Nuklidkarte – Kernphysik
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Nuklidkarte – Kernphysik Prof. Dr. Sabine Prys Naturwissenschaftliche Grundlagen @designed by ps Skripte • http://webuser.hsfurtwangen.de/~neutron/lehrveranstaltungen.html 1 5 Das Standardmodell 5 Das Standardmodell 2 5.1.1 Elementarteilchen und Quarks Elementarteilchen Leptonen leichte Teilchen Mesonen gerade Anzahl von Quarks Neutrinos ... Baryonen schwere Teilchen Hyperonen Elektronen ... Bosonen "Kraftteilchen" Nukleonen Photonen Neutronen Protonen Quarks Quarks ... ... 5.1.2 Leptonen - leichte Teilchen Name Symbol Ruhemasse [MeV] Elektron Müon Tau eµτ- 0,511 105,6 1784 e+ µ+ τ+ Ladung -1 +1 -1 +1 -1 +1 Spin mittlere Lebensdauer [s] 1/2 1/2 1/2 stabil 2. 10-6 3. 10-13 Elektron- Neutrino νeνe ? 0 0 1/2 stabil ? Müon-Neutrino νµνµ ? 0 0 1/2 stabil ? Tau-Neutrino ντ ντ ? 0 0 1/2 stabil ? Leptonen + Quarks = Grundbausteine der Materie + Antimaterie 3 5.1.3 Mesonen - Teilchen aus 2 Quarks Name Symbol Ruhemasse [MeV] Pionen 135 Kaonen π0 π+ π− K0K0 Kaonen Ladung 0 Quarkaufbau Spin mittlere Lebensdauer [s] uu dd 0 8.10-17 du 0 2,6 .10-8 d s us su cc cu cd bb 0 10-10 -5.10-8 0 1,2.10-8 1 1.10-20 0 1.10-12 0 4.10-13 1 1.10-20 140 +1 -1 ud 498 0 0 ds K+ K− 494 +1 -1 J / Psi J/Ψ 3098 0 D-Null D0 1863 0 D-Plus D+ 1863 1 Ypsilon Y 9460 0 Pionen 5.1.4 Baryonen Name Symbol Ruhemasse [MeV] Proton p p 938,3 Neutron n n 939,6 Lambda Λ Λ 1115 Sigma-Plus Σ+ Σ+ 1189 Sigma-Minus Σ− Σ− 1197 Sigma-Null Σ0 Σ0 1192 Xi-Minus Ξ− Ξ− 1321 Xi-Null Ξ0 Ξ0 1315 − − Omega-Minus Ω Ω 1672 Charm-Lambda Λc Λc 2280 - schwere Teilchen Ladung +1 0 0 +1 -1 0 -1 0 -1 +1 -1 0 0 +1 -1 0 1 0 -1 +1 Quarkaufbau Spin mittlere Lebensdauer [s] u u d uud ½ stabil d d u ddu ½ ca. 900 u d s uds ½ 2,6.10 -10 u u s uus ½ 8.10 -11 d d s dds ½ 1,5.10 -10 u d s uds ½ 6.10 -20 d s s dss ½ 1,6.10 -10 u s s uss ½ 3.10 -10 s s s sss ½ 8.10 -11 u d c udc ½ 2.10 -13 4 5.1.5 Eichbosonen Name Symbol Photon W-Teilchen Z-Teilchen Gluon γ W + W− Z g Ruhemasse [MeV] - Austauschteilchen Ladung ? ~83 000 ~93 000 0 Spin 0 1 0 0 mittlere Lebensdauer [s] 1 -1 1 1 stabil 10-25 10-25 stabil Austauschteilchen, übertragen Kräfte 5.1.6 Quarks - Bausteine für Elementarteilchen Name Symbol up down strange charm bottom (beauty) top (truth) u u d d s s c c b b t t Ruhemasse [MeV] ~5 ~10 ~100 ~1500 ~4700 ? Ladung 2/3 -1/3 -1/3 - 2/3 1/3 1/3 2/3 -2/3 -1/3 1/3 2/3 -2/3 Spin mittlere Lebensdauer [s] ½ ½ ½ ½ ½ ½ stabil verschieden verschieden verschieden verschieden verschieden Elementarteilchen aus Quarktripletts : Baryonen Elementarteilchen aus Quarkdubletts: Mesonen 5 5.1.6.1 „Visual“- Quarks top up down bottom strange charm 6 Anti-Materie • Zu jedem Teilchen gibt es ein Anti-Teilchen (gleiche Masse, aber entgegengesetzte Ladung) • Tritt ein Teilchen mit seinem Anti-Teilchen in Wechselwirkung, so werden beide vernichtet, es entstehen Photonen oder Mesonen • Das Photon ist mit seinem Anti-Teilchen identisch 6 7 Nuklidkarte Z N In der Nuklidkarte werden alle Atomarten (Nuklide) nach Protonenund Neutronenzahl geordnet. Aus der Nuklidkarte lassen sich Eigenschaften der Nuklide ablesen, z.B. Stabilität oder radioaktive Zerfallsarten Bildquelle: Karlsruher Nuklidkarte aus Lieser; Einführung in die Kernchemie, 1991 7.1 Nuklidbegriff Atome Die stoffliche Welt um uns herum lässt sich zerlegen in kleine einst als unteilbar geglaubte - Teilchen, die als Atome bezeichnet werden. Nuklide Zur Zeit sind ca. 2500 Atomsorten - sogenannte Nuklide - bekannt, die sich auf 117 verschiedene