Kernchemie

Abitur 1999 - Chemie à Kernchemie
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Kernchemie
Aufbau des Atomkerns
2 Sorten von Kernteilchen (Nukleonen)
Protonen (1 u, 1 positive Elementarladung)
Neutronen (1 u, schwerer als Proton, ungeladen)
Elektron - wesentlich kleinere Masse als Proton/Neutron (1 /1836 u)
Ordnungszahl (Z) à Zahl der Protonen im Kern, Zahl der Elektronen in der Hülle
Massenzahl (A) = Protonenzahl Z + Neutronenzahl N
Isotope
verschiedene Atomarten eines Elementes (gleiche OZ), die sich in der Neutronenzahl
und folglich auch in der Massenzahl unterscheiden, heißen Isotope
Strahlenarten
α-Strahlen
zweifach positiv geladene Teilchen (He2+, Heliumatomkerne)
β-Strahlen
Elektronen
γ-Strahlen
nicht aus materiellen Teilchen, energiereiche, kurzwellige
elektromagnetische Wellen
Wirkung von Strahlen
physikalische Wirkung
ionisierende Wirkung à Nachweis mit Geiger-Müller-Zählrohr
thermische Wirkung à durch Absorbtion Umwandlung Strahlungsenergie in Wärme
Aktivität eines Strahlers
Quotient aus der Anzahl der Zerfallsakte und der Zeit, in der dieser Zerfall erfolgt
(Anzahl der Zerfallsakte pro Zeiteinheit)
Anzahl der Zerfal lsakte
Aktivität =
Zeit
Einheit: 1 Bq = 1 s-1
Energiedosis
Quotient aus der Energie E, die von der Masse m absorbiert wurde und dieser Masse.
(absorbierte Energie pro Masseeinheit)
absorbiert e Energie
Energiedos is =
absorbiere nde Masse
J
Einheit: 1 Gy = 1 /kg
Energiedosisleistung
Quotient aus der aufgenommenen Energiedosis und der dazu benötigten Zeit.
(absorbierte Energie pro Masseeinheit und pro Zeiteinheit)
Energiedos is
Energiedos isleistung =
Zeit
Einheit: 1 Gy/s
chemische Wirkung
Atome/Moleküle können ionisiert werden, chemische Bindungen können zerstört werden
à Bildung von Ionen und Radikalen
biologische Wirkung
ionisierende Wirkung, hohe Energie à Zerstörung organischer Verbindungen
Messung der Wikrung der einzelnen Strahlenarten auf Organismus:
Äquivalentdosis
Produkt aus der Energiedosis und einem für Organismus und Strahlenart
charakteristischen Qualitätsfaktor.
Äquivalentdosis = Energiedosis * Qualitätsfaktor
Einheit: 1 Sv = 100 rem
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Geiger-Müller-Zählrohr
Aufbau (vgl. Blatt)
• dünnwandiges Metallrohr, mit Edelgas (Argon) gefüllt, mit Glimmerfenster
verschlossen
• dünner Metalldraht in Achse
• Spannung zwischen Draht und Rohrwand bis zu 1000 V
Funktionsweise
• tritt ionisierendes Teilchen in Rohr ein à Rohr aufgrund der vorhandenen Ionen
elektrische leitend à Stromstoß
• Stromstoß wird über Verstärker mit Lautsprecher/Zähler registriert
Wilsonsche Nebelkammer
Aufbau (vgl. Blatt)
• Präperat befindet sich unter Glasglocke, mit gesättigtem Alkohol- oder
Wasserdampf
• Expansionskolben zum schnellen expandieren des Raumes
Funtionsweise
• wird Raum ruckartig expandiert à Temperatur sinkt unter Taupunkt à
übersättigter Wasser-/Alkoholdampf
• sind keine Kondensationskeime (Staub) vorhanden kann sich kein Nebel bilden
• werden durch radioaktive Strahlen Ionen gebildet à Kondensationskeime (Dipole
lagern sich an) à Nebelspur der ionisierenden Teilchen
• α-Teilchen relativ schwer à geradlinige Spur, β-/γ-Strahlung à zick-zack-Spur
Zerfallsarten
α -Zerfall
4
2+
A
4
2+ A− 4
α-Teilchen:
+ Z −2Y
2 He
Z X → 2 He
β -Zerfall
0
A
A
0
β-Teilchen:
−1 e
Z X → Z +1Y + −1 e
à Neutron wird in Proton und Elektron umgewandelt
+
β -Zerfall
A
A
0
β +-Teilchen: −10 e (Positron)
Z X → Z −1Y + +1 e
à Proton wird zu Neutron und Positron umgewandelt
Verschiebungsgesetze von Fajans
Bei der Ausstrahlung eines α-Teilchens vermindert sich die Kernladungszahl um 3
Einheiten, die Massenzahl um 4 Einheiten.
