Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I Vorlesung 13 10.12.2013
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Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I Vorlesung 13 10.12.2013 Kernspaltung: Sicherheit/Störfälle Kernfusion: Energieerzeugung Energiegewinnung Notkühlsysteme Druckwasserreaktor Energiegewinnung Fukushima I: Siedewasserreaktor 6 Reaktorblöcke 1 2 3 4 Bildquelle: Google Energiegewinnung Fukushima Fukushima: Siedewasserreaktor Energiegewinnung Fukushima Siedewasserreaktor Energiegewinnung Fukushima Kernschmelze Energiegewinnung Fukushima Energiegewinnung Uran: Vom Abbau bis zur Endlagerung Energiegewinnung Uranrerz: Gammaspektrum Nuklide aus der Uran-Radium-Reihe Uranmetall Yellow cake ist ein gelbes, pulverförmiges Gemisch von Uranverbindungen. Etwa 0,1% Uran ist in Uranerzen in Form von Oxiden enthalten. Bildquelle: Wikipedia Energiegewinnung Kernbrennstoff vor und nach dem Einsatz Energiegewinnung Radioaktiver Abfall: Energiegewinnung Transmutation Idee: Hybridreaktor, der radioaktiven Abfall durch Zuführung eines externen Beschleunigerstrahls “verbrennt” p (Rubbiatron, C. Rubbia, 80er Jahre) p-Beschleuniger → Neutronen aus Spallation Reaktor: unterkritischer Betrieb ohne Beschleuniger: Kettenreaktion stopt p n Target Zusätzlich: Erbrüten von Brennstoff Energiegewinnung - Verkürzung der Endlagerzeit für stark radioaktive Abfälle - nicht für schwach radioaktives Material (überwiegender Anteil) - Goldherstellung unwirtschaftlich (geringe Effizienz) Energiegewinnung Energiebilanz der Welt Gross Domestic Product = Bruttoinlandsprodukt Länder mit Bevölkerung > 20 Mio Bildquelle: Wikipedia Energiegewinnung Bevölkerungswachstum Energiegewinnung 10 Mrd. Menschen mit einem Energieverbrauch von nur 3 kW/Kopf benötigen 30 TW (30·1012 W = 20000 Kernkraftwerke des Brokdorf Typs [1,5 GW]) 2008: weltweiter Energieverbrauch 474 Exajoule (132000 TWh) (143000 TWh Energie erzeugt, davon 98000 TWh verbraucht ) Bildquelle: Wikipedia Energiegewinnung Fossile Energieträger erzeugen CO2: J. Lowe et al., Science 2009 Energiegewinnung Energiegewinnung EMF-22 (10 Gruppen, 100 Modelle) (Energy Modelling Forum) Energy Economics 31 (2009) S94–S106 +2° in 2100 CCS = Carbon Dioxide Capture and Storage Energiegewinnung Energiegewinnung Solarkraftwerke? Quelle: SolarMillenium Kraftwerk: ca. 3 km2 (400 Fußballfelder), 25 MW Leistung Die Welt braucht ~ 1.000.000 Kraftwerke, d.h. ca. 30/Tag bis 2100 Energiegewinnung Holen wir uns die Energieproduktion der Sonne auf die Erde: Fusion Energiegewinnung Die Energie der Teilchen muss groß genug sein, um die Coulombabstoßung zu überwinden. Um Energie aus der Fusion zu gewinnen (d.h. mehr Energie rauszuholen als für die Heizung des Plasmas nötig war → sich selbst tragende Kernfusion) muss diese Temperatur für eine gewissen Einschlusszeit mit einer genügend großen Ionendichte gewährleistet sein. Gewöhnlich wird dies als Lawson-Kriterium, als Produkt der Ionendichte und Einschlußzeit angegeben: nτ ≥ 1014 s/cm3 Deuterium-Tritium-Fusion nτ ≥ 1016 s/cm3 Deuterium-Deuterium-Fusion Energiegewinnung Mögliche Reaktionen: D + T → 4He + n + 17,6 MeV D + D → 3He + n + 3,3 MeV D + D → T + p + 4,0 MeV D + 3He → 4He + p + 18,3 MeV Energiegewinnung Kernfusion Durch das Verschmelzen leichter Kerne lässt sich Energie gewinnen. Die wahrscheinlichste Reaktion ist die Verschmelzung von Deuterium und Tritium.