chemische Elemente verteilen. Davon sind nur 274 Nuklide stabil ! Chemische Elemente Unter einem chemischen Element versteht man einen Stoff, der aus Atomen mit gleichen chemischen Eigenschaften aufgebaut ist. 7 7.1.1 Schreibweisen Massenzahl Ordnungszahl Schreibweise: Neutron Nukleonenzahl Element Ordnungszahl Proton Element 1 1 1 H 1 4 2 4 He 2 12 6 12 C 6 Massenzahl = Nukleonenzahl 7.1.2 Bekannte Nuklide Instabil (radioaktiv) – Zerfall nach verschiedenen Mechanismen • C-14 Radiocarbonmethode • I-131 Radiojodtherapie • Tc-99 Radiologie / Szintigraphie Verschiedene • Cs-137 Reaktorunfall von Tschernobyl Zerfallsarten • U-235 Kernbrennstoff Verschiedene Strahlungsarten • U-238 Kernbrennstoff stabil • C-12 • B-10 • H-2 Verschiedene Zerfallsprodukte Radiocarbonmethode Nukleartechnik (Neutronenabsorber) Nukleartechnik (Neutronenmoderator) 8 7.2 Nuklidkarte Isotope Nuklide weisen die gleiche Ordnungszahl auf und gehören damit zum selben chemischen Element. He He-3 He-4 He-5 He-6 4,002602 0,000137 99,99986 99,99986 806,7 ms σabs < 0,05 σ 0,00005 3β β − 0,02 n β - 3,5 H H-1 H-2 H-3 1,00794 99,985 0,015 12,323 a σ 0,332 σ 0,332 σ 0,00052 β − 0,02 Z n1 10,25 m N β − 0,8 Neutronenüberschuss - instabil 7.2.1 Kohlenstoffisotope C 12,011 C8 C9 C 10 C 11 C 12 C 13 C14 C 15 C 16 126,5 ms β + 3,5.. β p 8,24; 10,92 19,3 s β + 1,9 γ 718; 1022 20,38 m β + 1,0 98,90 1,10 5730 a β - 0,2 No γ σ 0,0034 σ 0,0009 No γ 2,45 s β - 4,5; 9,8 γ 5298 0,747 s ββ n 0,79; 1,72 Neutronenunterschuss - instabil stabil Neutronenüberschuss instabil Bildquelle: Karlsruher Nuklidkarte aus Lieser; Einführung in die Kernchemie, 1991 9 7.2.1 Nuklidkarte FZ Karlsruhe Spaltbare Nuklide Bildquelle: Karlsruher Nuklidkarte aus Lieser; Einführung in die Kernchemie, 1991 7.2.1.1 Nuklidkarte Erläuterungen Karlsruher Nuklidkarte - Farben und Symbole: Zerfallsart Zerfallsprodukt stabile Nuklide Tochternuklid Massezahl Ordnungszahl A Z A = const Z-1 A = const Z-1 Positronzerfall β+ Elektroneneinfang ε Negatronzerfall β- A = const Z+1 Alphazerfall α Α−4 Ζ−2 Spontanspaltung sf (X-ray) variiert Protonzerfall p A-1 Z-1 Isomerenzerfall Iγ A= konstant Z=konstant 10 7.2.2 Nuklidkarte TOICD (1) Bildquelle: Table of Isotopes CD-ROM, R.B. Firestone, Wiley-Intersciences 1996 7.2.2.1 Nuklidkarte TOICD (2) Bildquelle: Table of Isotopes CD-ROM, R.B. Firestone, Wiley-Intersciences 1996 11 7.3 Nuklidgruppen Isotope Nuklide weisen die gleiche Ordnungszahl auf und gehören damit zum selben chemischen Element (Z= konstant) Isobare Nuklide haben jeweils gleiche Nukleonenzahlen (Z = N). Sie finden sich in den Diagonalreihen der Nuklidkarte. Isotone Nuklide haben gleiche Neutronenzahlen (N = konstant). Sie stehen in den senkrechten Reihen der Nuklidkarte. Isomere Nuklide haben zwar gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen (Z= N = konstant), besitzen aber unterschiedliche Energien im Atomkern. 7.4 Zerfallsreihen Zerfallsreihe: Abfolge von radioaktiven Zerfällen Uran-Radium-Reihe: Uran-Actinium-Reihe: Thorium-Reihe: Neptunium-Reihe: Ausgangsnuklid U-238 Ausgangsnuklid U-235 Ausgangsnuklid Th-232 Ausgangsnuklid Np-237 Endnuklid Pb-206 Endnuklid Pb-207 Endnuklid Pb-208 Endnuklid Bi-209 Die 4. Zerfallsreihe kommt in der Natur nicht vor, da das langlebigste Glied 237Np dieser Reihe praktisch vollständig zerfallen ist. 12 7.4.1 Die Uran-Radium-Zerfallsreihe 7.4.2 Die Uran-Actinium-Zerfallsreihe 13 7.4.3 Die Thorium-Zerfallsreihe 7.4.4 Die Plutonium-NeptuniumZerfallsreihe 14 7.5 Wasserstoffisotope 1 1 2 1 3 1 T 8 Radioaktivität