1 Kernreaktionen

1 Kernreaktionen:
Eine Kernreaktion ist ein physikalischer Prozess, bei dem durch den Zusammenstoß
eines Atomkerns mit einem anderen Kern oder Teilchen mindestens ein Kern in ein
anderes Nuklid und/oder in freie Nukleonen umgewandelt wird, ohne dass sich die
Gesamtzahl der Protonen und Neutronen ändert. Während beim radioaktiven Zerfall die
Kernumwandlung spontan erfolgt, wird sie bei der Kernreaktion durch ein auftreffendes
Teilchen ausgelöst. Aus der Gültigkeit des Impulserhaltungssatzes und des
Energieerhaltungssatzes für jeden Stoßvorgang ergeben sich bestimmte Eigenschaften und
Beschränkungen der Teilchenbewegungen. Es gibt im Großen und Ganzen 5 wesentliche
Kernreaktionen, nämlich:
1.1 Kernfusion
Die Kernfusion ist eine Kernreaktion, bei der zwei Atomkerne zu einem neuen Kern
„verschmelzen“. Die Kernfusion ist Ursache dafür, dass die Sonne und
andere Sterne Energieabstrahlen. Der Prozesse, die in der Sonne zur Abstrahlung von Energie
führen, sind der pp-Zyklus und der CNO-Zyklus. Der Hauptzweig des pp-Zyklus wird hier
nun kurz erläutern, um zu demonstrieren, wie so eine typische Kernfusionsreaktion aussieht.
1.1.1 Pp-Zyklus
Abbildung 10:Reaktionswege des pp-Zyklus im Inneren
der Sonne
Im ersten Reaktionsschritt des ppZyklus verschmelzen zwei
Wasserstoffkerne (=2 Protonen) zu
Deuteriumkernen. Hierbei
unterscheidet man zwischen der
primären pp-Verschmelzung, welche
zu 99,75% stattfindet, und der
sekundären pp-Verschmelzung.
Primäre: Kernfusionierung von 2p, wobei ein p (aufgrund der schwachen WW) über den ß+Zerfall zu einem Neutron wird:
(1.1) p  p  2H  e    e
Sekundäre:
(1.2) p  e   p  2H   e
Die Endprodukte der Reaktion beider Verschmelzungen sind jeweils Elektronneutrinos und
Deuterium. Die folgende Reaktion des entstandenen Deuteriums ist daher sowohl nach
anfänglicher primärer als auch sekundärer pp-Verschmelzung dieselbe. Das Deuterium
absorbiert ein Proton und wird zu Helium.
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3
(1.3) H  p He    Energie
Von nun an teilt sich die Reaktionskette in drei Stränge auf. Strang 1 wird kurz erläutert.
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Zu 91% verschmilzt das entstandene 2 He gemäß dem ersten Zweig zu 2 He .
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3
4
(1.4) 2 He  2 He2 He  2 p  Energie (~12 MeV)
Quellen: http://www.analytik.ethz.ch/vorlesungen/radiochemie.htm; www.wikipedia.org; Vgl: KlapdorKleingrothaus, H.V.; Zuber Kai: Teilchenastrophysik; B.G.Teubner Verlag; Stuttgart;1997; Seite 350ff
1.2 Induzierte Kernspaltung
Ist eine Kernreaktion, bei der ein freies Teilchen, meist ein Neutron, zufällig einen Kern trifft
und von diesem absorbiert wird. Der Kern gewinnt dadurch die Bindungsenergie und
eventuelle kinetische Energie dieses Neutrons, befindet sich nun in einem angeregten Zustand
und spaltet sich.
1.2.1 Energiegewinnung über Kernspaltung in Kernkraftwerken
Das Isotop Uran 235 ist ein gut spaltbares Material, vor allem ist Uran das einzig natürlich
vorkommende Material, das zu einer Kettenreaktion führen kann. In der Natur kommt Uran
235 jedoch nur zu 0,7 % vor, daher muss Uran 238 (99,3%) angereichert werden.
Dies geschieht unter anderem in Zentrifugen:
Die Verbindung Uranhexafluorid (UF6), die pro Molekül aus einem Atom Uran und sechs
Atomen des Elements Fluor besteht. Es existiert somit ein "schweres" UF6 aus 238U und F
und ein "leichtes" UF6 aus 235U und F. In einem vakuumdichten Gehäuse läuft mit hoher
Umfangsgeschwindigkeit ein Rotor um, in dem durch ein feststehendes Rohr mittig das zu
trennende UF6-Gas eingebracht wird. Nun wird ausgenutzt, daß die hohe
Rotationsgeschwindigkeit eine größere Zentrifugalkraft auf die schwereren 238U-Moleküle
ausübt als auf die leichteren und sich diese so vermehrt an der Außenwand sammeln. Um die
Rotorachse kommt es so zu einer geringen Anreicherung an 235UF6.
Energiegewinnung aus Kernspaltungsprozessen in Atomkraftwerken:
Zur Spaltung in Kernkraftwerken wird LEU(lightly enriched uranium, 2-4%) verwendet.
Im ersten Schritt trifft ein "thermisches Neutron" den Kern. Der Zustand des Kerns wird
instabil und es kommt zu Spaltung. Dabei werden weitere 2-3 Neutronen wie auch radioaktive
Strahlung vom Kern ausgesandt. Genau diese Strahlung wird zur Wärmeerzeugung im
Kraftwerk verwendet. Die ausgesandten Neutronen fliegen in alle möglichen Richtungen und
können benachbarte U-235 Kerne spalten. Dadurch entsteht eine lawinenartige
Kettenreaktion, vorausgesetzt es gibt genügend U-235 Kerne in direkter Umgebung.
