben beide Kernteile auseinander. Nicht nur Barium und Krypton können sich aus den Urankernen bilden, auch andere Trümmerkerne können entstehen. Einzige Bedingung ist, dass die Summe der Kernladungszahlen der Trümmerkerne gleich der Kernladungszahl des Urankerns sein muss und die Massenzahlen ebenfalls in der Summe (Trümmerkerne + freie Neutronen) erhalten bleiben müssen. (Die Massenzahl beträgt bei der Spaltung von Uran-235 236, da das Neutron, welches für die Spaltung benutzt wird, mitgezählt wird.) Bei der Beschießung von Uran-235 werden ca. 2-3 Neutronen frei.
Die Urankernspaltung wird noch heute eingesetzt, z.B. in Kernkraftwerken und bei Atombomben. Verschiedene Isotope sind verschieden leicht spaltbar. Je leichter man ein Neutron in einen Atomkern einschleusen kann, desto leichter sind sie spaltbar. Da bei manchen Uranisotopen und Plutoniumisotopen die Spaltung besonders leicht ist und bei der Spaltung mehr Energie frei wird als aufgewendet wird, setzt man diese Isotope (Uran-235 und Plutonium-239) bevorzugt in Kernkraftwerken ein. Die Isotope müssen nicht als reines Element vorliegen, sie können auch in chemischen Verbindungen (z.B. UO2) gespalten werden.
Kettenreaktion:
Nach einer Kernspaltung entstehen neben den Trümmerkernen auch noch freie Neutronen, die wiederum andere Kerne spalten können. Dies bewirkt eine Kettenreaktion, die anhand der Kettenreaktion im Uran-235 erläutert werden soll.
Wird ein Uran-235-Kern gespalten, entstehen im Durchschnitt neben den Trümmerkernen 2,3 Neutronen. Diese wiederum spalten weitere Uran-235-Kerne, sofern sie nicht von anderen Atomen eingefangen werden. Die Kernspaltungen nehmen exponentiell zu. Da bei jeder Kernspaltung Energie frei wird, werden bei einer Kettenreaktion sehr große Mengen Energie in sehr kurzer Zeit (Sekunden) frei. Je weniger Neutronen entweichen oder von anderen Atomen eingefangen werden, desto mehr Spaltungen werden durchgeführt. Bei reinem Uran-235 muss also nur die Oberfläche möglichst gering sein, damit weniger Neutronen nach außen gelangen. Je höher die Masse ist, desto kleiner ist das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen. Um eine Kettenreaktion auszulösen, benötigt man eine bestimme Masse (=kritische Masse). Man kann die kritische Masse durch Reflektoren (Stoffe, die nach außen getretene Neutronen wieder in das Uran-235 lenken) und durch Moderatoren (Stoffe, die die entstandenen Neutronen abbremsen (Je langsamer Neutronen sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Neutron in einen Atomkern eindringt, da es länger in Kernnähe verweilt.)) reduzieren.
Eine Kettenreaktion kann man steuern. Dafür wird eine ausreichende Anzahl an thermischen (langsamen) Neutronen benötigt. Im Kernreaktor bremst man schnelle Neutronen durch Moderatoren ab, indem die Neutronen gegen Atomkerne des Moderators stoßen. Will man eine niedrigere Kernspaltaktivität erzwingen, werden Steuerstäbe, meistens eine Legierung von Bor und Aluminium, zwischen die einzelnen Uran-Brennstäbe geschoben. Diese absorbieren die meisten freigewordenen Neutronen, die Kernspaltaktivität nimmt ab. Nimmt man die Steuerstäbe wieder heraus, steigt die Aktivität erneut an.
Aufbau eines Kernreaktors:
Ein Kernreaktor besteht aus einer ausreichenden Masse an spaltbarem Material (U-235, Pu-239, Pu-241, U-233), Vorrichtungen, um Neutronen einzufangen, Kühlmittel zur Wärmeabführung und Barrieren, die dem Strahlenschutz dienen und für die Rückhaltung radioaktiver Stoffe verantwortlich sind. Meist befindet sich auch ein Moderator im Kernreaktor (kein Moderator bei „schnellen“ Brutreaktoren).
Es gibt verschiedene Reaktortypen. Zum einen unterscheidet man zwischen
- Forschungsreaktoren (für Forschungs- und Unterrichtszwecke, oft ist nur die Neutronenstrahlung von Interesse),
- Leistungsreaktoren (werden zur Energieerzeugung benutzt), die wiederum in Leichtwasser-, Schwerwasser- und Graphitreaktor unterteilt werden,
- Brutreaktoren (dienen neben der Erzeugung von elektrischer Energie der Erzeugung von spaltbarem Pu-239)
und zum anderen zwischen heterogenen und homogenen Reaktor. Bei homogenen Reaktoren vermischt man Uran mit dem Moderator (z.B. D2O), in einem heterogenen Reaktor sind Uran und Moderator räumlich getrennt. Mit einem homogenen Reaktor kann man einen höheren Multiplikationsfaktor (Vermehrungsfaktor der Neutronen) erreichen.