Eigenschaft bestimmter Stoffe, sich ohne äußere Einwirkung umzuwandeln und dabei charakteristische Strahlung auszusenden Alpha-Zerfälle Beta-Zerfälle Gamma-Zerfälle Röntgenstrahlung Spontanspaltung Spallation u.a. Aussenden von He2+ - Teilchen Aussenden von e-,e+ aus dem Kern Aussenden von Photonen aus dem Kern Aussenden von Photonen aus inneren Elektronenschalen Spaltung eines Atomkernes Zertrümmerung eines Atomkernes 15 8.1 Aktivität Aktivität = Anzahl der Zerfälle pro Sekunde 1 Becquerel = 1 Zerfall pro Sekunde Symbol : Bq 1 Gramm Radium-226: 37 Milliarden Zerfälle pro Sekunde 37 Milliarden Bq = 1 Curie (Ci) 8.1.1 Statistische Natur des radioaktiven Zerfalls Aktivität A = statistischer Erwartungswert einer radioaktiven Probe für den Quotienten aus Zahl der radioaktiven Umwandlungen dN und Zeitintervall dt A= dN dt Zerfallskinetik = Kinetik 1. Ordnung − dA =λ⋅A dt 16 8.1.2 Der radioaktive Zerfall A ( t ) = A 0 ⋅ e − λ ⋅t A A0 λ t½ τ λ = ln( 2 ) t1 / 2 τ = = Aktivität zur Zeit t = Aktivität am Anfang ( t = t0) = Zerfallskonstante = Halbwertszeit = Lebensdauer = Zerfallszeit bis auf den e-ten Teil der Ausgangsmenge 1 λ A t t½ exponentieller Zerfall Unter Halbwertszeit eines Radionuklids versteht man die Zeit, in der seine Aktivität auf die Hälfte abgeklungen ist 8.1.3 Das Zerfallsgesetz 1,00E+00 − A(t) 5,00E-01 dA =λ⋅A dt A(t ) = A0 ⋅ e t 0,00E+00 0 100 200 300 A(t) 5,00E-01 t1/2 5,00 10,00 t t1 / 2 N (t ) = N 0 ⋅ e − λ ⋅t 400 1,00E+00 0,00E+00 0,00 −ln( 2 ) ⋅ 15,00 A λ A(t) t A0 t½ N(t) N0 = Aktivität = Zerfallskonstante = ln2/t1/2 = Aktivität nach einer Zeit t = vergangene Zeit = Aktivität am Anfang ( t = t0) = Halbwertszeit = Teilchenzahl nach einer Zeit t = Teilchenzahl am Anfang 17 8.1.4 Die Zerfallskonstante λ= 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 ln(2) t1/ 2 Anzahl t1/2 Aktivität RestAktivität 0 1 100 % 1 1/2 50 % 2 ¼ 25 % 3 1/8 12,5 % λ 4 1/16 6,25 % 0,3 5 1/32 3,13 % 6 1/64 1,56 % 7 1/128 0,78 % 8 1/256 0,39 % 9 1/512 0,20 % 10 1/1024 0,1 % A(t) 0,5 1/2 A0 0,9 1/4 A0 0 5 1/8 A0 10 t 15 8.1.6 Spezifische Aktivität • Massenaktivität (Aktivität pro Stoffmengeneinheit) AM = • Bq kg Volumenaktivität (Aktivität pro Volumeneinheit) AV = • dN A N = =λ⋅ A m ⋅ dt m M dN A = V ⋅ dt V Bq m 3 Flächenaktivität Oberflächenkontamination (Aktivität pro Flächeneinheit) AF = dN A = F ⋅ dt F Bq m 2 18 8.1.6.1 Massenaktivität Aktivität Masse Bq kg Cs-134 / Cs-137 Gehalt in Fleisch (BRD 1990) 1,0 0,3 8,0 140 - 820 Bq / kg Bq / kg Bq / kg Bq / kg Rindfleisch, Kalbfleisch Schwein Schaf Reh, Hirsch u.a. Wild 8.1.6.2 Oberflächenkontamination Aktivität Fläche Bq cm2 Grenzwert für die Kontamination einer Oberfläche im Kontrollbereich nach StrlSchV P-32 (β - Strahler): 500 Bq / cm2 19 8.1.6.3 Volumenaktivität Aktivität Volumen Bq cm3 Durchschnittliche Radonbelastung in Innenräumen (D): Bq / m3 50 Spitzenbelastungen (D): >200 Bq / m3 Übung zum J-131- Zerfall Iod-131 hat eine Halbwertszeit von 8 Tagen Wieviel Bq sind nach 16 Tagen messbar, wenn zum Zeitpunkt t0 die Aktivität 100 000 Bq betrug ? ? 20 8.1.7 Die natürliche Aktivität eines Standardmenschen Radionuklid Aktivität in Bq K - 40 4 500 C -14 3 800 Rb - 87 650 Pb - 210, Bi - 210, Po - 210 60 Daughters Rn - 220 30 H-3 25 Be - 7 25 Daughters Rn - 222 15 Sonstige 7 Summe 9 112 (ca. 130 Bq / kg) Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz 8.1.8 Spezifische Aktivität in Nahrungsmitteln Stoff Aktivität in Bq / kg KCl vegetarische Nahrungsmittel Rentierleber (Po-210) Paranüsse (Ra- 226) 15 944 40* 222 132 * Mittelwert Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz 21 8.1.9 Aktivität eines Frühstücks Nahrungsmittel 120 g Mischbrot 25 g Camenbert 25 g Corned Beef (Jugoslawien) 20 g Nuß-Nougat-Creme 125 ml schwarzer Tee (Türkei) Aktivität in Bq 2,0 0,9 1,2 3,2 6,5 Nicht verkehrsfähig ! 