Bei Aussenden eines β --Teilchens erhöht sich die Kernladungszahl um eine Einheit,
die Massenzahl bleibt unverändert.
Halbwertszeit
Unter der Halbwertszeit T eines Radionuklides versteht man die Zeit, in der die Hälfte
einer vorliegenden Anzahl radioaktiver Atome zerfallen ist.
N (t ) = N 0 * e − λ *t
− N ′(t ) = A(t ) à − N ′(t ) = λ * N 0 * e − λ*t à A(t ) = A0 * e − λ*t
ln( 2)
λ=
T
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Radioisotope und deren Verwendung
Medizin, Biologie, Biochemie
• Beeinflußung von Hautkrankheiten und innerer Erkrankungen durch dosierte
Bestrahlung des Gewebes
• Untersuchung der Schilddrüse, des Abbaus von Stoffen
Chemie
• Markierung einzelner Atome à Untersuchung von Reaktionsmechanismen,
Reaktionen, Wirkungsweise von Heilmitteln
Technik
• Materialkontrolle (Dicke von Metallplatten)
Radiocarbonmethode
• Altersbestimmung historischer, prähistorischer Gegenstände
à Halbwertszeit von C = 5568 a
Künstliche Kernumwandlungen
Rutherford à Beschuß von Stickstoffatomen mit α -Teilchen (1. künstl. Kernumwandlung)
14
4
17
1
kurz: 147 N (α , p )178O
7 N + 2 He → 8 O + 1 H
à Austauschreaktion - Proton gegen α-Teilchen
à geringe Trefferquote (Ladung) à nur bei hoher Energie (hohe Geschw.)
Chadwick à Neutronenstrahlung bei Mischung von Berylliumpulver und Radiumsalz
9
4
12
1
kurz: 49 Be (α , n )126C
4 Be + 2 He → 6 C + 0 Nn
à Austauschreaktion - Neutron gegen α-Teilchen
à Neutronen haben hohe Energie (schnelle Neutronen)
Die Kernspaltung
Hahn/Straßmann - Spaltung von 235 U mit langsamen (thermischen Neutronen)
à 2 Bruchstücke (Massen 2:3) und 3 Neutronen
à Atome beitzen hohe Neutroenzahl à radioaktiv β-/γ-Strahlung
235
1
144
89
1
92 U + 0 Nn → 56 Ba + 36 Kr + 3 0 Nn
à freiwerdende Energie läßt sich mit Hilfe der Bindungsenergie im Atomkern erklären
Abhängigkeit der Bindungsenergie pro Nukleon von der Massenzahl
Atomkerne mit großer Nukleonenzahl - geringere Bindungsenergie pro Nukleon als
Atomkerne mit mittlerer Nz à Spaltung von schweren Atomkernen à Energie frei
leichte Atomkerne Bindungsenergie pro Nukleon kleiner als bei mittelschweren à Bildung
mittlererAtomkerne aus Kernen mit kleiner Nukleonenzahl à Energie frei
Berechnung der Bindungsenergie mit Hilfe der Masse-Energie-Gleichung E = m*c² und dem
Massendefekt bei der Bildung der Atomkerne (Differenz Masse links - Masse rechts)
∆E = ∆m * c ² c: Lichtgeschwindigkeit
Massendefekt
Die Masse einer jeden aus Protonen und Neutronen zusammengesetzten Atomkernes
ist kleiner als die Summe der Massen der Einzelbestandteile. Die Differnz ∆ m
(Massendefekt) entspricht nach Einstein der Bindungsenergie E der Nukleonen im
Atomkern.