Druckwasserreaktor:
- Wasser als Moderator und Kühlmittel
- Thermische Neutronen
- Uran-235
- Heterogener Reaktor
- Druckhalter regelt Druck (15,7 MPa)
- Durch den Druck siedet das Wasser nicht, sondern gibt die Wärme im Dampferzeuger an einen Sekundärkreislauf (Wasser) ab und ist nicht direkt mit dem Sekundärkreislauf verbunden Dampf entsteht im Sekundärkreislauf  Sekundärkreislauf hat keine radioaktive Verunreinigungen
- Kühlmitteltemperatur beim Verlassen ca. 326°C
- Steuerstäbe für schnelle Regelungen aus einer Legierung aus Silber, Indium und Cadmium
- Zusetzung von Borsäure für langfristige Regelungen
- Reaktor + Primärkreislauf + Dampferzeuger mit Beton abgeschirmt
- Druckbehälter (Spezialstahl) mit Brennelementen + Primärkreislauf sind von einem doppelwandigen Sicherheitsbehälter umgeben
Schneller Brutreaktor:
- Neben Kernspaltungen werden auch Teile des Uran-238 in spaltbares Pu-239 umgewandelt
- Heterogener Reaktor
- Reaktorkern besitzt innen Brennstäbe mit einer Mischung von UO2 und PuO2 (15% Spaltstoffkonzentration), außen befinden sich Brennstoffzellen mit abgereichertem Uran (sehr kleine Konzentration von Uran-235); Uran-238 wird in Plutonium-239 umgewandelt
- Hohe Spaltstoffkonzentration, da Verwendung von schnellen Neutronen
- Nutzt das Natururan besser aus, da aus schwer spaltbarem U-238 leicht spaltbares Pu-239 gewonnen wird (Es wird mehr gewonnen als für Kernspaltungen gebraucht wird)
- Besitzt kein Moderator
- Flüssiges Natrium als Kühlmittel, führt die Wärme besser ab als Wasser und bremst die Neutronen nicht so stark aus wie Wasser, wird dabei radioaktiv (Beta-Strahler)
- Kühlmitteltemperatur beim Verlassen ca. 545°C
- Primärkreislauf (flüssiges Natrium) gibt die Wärme an einen sekundären Kreislauf weiter (flüssiges Natrium), welches die Wärme wiederum an einen Tertiärkreislauf (Wasser) weiterleitet, in dem Dampf entsteht.  Radioaktives Natrium kommt nicht mit dem Wasser in Kontakt
- Steuerstäbe aus B4C für die Regelung der Kettenreaktion
- Reaktorkern und der Primärkreislauf sind von einer Betonschicht umgeben
Thorium-Hochtemperaturreaktor:
- Kühlmitteltemperatur beim Verlassen ca. 750°C
- Neben Dampf entsteht Prozesswärme, die z.B. zur Kohlevergasung eingesetzt wird
- Brennelemente in Kugelform (Durchmesser 6cm, Graphitschale umgibt ca. 1g U-235 und 10g Th-232 (Brutstoff zur Erzeugung von leicht spaltbarem U-233) in Form von beschichteten Teilchen)
- Einrichtungen zur Entnahme und Zugabe von Brennelementen im Reaktorkern
- Thermische Neutronen zur Spaltung von U-235, Brütung von Th-232
- Graphit als Moderator (in den Kugeln)  homogener Raktor
- Kugeln von Graphit umgeben und gestützt  Graphit als Reflektor
- Kühlmittel: Helium, Temperatur beim Verlassen: 750°C
- Helium gibt Wärme an Dampferzeuger (Sekundärkreislauf; Wasser) ab
- Brennelemente, Kernreaktor und Dampferzeuger wurden von einer berstsicheren Betonschicht umgeben  Hält niedrigen Druck (4MPa) stand, lässt keine radioaktive Strahlung nach außen
- Wärmeabgabe im Endeffekt nicht an einen Fluss wie bei anderen sondern an die Luft
- Große Sicherheit, da Helium von der Neutronenstrahlung nicht aktiviert wird und es sehr reaktionsunfreudig ist, auch bei hohen Temperaturen. Dampfblasenkoeffizient spielt keine Rolle, das eingesetzte Graphit kann nicht schmelzen (Schmelztemperatur bei 3650°C)
Siedewasser-Druckröhrenreaktor:
- Kühlmittel: Wasser
- Kühlmitteltemperatur beim Verlassen ca. 284°C
- Heterogener Reaktor
- Graphit als Moderator
- Bohrungen im Graphitblock für jeweils 2 Brennelemente (2% U-235-Konzentration), die in Druckröhren (mit Wasser gefüllt) übereinander hängen und ein Schutzgas, welches Graphitbrände verhindern soll, sind von einem Stahlbehälter umgeben
- Energie wird in Form von Wärme an das Wasser in den Druckröhren abgegeben, der dabei entstandene Dampf kommt in einen Dampfabscheider, in dem Dampf und Wasser voneinander getrennt werden: Dampf strömt zu den Turbinen, das Wasser zurück in die Druckröhren im Reaktor.
- Positiver Dampfblasenkoeffizient (Je mehr Dampfblasen desto mehr Kernspaltungen und je mehr Kernspaltungen desto mehr Dampfblasen usw.), da Wasserdampf weniger Moleküle pro cm³ hat und somit weniger Neutronen absorbiert, wodurch es zu mehr Kernspaltungen kommt.
- Steuerstäbe zur Regelung der Kernspaltungen
Dieses Referat wurde eingesandt vom User: FritzXP
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