100 g Quark 25 g Blaubeeren 0,2 2,4 Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz 8.1.10 Aktivität eines Mittagessens Nahrungsmittel 150 g Wildfleisch (Niedersachsen) 60 g Nudeln, gekocht 200 g Maronen (Niedersachsen) Aktivität in Bq 87,2 0,6 210,6 Nicht verkehrsfähig ! 20 g Pfirsich (Konserve, Griechenland) 10 g Preisselbeermus (Skandinavien) 150 g Vanilleeis 50 g Kirschen 1,0 0,0 3,0 16,7 Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz 22 Übung radioaktiven Zerfall Wieviel ist von den Nukliden nach dem Reaktorunfall am 26. April 1986 heute noch übrig Cs 137 30,17 a β - 0,5; 1,2 m,g σ 0,001 A(t ) = 100 % ⋅ e I 131 8,02 d β - 0,6; 0,8.. γ 364; 637; 284 ; g σ ~ 0,7 A(t ) = 100 % ⋅ e Pu 239 2,411 *104 a α 5,157; 5,144… sf, γ (52…);e-,m σ 268,8; σf 742,5 A(t ) = 100 % ⋅ e − ln 2⋅ 24 ,3 30 ,17 − ln 2⋅ 8860 8 , 02 − ln 2⋅ 24 , 3 24110 = 57,253 % ? = 0,000 % = 99,930% 26.04.1986 29.07.2010 8860 d = 24,3 a Schreckliche Übung zum Zusammenhang zwischen Aktivität Halbwertszeit Teilchenzahl Stoffmenge Masse am Beispiel vom Co-60 bzw. Co-60m 23 Aufgabe Co-60 hat eine Halbwertszeit von 5,272 Jahren. Eine Kobaltquelle hat eine Aktivität von 1 GBq. (1) Wieviel Co-60 Atome , (2) wieviel mol Co-60 (3) wieviel g Co-60 entspricht das ? Lösung (1) Anzahl der Atome N: A= λ⋅N A A ⋅ t1/ 2 N= = λ ln(2) 1 ⋅109 [ s −1 ] ⋅ 5,272 [a] ⋅ 365 [d ] ⋅ 24 [h] ⋅ 3600 [ s ] N= 1 [a] ⋅1 [d ] ⋅1 [h] ⋅ ln (2) N = 2,40 ⋅1017 Atome ! 24 Lösung (2) Anzahl der Mole n: n= N 2,40 ⋅1017 = N A 6,023 ⋅10 23 [mol −1 ] = 3,98 ⋅10 −7 [mol ] ! Lösung (3) Masse m: m = n ⋅ M = 3,98 ⋅10 −7 [mol ] ⋅ 60 [ g ] mol = 2,38 ⋅10 −5 [ g ] = 23,8 [µg ] ! 25 Fazit Je kürzer die Halbwertszeit, desto weniger Masse (Mol, Atome) sind mit der Aktivität verknüpft. Nehmen wir als Vergleich das metastabile Co-60m: mit nur 10,5 min Halbwertszeit erhalten wir: N= n= A λ = A ⋅ t1/ 2 1 ⋅109 [ s −1 ] ⋅10,5[ min] ⋅ 60[ s ] = = 9,09 ⋅1011 Atome ln(2) 1[min] ⋅ ln(2) N 9,09 ⋅1011 = = 1,5 ⋅10 −12 [ mol ] N A 6,023 ⋅10 23[mol −1 ] m = n ⋅ M = 1,5 ⋅10 −12 [ mol ] ⋅ 60 [ ! g ] = 9,05 ⋅10 −11[ g ] = 90,5 [ pg ] mol 8.2 Strahlung–Materie Wechselwirkung „Ionisationsbremsung“ Zwischen Strahlung und Materie bestehen Wechselwirkungen Strahlung erfährt Absorption Schwächung Streuung Stossprozesse Materie erfährt Anregung Ionisation Kernreaktionen Die Wechselwirkung ist abhängig von Strahlenart und -energie 26 8.2.1 Ionisierende Strahlung Strahlung aus dem Zerfall von Radionukliden Strahlung, die Materie ionisiert direkt ionisierende Strahlung geladene Teilchen indirekt ionisierende Strahlung ungeladene Teilchen (Photonen, Neutronen) 8.2.2 Ionisationsvermögen Teilchen n P α β Neutronen Protonen He2+ -Teilchen Elektronen, Positronen Elektromagnetische Wellen γ/X Gamma, Röntgen indirekt ionisierend direkt ionisierend indirekt ionisierend 27 8.2.6 Čzerenkov - Strahlung Čerenkov-Strahlung tritt immer dann auf, wenn geladene Teilchen sich im Medium schneller ausbreiten können als Lichtteilchen (Photonen) in diesem Medium. 