Konzepte II (2) 2007

Konzepte II (SS 2007; D. Rehder)
Teil (2):
Elementarteilchen und Atombau
Kernfusion; die Entstehung der
Elemente
Kernspaltung und Urananreicherung
Streuversuche mit a-Teilchen
und Goldfolie (Rutherford
1911)
a-Teilchen
Ra
Radiumquelle im
Bleiblock
Blende
Gold-Folie
.. ..
.. ..
.. ..
a-Teilchen =
Heliumkerne, (24He)2+
Goldfolie Ausschnitt
Rutherfords Streuversuche mit aTeilchen und Goldfolie (1911):
1. Atome sind weitgehend leer
2. Der Masseschwerpunkt der
Atome liegt im Kern; der Kern
ist positiv geladen
Protonen
3. Das Volumen der Atome
wird durch eine negativ
geladene Hülle repräsentiert
Elektronen
Durchmesser Hülle: 10-5 m; Durchmesser Kern: 10-10 m
Marie und Pierre Curie
Entdeckung des Radiums und Poloniums 1898
Henri Bequerel
Entdeckung des Phänomens „Radioaktivität“ 1896
Ablenkung von a-, bund g-Strahlung im
elektrischen Feld
g
+
a
bRa-Quelle
10
Milliarden
Neutrinos
pro
Sekunde
Süddeutsche Zeitung, 9.10.2002
Radioaktivität - Maßeinheiten
Aktivität
Bq (Bequerel)
1 Bq = 1 Zerfall s-1
3,7·1010 Bq = 1 Ci (Curie)
Biologische Wirkung: Energiedosis
Gy (Gray)
1 Gy = 1 J/kg
Biologische Wirkung:
Äquivalentdosis = Energiedosis  Q
Sv (Sievert)
1 Sv = 1 J/kg
Q = 20 für a, 1 für b, g und X; 3-10 für Neutronen
1 Sv = 100 rem (Röntgen equivalent man)
Fusion
Kernfusion (z.B. auf der
Sonne)
1
4 H
1
0 +
4
0
He
+
2
b
+
2
2
0
1

Wasserstoffisotope
1
1H
2
1H
3
1H
(Protium)
(Deuterium)
(Tritium)
99.9855%
0.0145%
3.10-16 %
radioaktiv
3
1H
t1/2 = 12.35 a
43
+
He
b
2
Natürliche Fusion (Sonne),
Binnentemperatur ca. 106 K
Künstliche Fusion;
Wasserstoffbombe
6
2
3Li + 1H
4
2 2He
Künstliche Fusion; Wasserstoffbombe
Fusionsreaktor
Fusionszone
Erzeugung überschwerer Kerne
Endkern:
262107
Projektil:
54Cr
Target:
209Bi
Verbundkern:
263107
n
g
spontane
Spaltung
„Insel der superschweren Elemente im Meer der Instabilität“
U, Th
Pb
Sn
112
Eka-Hg
Entstehung schwerer Elemente in
heißen Sternen
Interstellare
Wasserstoffwolken
Ort der
Sternentstehung
Leuchtkraft in Einheiten
der Sonne
Instabilität 
Masseverslust
Hertzsprung-Russel
Diagramm
Temperatur in K
Wasserstofffusion (Hydrogen burning)
Heliumfusion (Helium burning)
107 K
H burning
108 K
He burning
109 K
Nucleosynthese
109 K
> 109 K
e-Prozess
(Si burning)
r-Prozess
Sternentwicklung
und Fusion
CNO- oder BetheWeizsäcker-Zyklus
Kernspaltung
Uranvorkommen
Pechblende
(Uraninit) UO2
Uranspaltung Kettenreaktion
Kernkraftwerke Isar-1 und Isar-2
Reaktorkern
Reaktorkern und Sekundärkreislauf
Siedewasserreaktor
1 Reaktorkern
2 Dampfturbine
3 Generator
4 Dampferzeuger
5 Kondensator
6 Pumpe
Tschernobyl April 1986
Vom uranhaltigen Gestein zum Brennmaterial
(1) Auslaugung mit H2SO4/Fe3+  UO2SO4
oder mit Soda/O2  Na4[UO2(CO3)3]
(2) Fällen mit NH3 als [NH4]2[U2O7]
(3) Thermische Zersetzung zu U3O8 („Yellow Cake“)
(4) Überführung mit HF/F2 in UF6
(5) Anreicherung von 235UF6 (von 0,7 auf ca. 3%), z. B. durch
Diffusion oder Zentrifugation
(6) Hydrolyse von UF6 zu UO2F2
(7) Reduktion mit H2 zu UO2
Anreicherung durch Gasdiffusion
235U-
angereichert
UF6
235U-
abgereichert
Anreicherung
durch
Zentrifugieren
Rotor
Purex-Verfahren (Prinzip)
TBP: O=P(OC4H9)3
Tributylphosphineoxid
Purex-Verfahren
Lösen in HNO3;
Extraktion mit O=P(OBu)3/Dodekan
Organische Phase: UVI, PuIV
N 2H 4
Wässrige Phase:
Spaltprodukte
UIV, PuIII
Extraktion mit Wasser
Organische Phase: UIV
+ HNO3/H2O
UVI
NH3
(NH4)2[U2O7]
Wässrige Phase: PuIII
Oxalat
D
PuO2
Pu2(ox)3