ungesteuerte Kettenreaktion
bei Spaltung von 235 U à 2-3 Neutronen freigesetzt à weitere Spaltungsreaktionen
• Kettenreaktion nur wenn mind 1 Neutron entsteht
• Neutronenverlust nach Außen à Kugel (Oberfläche, Volumen)
à kleine Uranmasse à keine Kettenreaktion à erst ab kritischer Masse
• ist kritische Masse überschritten à ungesteuerte Kettenreaktion
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àk=
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n( gebildete Spaltneutr onen)
>1
n ( verbraucht e Spaltneutr onen)
Atombombe:
• Uranblock in mehrere unterkritische Teile zerlegt à keine Kettenreaktion
• bei Zündung Implosion à kritische Masse à Kettenreaktion
• zusaätzlich Neutronenreflektierende Hülle
gesteuerte Kettenreaktion
k < 1 à keine Kettenreaktion, bricht ab
k = 1 à gesteuerte Kettenreaktion (jedes spaltende Neutron liefert ein neues)
natürliches Uran à aus 2 Isotopen:
235
U - spaltbar (0,7 %)
U - nicht spaltbar (99,3 %)
Einwirkung von Neutronen auf natürliches Uran:
à Spaltungsreaktion
235
1
1
92 U + 0 Nn → X + Y + 30 Nn
à Einfangreaktion (Neutronen werden absorbiert durch 238 U)
238
1
239
239
kurz: 238
92 U + 0 Nn → 92 U
92 U ( n,− ) 92 U
à mit natürlichem Uran keine Kettenreaktion möglich
238
Einfangreaktion läuft besonders leicht bei schnellen Neutronen ab
Spaltungsreaktion läuft besonders leicht bei thermischen (langsamen) Neutronen ab
à um Spaltungsreaktion durchzuführen muß Geschwindigkeit durch elastische Stöße sehr
schnell herabgesetzt werden à Verwendung von Bremssubstanzen = Moderatoren
• Energieübertragung auf anderes Teilchen dann maximal, wenn gleiche Masse (Impuls) à
Substanzen mit geringer Atommasse (Graphit, Wasser, schweres Wasser)
• Abbruch einer Kettenreaktion durch Neutronenabsorber (Borstähle, Cadmiumstähle)
Kraftwerke
allgemeiner Aufbau:
Wasser durch Energiezufuhr erhitzt à Dampf durch Düsen über Turbine (Generator)
Abkühlung des Dampfes in Kühltürmen
Kernkraftwerke
à Kernreaktoren (Reaktor = Bereich in dem Kettenreaktion abläuft)
• Reaktorkern (Core) aus vielen Brennelementen (quadrat./sechseck. Querschnitt)
• Brennelemente aus Brennstäben à metallisches Hüllrohr, Spaltstoff (Kernbrennstoff)
in Tablettenform (Pellets), oberes/unteres Ende zusammengeschweißt, Hohlräume
zur Aufnahme der Spaltgase
• Reaktorkern im Druckbehälter vom Kühlmittel umströmt
• Kühlmittel gibt Wärmetauschern Energie ab, durch Pumpen wieder Reaktor
zugeführt
• Steuerung durch Steuerelemente (neutronenabsorbierendes Material) werden
in/zwischen Brennelemente bewegt
• Vorteil von Wasser als Moderator und Kühlmittel: bei Kühwasserverlust entfällt
Moderation der Neutronengeschwindigkeit à Kettenreaktion bricht ab
Siedewasserreaktor
• Wasserdampf im Core (70 bar, 285°C)
• Brennstäbe, angereichertes Uran - Moderator, Kühlmittel: leichtes Wasser
• Steuerung: Cadmiumstäbe (durch Elektromotoren auf und ab, schnell: schießen)
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Vorteil
• Einkreisreaktion à Dampf direkt auf Turbine (kein Wärmetauscher, keine
Verluste) à hoher Wirkungsgrad
Nachteile
• Steuerung von unten à Steuerstäbe fallen nicht von selbst in Reaktor (Störfall)
• Abbrand der Brennelemente nicht konstant (unten stärker - stärkere Moderatorwirkung)
• Schaden à radioaktive Stoffe in Kühlwasser à Turbine radioaktov kontaminiert
Druckwasserreaktor
• Moderator/Kühlmittel: leichtes Wasser
• Druck im Core (160 bar, 300°C à Wasser verdampft nicht)
• Zweikreissystem à Wärmetauscher
Vorteile
• 2. Kreis kann nicht radioaktiv werden (Turbine nicht gefährdet)
• Steuerung von oben à bei Ausfall der Steuerung durch Schwerkraft nach unten
• Wasser als Kühlmittel und Moderator à Sicherung
Nachteil
• Wasser des 1. Kreises darf nicht zum Sieden kommen (Dampfblasen überhitzen
Brennstäbe) à radioaktive Stoffe in Primärkreislauf
Hochtemperaturreaktor