8.3 Strahlungsenergie 1 J = 1 Nm = 1 Ws 1 eV ist die Energie, die ein Elektron aufnimmt, wenn es beim freien Durchlaufen einer Spannung von 1 V beschleunigt wird 1 eV = 1,602 •10-19 J 28 8.3.1 Energieeinheiten Energieeinheiten J eV kWh cal erg kg u Joule 1 J = 1 N.m Elektronenvolt Kilowattstunde 1 W = 1 kg.m2/s3 = 1 J/s Kalorie Energieeinheit Kilogramm atomare Masseneinheit 8.3.2 Umrechnungsfaktoren J MeV kWh cal erg kg 1J 1 6,250E+12 2,778E-07 2,389E-01 1,000E+07 1,113E-17 1 MeV 1,600E-13 1 4,450E-20 3,827E-14 1,602E-06 1,783E-30 1 kWh 3,600E+06 2,247E+19 1 8,600E+05 3,600E+13 4,007E-11 1 cal 4,186E+00 2,613E+13 1,163E-06 1 4,168E+07 4,660E-17 1 erg 1,000E-07 6,242E+05 2,778E-14 2,389E-08 1 1,113E-24 1 kg 8,985E+16 5,610E+29 2,497E+10 2,146E+16 8,987E+23 1 1u 1,492E-10 9,320E+02 4,146E-17 3,546E-11 1,492E-03 1,661E-27 Quelle: Halliday, Resnik, Walker - Physik, Wiley-VCH Verlag 29 8.4.1 Strahlendosis: Energiedosis Energiedosis D = absorbierte Energie Definition: Energiemenge, die durch die Strahlung auf eine Masseneinheit 1J übertragen 1 Gray = wird kg Symbol: Gy Alte Einheit: rad (1 Gy = 100 rad) 8.4.2 Strahlendosis: Personendosis Äquivalentdosis H = Zellschädigung durch absorbierte Energie H = D ⋅Q Definition: Sievert Energiemenge, die auf einen Menschen übertragen wird, abhängig von der Strahlenart Symbol: Sv Alte Einheit: rem (1 Sv=100 rem) H = Personendosis D = Energiedosis Q = Qualitätsfaktoren für Strahlungs- und Gewebeart 30 8.4.3 Dosisleistung Unter der Dosisleistung DL versteht man die mit der Zeit aufgenommene (Strahlen)dosis DL = dD • =D dt DL = • dH =H dt DL = Dosisleistung D = Energiedosis H = Äquivalentdosis t = Zeit 8.4.4 Das Abstandsgesetz Dosisleistung einer punktförmigen γ-Strahlungsquelle dH A H& = = ΓH ⋅ 2 dt r dH/dt ΓH A r Nuklid ΓH Co-60 Cs-137 I-131 351 88 59 µSv ⋅ m 2 GBq ⋅ h = Gammadosisleistung = Gammadosisleistungskonstante (tabelliert) = Aktivität = Abstand zur Strahlungsquelle 31 Dosisleistung eines Cs-137 Strahlers Beispiel Cs-137 A = 1 GBq r = 10 m Dosisleistung = ? ? 8.5 Zerfallsarten Zerfallsart α β− β+ γ – Zerfall – Zerfall – Zerfall – Zerfall Tochternuklid Massenzahl Ordnungszahl M–4 Z-2 M Z+1 M Z-1 M Z 32 8.5.7 Röntgen - Strahlung Entsteht durch innere Elektronenübergänge (nicht im Atomkern !) 8.5.8 Zerfall durch Spontanspaltung Kerne mit M ≥ 232 können durch Einwirkung kosmischer Neutronen spontan zerfallen 2 Tochterkerne mit Massenverhältnis 1,4 oder mehrere Bruchstücke (=Spallation) Freisetzung von Neutronen 33 8.6.1 Beispiele für Zerfälle Radionuklid Häufigkeit Zerfallsart Halbwertzeit t1/2 Tritium Ra - 226 I - 131 Cs - 134 0,00013 % βα/γ β- / γ β/γ U - 235 U - 238 0,720 % 99,28 % 12,346 1,6 . 103 8,04 2,06 2,09 7,030 . 108 4,468 . 109 α, γ, sf * α, γ, sf a a d a h a a * sf bedeutet spontaneous fission = Spontanspaltung Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz 8.7 Strahlenschutz Aufenthalt Abstand Abschirmen 34 8.8 Strahlenbelastungen Mean Effective Dose Rate [mSv/a] kosmische Strahlung terrestrische Strahlung natürliche Inkorporationen totale natürliche Strahlenbelastung medizinische Anwendungen Industrieaktivitäten Tschernobyl Kernwaffentests Flüge Arbeitsumgebung fossile Energieerzeugung nukleare Energieerzeugung Industrieprodukte totale zivilisatorische Strahlenbelastung Summe 0,3 0,4 1,4 2,1 2 0,01 0,01 0,005 0,005 0,002 0,002 0,001 0,001 2,036 4,136 Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz 8.8.1 Terrestrische Strahlung Gebiet Deutschland Kerala, Tamil, Nadu (Indien) Espirito Santo (Brasilien) Ramsar (Iran) Jahresmittelwert Jahresmaximalwerte [mSv/a] 0,4 [mSv/a] 5 4 55 6 6 175 860 Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz 35 Dosisleistung [mSv/a] 0,5 1,0 1,5 2 8.8.2 Kosmische Strahlung 1 2 3 4 5 Höhe über Meeresspiegel [km] Hamburg