Geregelt wird die Kettenreaktion durch Bremsstäbe. Bremsstäbe sind Elemente, die aus
Materialien, die Neutronen auffangen (üblicherweise Bor, Cadmium). Brennstäbe hingegen
beherbergen das angereicherte Uran in gepresster Tablettenform befüllt.
1.3 Spallation
Spallation ist eine nichtelastische Wechselwirkung eines Atomkerns mit einem Projektil
hoher kinetischer Energie. Der Atomkern wird dabei in kleinere Bruchstücke und in der Regel
mehrere Neutronen zerschmettert.
1.4 Neutronenanlagerung
Die Neutronenanlagerung ist eine Kernreaktion, bei der ein oder mehrere Neutronen von
einem Atomkern eingefangen werden, ohne dass dabei mit Masse behaftete Teilchen
freigesetzt werden.
1.5 Protonenanlagerung
Protonenanlagerung ist eine Kernreaktion, bei der ein Proton einem Atomkern hinzugefügt
wird, wobei nur Gammastrahlung emittiert wird. Wichtig bei Fusionsprozessen in Sternen,
gerade wenn es darum geht, Elemente mit größerer Ordnungszahl als Fe zu erzeugen.
Quellen: http://www.analytik.ethz.ch/vorlesungen/radiochemie.htm; www.wikipedia.org; Vgl: KlapdorKleingrothaus, H.V.; Zuber Kai: Teilchenastrophysik; B.G.Teubner Verlag; Stuttgart;1997; Seite 350ff
2 Wechselwirkung von Teilchen mit Materie
2.1 WW von Alphateilchen mit Materie:
Aufgrund ihrer elektrischen Ladung und relativ großen Masse von 4 u haben Alphateilchen
nur eine sehr geringe Eindringtiefe in Materie. Die Reichweite der Alphateilchen ist abhängig
von deren Energie.
Die spezifische Ionisation, die Anzahl erzeugte
Ionenpaare pro zurückgelegte Wegstrecke,
verursacht durch ein einzelnes α-Teilchen, ist enorm.
Folgende Graphik illustriert für das Beispiel des
Alpha-Strahlers Po210 die Wechselwirkung mit
Luft. Wie ersichtlich nimmt die Anzahl gebildeter
Ionenpaare anfänglich zu. Am Ende der
Flugbahn entstehen am meisten Ionenpaare
(sogenannter Bragg-Peak). Wenn das α- Teilchen seine Energie abgegeben hat, fällt die
spezifische Ionisation abrupt ab. Ein etwas kräftigeres Blatt Papier oder einige Zentimeter
Luft reichen im Allgemeinen schon aus, um Alphateilchen vollständig abzuschirmen.
2.2 WW von Beta-Strahlung mit Materie
Die Wechselwirkung von β–-Teilchen mit Materie gleicht jener der α-Strahler, ist aber
vielfach schwächer. Infolge der gegenüber α-Teilchen viel kleineren Masse der β-Teilchen
vermögen Elektronen in der Umgebung die β-Strahlung stark abzulenken. Die β-Teilchen
bewegen sich daher auf "Zick-Zack"-Bahnen. Positronen geben im Allgemeinen zuerst ihre
kinetische Energie weitgehend ab, dann zerstrahlen sie mit einem Elektron aus der
Umgebung, wodurch zwei γ-Quanten entstehen, in entgegengesetzter Richtung davonfliegen.
2.3 WW von Gamma-Strahlung mit Materie
Für Gamma-Strahlung gibt es keine endliche Reichweite im Material. Zur Abschirmung sind
meist dickere Materieschichten nötig als bei Alpha- oder Betastrahlung. Je größer
die Ordnungszahl eines Materials ist, desto größer ist seine Abschirmwirkung gegen
Photonen. Die wichtigsten Wechselwirkungsprozesse beim Durchgang von Gammastrahlung
durch Materie sind Photoeffekt, Comptoneffekt und Paarbildung.
3 Dosimetrie:
Unter Dosimetrie versteht man allgemein eine Technik zur Messung einer Strahlendosis im
Rahmen des Strahlenschutzes. Als quantitatives Maß für die im Körper deponierte
Energiemenge wird die Energiedosis D definiert:
D =dE/dm
Die SI-Einheit hat den Namen Gray (Gy[J/kg]). Die verschiedenen Strahlenarten bewirken
unterschiedliche Schäden im Gewebe. So richten α-Strahlen etwa gleich viel Schaden an, wie
20 mal so viele γ-Quanten bei gleicher deponierter Energie, also gleicher Energiedosis. Man
definiert daher eine neue Grösse, die die unterschiedlichen Wirkungen der verschiedenen
Strahlenarten angemessen berücksichtigt, die Äquivalentdosis H:
H = D* Q
Q=Qualitätsfaktor, unterschiedlich je nach Strahlungsart. Die Äquivalentdosis wird in der
Einheit Sievert (Sv) angegeben(1Sv=1J/kg). 100 mSv gelten als gefährlicher Grenzwert. Ab 4
Sievert beginnt die Todeszone. Dosimeter können mittels Ionisationskammern die Menge an
radioaktiver Strahlung im Umfeld angeben.
Quellen: http://www.analytik.ethz.ch/vorlesungen/radiochemie.htm; www.wikipedia.org; Vgl: KlapdorKleingrothaus, H.V.; Zuber Kai: Teilchenastrophysik; B.G.Teubner Verlag; Stuttgart;1997; Seite 350ff