• Kühlmittel: Helium (geringe Dichte à kaum Moderatorwirkung) - Moderator: Graphit
• tennisballgroße Kugelbrennelemente, Hülle aus Graphit, Kugel enthält
Brennstoffpartikel (von mehreren übereinanderliegenden Graphitschichten umschlossen à
keine Spaltprodukte können entweichen)
•
•
hochangereichertes 235 U (93 %) als Spaltstoff
natürliches 232 Th als Brutstoff (233 U aus 232 Th als Brennstoff)
−
−
β
233
β
233
Th+ 01Nn 
→ 233
90Th → 91 Pa → 92 U
• Kühlmitteltemperatur bis zu 1000°C à hoher Wirkungsgrad
Vorteile
• hohe Kühlmitteltemp. (Einsatz als Prozesswärme) à hoher Wirkungsgrad à geringe
Abwärme
• relativ große Spaltzone, hohe Wärmekapazität des Graphits à Schmelzen des
Core nicht möglich (Kühlmittelverlust nicht schwerwiegend)
• spaltbares Material wird erbrütet
• He nur geringe radioaktive Mengen à Gasturbinde direkt von He angetrieben
Nachteil
• hochangereichertes 235 U als spaltbares Material
Schnelle Brutreaktoren
• Brennstäbe: Mischung aus 238 UO2 und 239 PuO 2 (Verhältnis 5:1)
• Brennstäb zu sechseckigen Brennelementen à Spaltzone (vom Brutmantel aus
238
UO2 als Brutmaterial umgeben, ebenfalls in Hüllrohren zu Brutelementen)
• Kernbrennstoff: 239 Pu
• Ziel neben Energiegewinnung, Erbrüten von spaltbarem Material
• keine Moderatoren erforderlich, da spaltbares Material erbrütet werden soll
• schnelle Neutronen lösen aber Spaltung von 235 U aus à Reaktion muß kompakter
werden, Konzentration von spaltbarem Material muß größer sein als bei LWR à
hohe Leistungsdichte (Leistung durch Volumen)
• Wasser kann nicht als Kühlmittel verwendet werden (Moderator), He zu geringe
Wärmekapazität à flüssiges Na als Kühlmittel (geringe Moderatorwirkung, gute
232
90
Wärmeleitfähigkeit, hohe Wärmekapazität, kein hoher Druck, hoher Wirkungsgrad)
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Urananreicherung
Gasdiffusionsverfahren
• aus Kammern mit höherem Druck strömt UF6 durch poröse Wände in Kammern
mit geringerem Druck
• V(235 UF6 ) > V(238 UF6 ) à Moleküle mit 238 U diffundieren schneller à
Anreicherung von 238 UF6 auf Niederdruckseite
• mehrere 1000 Trennschritte hintereinander notwendig
• nach jedem Trennschritt erneute Kompression à hoher Energiebedarf
Zentrifugenverfahren
• gasförmiges UF6 in Zentrifuge mit hoher Geschw. geschleudert
• unterschiedliche Zentrifugalkräfte à außen 238 U, innen 235 U
Trenndüsenverfahren
• Gemische aus UF6 und He mit großer Geschwindigkeit durch Düse à Umlenkung
um 180°
• UF6 mit schwererem Uran weiter nach außen
• ca. 200 Schritte für Anreicherung von 0,71 % auf 3 %
• erneute Kompression vor jeder Stufe à hoher Energieverbrauch
Herstellung des Kernbrennstoffes UO2
à Ausgangsstoff UF6 bzw. UO 2 (NO3 )2 (aus Wiederaufbereitung)
1. Hydrolyse von UF6
2. Ausfällung von Ammoniumuranylcarbonat
3. Thermische Zersetzung von Ammoniumuranylcarbonat
4. Reduktion des UO3 mit Wasserstoff
Brennstäbe und Brennelemente
• UO2 -Pulver zu Tabletten (Pellets) gesintert
• Einfüllen der Pellets in Hüllrohre, Brennstäbe dicht verschweißt
• Brennstäbe zu Brennelement zusammengeführt
Kernfusion
Spaltung vo Kernen
à Kernfission
Verschmelzung von Kernen à Kernfusion
à auch bei Kernverschmelzung wird Energie frei (natürliche Kernverschmelzung in Sonnen)
Voraussetzungen für Kernfusion
• hohe Energie (Geschwindigkeit) der zu verschmelzenden Kerne, damit CoulombKräfte überwunden werden à hohe Temperatur
• Ziel: Kernfusion energiegewinnend einzusetzen à Fusionsreaktoren
• geeignete Reaktion: 12 H +13H 
→ 24 He + 01Nn
Voraussetzungen für energiegewinnenden Ablauf
• sehr energiereiche, schnelle Teilchen à hohe Temp. (Teilchen in Kerne und
Elektronen zerfallen = Plasma)
• Plasma muß hohe Teilchendichte besitzen, diese muß lange genug aufrecht
erhalten werden
• Anlage: Tokamak à siehe Blatt
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