München Zugspitze Großglockner Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz 8.8.3 Natürliche Strahlenexposition Effektive Dosisleistung [mSv/a] extern intern total kosmisch 1000 m ü.d.M 0 m ü.d.M Radionuklide 0,4 0,27 0,02 0,4 0,27 0,02 0,35 0,006 1,29 0,22 1,89 terrestrisch K-40 Rb-87 U-nat Th-nat 0,12 0,14 0,17 0,006 1,17 0,08 Σ 0,71 1,45 0,18 Total 2,16 Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz 36 8.8.4 Beispiele für Äquivalentdosen 7000 4000 1000 250 200 0,01 20 6 0,3 2,0 mSv mSv mSv mSv mSv/a mSv mSv/a mSv/a mSv/a mSv/a 2,1 mSv/a <3 mSv/a Strahlentod LD100 Schwere Strahlenkrankheit LD50 "Strahlenkater„ Schwellendosis (erste klinische Effekte) Maximale natürliche Strahlenbelastung (Brasilien, Monazit) 3 h Flug 10 km Höhe Grenzwert für berufliche Strahlenbelastung (Kategorie A) Grenzwert für berufliche Strahlenbelastung (Kategorie B) Grenzwert für Belastung aus kerntechnischen Anlagen Mittlere Strahlenbelastung durch medizinische Anwendungen Mittlere natürliche Strahlenbelastung D Zusätzliche natürliche Strahlendosis (Beton-, Granitbauten) Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz 8.8.5 Strahlenbelastung beim Fliegen Effektive Dosis durch Höhenstrahlung auf ausgewählten Flugrouten Abflug Ankunft Dosisbereich* [µSv] Frankfurt Frankfurt Frankfurt Frankfurt Frankfurt Frankfurt Frankfurt Gran Canaria Johannesburg New York Rio de Janeiro Rom San Francisco Singapur 10 - 18 18 - 30 32 - 75 17 - 28 3-6 45 - 110 28 - 50 * Die Schwankungsbreite geht hauptsächlich auf die Einflüsse von Sonnenzyklus und Flughöhe zurück. Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz 37 8.8.6 Strahlenbelastung bei der Raumfahrt Flug Erdumkreisung Erdumkreisung Mondumkreisung Mondlandung Mondlandung APOLLO VII SALJUT 6 / IV APOLLO XI APOLLO XI APOLLO XIV Flugdauer [h] Dosis [mSv] 260 4 200 147 195 209 3,6 55 5,7 6 15 Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz 9 Kernphysik H-2 + He-3 He-4 + p + 18,35 MeV Energieerzeugung durch Kernfusion (fusion) n + U-235 Cs-137 + Rb-96 + 3n + 210 MeV Energieerzeugung durch Kernspaltung (fission) Bildquelle: Forschungszentrum Karlsruhe 38 9.1 Nukleonenmassen Nukleon Masse [g] Relative Ladung Spin t1/2 Atommasse Betazerfall [u] Proton 1,672 x 10-24 Neutron 1,674 x 10-24 1,00728 1,00867 +e 0 ½ ½ stabil 12 min 1 u = 1,660 x 10-24 g = 931,5 MeV 9.2 Massendefekt Als Massendefekt bezeichnet man die Differenz zwischen den Ruhemassen gebundener Nukleonen und den Ruhemassen ungebundener Nukleonen. Der Massendefekt ist ein Maß für die Kernbindungsenergie. Massendefekt eines Alphateilchens: ∆m = malpha ∆m = 4,00151 = 0,0307u ≅ 28 MeV - (2 x mproton + 2 x mneutron) - (2 x 1,00782 + 2 x 1,00866) 39 9.3 Kernbindungsenergien Mittlere Kernbindungsenergie pro Nukleon Massenzahl 9.4 Kernfusion Unsere Sonne wandelt in 1 s ca. 600 Millionen Tonnen Wasserstoff in 596 Millionen Tonnen He um 4 Millionen Tonnen Materie werden in Energie umgewandelt ! 40 9.4.1 Fusionstemperaturen 9.7 Kernspaltung Kernspaltung + 2,3 n 41 9.7.1 Nukleare Kettenreaktion 9.7.2 Spaltproduktausbeute Ausbeute bei Spaltung von U-235 Massenzahl 42 10.10 Actinidenelemente http://www.kernenergie-wissen.de/transmutation.html jährlich von einem typischen Druckwasserreaktor bei 3.0 GW produziert Nuklide kg/Jahr Halbwertszeit/in Jahren Pu-238 4.52 88 Pu-239 166 2.4 x 104 Pu-240 76.7 6.6 x 103 Pu-241 25.4 14.4 Pu-242 15.5 3.8 x 105 Np-237 14.5 2.1 x 106 Am-241 16.6 432 Am-242m 0.022 141 Am-243 2.99 7.4 x 103 Cm-243 0.011 28.5 Cm-244 0.58 18.1 ber. nach 10 a Lagerung u. typischen Abbrand von 33'000 MWtagen per Tonne Uran 10.11 Transmutation Umwandlung von langlebigen Radionukliden in kurzlebige Np-237, Pu-238, Pu-239, Pu-240, Am-241, Am-243, Cm-243, Cm-244 in abgebrannten Brennelementen erfordern den Nachweis der Sicherheit der Lagerung über sehr lange Zeiträume • • • • die Anregung des Nuklids mit anschließenden Betazerfällen (Umwandlung von Neutronen in Protonen oder umgekehrt) die Anregung des Nuklids mit anschließendem Abdampfen von Neutronen, Protonen, Alpha-Teilchen usw. die Spaltung des Nuklids in zwei oder drei große Tochternuklide die Zertrümmerung des Nuklids (Spallation) in viele kleine Nuklide 43 11 Radioaktive Abfälle • • • • • • Entstehung Klassifizierung nach Aktivität Klassifizierung nach Wärmeentwicklung Zwischenlagerung Endlagerung Wiederaufbereitung von Kernbrennstoff www.kernenergie.de 11.1 Entstehung Nukleare Prozesse • Aktivierung • Spaltprodukte Medizin, Forschung, Industrie • Prüfstrahler • Kontaminierte Gegenstände Uranbergbau Militär 44 11.2 Klassifizierung nach Bq • • • schwachaktiv (LAW: low active waste) < 1010 Bq/m3 mittelaktiv (MAW: medium active waste) 1010 Bq/m3 - 1014 Bq/m3 hochaktiv (HAW: high active waste) > 1014 Bq/m3 90 % 270 000 m3 10 % 24 000 m3 www.kernenergie.de 11.3 Klassifizierung nach Wärmeentwicklung Abfälle mit nicht vernachlässigbarer Wärmeentwicklung > 3 Kelvin Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung < 3 Kelvin 31.12.2005 waren insgesamt ca. 117.350 m³ radioaktive Reststoffe mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung und ca. 1.850 m³ wärmeentwickelnde radioaktive Reststoffe vorhanden. In dem o. g. Bestand am 31.12.2005 an wärmeentwickelnden Abfällen sind außer den ausgedienten Brennelementkugeln des ThoriumHochtemperaturreaktors (THTR) keine abgebrannten Brennelemente aus Leistungsreaktoren enthalten. Die THTRBrennelementkugeln wurden vom Betreiber als Abfall deklariert und erscheinen deshalb in der Abfallstatistik. www.kernenergie.de 45 11.4 Zwischenlager Zur Zeit werden abgebrannte Brennelemente entweder in die beiden zentralen Zwischenlager nach Ahaus (Nordrhein-Westfalen) und Gorleben (Niedersachsen) oder zur Wiederaufarbeitung in ausländische Anlagen transportiert. Um diese Transporte zu minimieren, soll nun auf Wunsch der Bundesregierung zusätzlich die Möglichkeit geschaffen werden, abgebrannte Brennelemente am Kraftwerksstandort zwischen zu lagern. Hierzu sollen Standortzwischenlager errichtet werden, die die Brennelemente bis zu ihrer Einlagerung im Endlager in 30 bis 40 Jahren aufnehmen können. Von den Betreibern der Kernkraftwerke wurden beim Bundesamt für Strahlenschutz Genehmigungsanträge zur Errichtung von Standortzwischenlagern gestellt. Für die Zwischenlagerung werden die Brennelemente in spezielle Transport/Lager-Behälter (Castor®-Behälter) verpackt, die sowohl zum Transport vom Kernkraftwerk zum Zwischenlager als auch als Lagerbehälter dienen. Die 40 cm starke Wandung schirmt die Strahlung ab, an der Außenseite des Behälters angebrachte Kühlrippen gewährleisten eine sichere Wärmeabgabe der durch den Zerfall der Spaltprodukte entstehenden Wärme an die Umgebungsluft. www.kernenergie.de 11.5 Endlager Wartungsfreie, zeitlich unbefristete und sichere Beseitigung von radioaktivem Abfall ohne beabsichtigte Rückholbarkeit. In Deutschland wird die Lagerung radioaktiver Abfälle in tiefen geologischen Formationen als die beste Lösung angesehen. Folgende Endlager sind genehmigt, werden untersucht oder waren in Betrieb: Schachtanlage Konrad Salzstock Gorleben Salzbergwerk Asse Morsleben (ERAM) www.kernenergie.de 46 11.5.1 Schachtanlage Konrad Die am 5. Juni 2002 für die Schachtanlage Konrad erteilte Genehmigung zur Endlagerung von radioaktiven Abfällen (ca. 300.000 Kubikmeter), die eine vernachlässigbare thermische Einwirkung auf das umgebende Gestein haben, ist mit der am 03.04.2007 erfolgten Beschlussfassung des Bundesverwaltungsgerichts in Leipzig rechtskräftig. Jetzt kann das bisherige Bergwerk zu einem Endlager umgerüstet und schwach- bzw. mittelradioaktive Abfälle ab ca. 2012 sicher endgelagert werden. 11.5.2 Salzstock Gorleben Der Salzstock Gorleben wird seit 1979 auf seine Eignung für die Endlagerung aller Arten fester radioaktiver Abfälle untersucht, also auch für die Endlagerung wärmeentwickelnder Abfälle. Eine endgültige Eignungsaussage für den Salzstock Gorleben wird erst nach der untertägigen Erkundung möglich sein. Die Bewertung aller bisherigen Erkundungsergebnisse bestätigt seine Eignungshöffigkeit. Dennoch hat der Bund die weitere Erkundung seit Ende 2000 zur Klärung standortunabhängiger Endlagerfragen unterbrochen. www.kernenergie.de 47 11.5.3 Salzbergwerk Asse Im stillgelegten ehemaligen Salzbergwerk Asse bei Wolfenbüttel wurden Verfahren und Techniken zur Endlagerung radioaktiver Abfälle entwickelt und erprobt und bis 1978 schwachund mittelaktive Abfälle eingelagert. Die Schachtanlage Asse soll 2013 vollständig und sicher verschlossen sein. www.kernenergie.de 11.5.4 Morsleben (ERAM) Das Endlager für radioaktive Abfälle Morsleben (ERAM) war bis 1998 das einzige in Betrieb befindliche Endlager für schwachund mittelradioaktive Abfälle in Deutschland. Danach wurde die Einlagerung eingestellt. Bis 1998 waren 36.752 m3 radioaktive Abfälle eingelagert worden. Nach Entscheidung der Bundesregierung wird die Endlagerung nicht wieder aufgenommen. Derzeit wird die Stilllegung des Endlagers vorbereitet, ein entsprechendes Planfeststellungsverfahren ist eingeleitet. www.kernenergie.de 48 11.6 Wiederaufbereitung Anwendung chemischer Verfahren, um aus dem Kernbrennstoff nach seiner Nutzung im Reaktor (abgebrannter Kernbrennstoff) die Wertstoffe - das noch vorhandene Uran und den neu entstandenen Spaltstoff Plutonium - von den Spaltprodukten, den radioaktiven Abfällen, zu trennen. Großtechnisch mehrjährig erprobt ist zur Wiederaufarbeitung das PUREX-Verfahren. Ein abgebranntes Brennelement hat - wenn man vom Strukturmaterial absieht folgende Zusammensetzung: ca. 96% Uran, 3% Spaltprodukte (Abfall), 1% Plutonium und geringe Anteile von Transuran-Elementen. Das zurückgewonnene Uran und das Plutonium können nach entsprechender chemischer Bearbeitung wieder als Brennstoff in einem Kernkraftwerk eingesetzt werden. Die in einer Wiederaufarbeitungsanlage mit einem Jahresdurchsatz von 350 t jährlich zurückgewinnbaren Kernbrennstoffe entsprechen bei Einsatz in den heute üblichen Leichtwasserreaktoren der Energiemenge von ca. 10 Mio. t Steinkohle. Durch den Wiederaufarbeitungsprozeß wird der hochaktive Abfall (Spaltprodukte) abgetrennt und durch Verglasung in eine Form gebracht, die eine sichere Endlagerung gewährleistet. www.kernenergie.de 12.1 Atomphysiker Hans Bethe Niels Bohr John Chadwick Marie Curie Pierre Curie Paul Dirac Albert Einstein Otto Hahn Liese Meitner Max Planck Robert Oppenheimer Ernest Rutherford Snyder Arnold Sommerfeld Fritz Straßner Carl Friedrich von Weizäcker 49 12.2 Historisches... ...manchmal musste ich einen ganzen Tag lang eine siedende Masse mit einer Eisenstange umrühren, die fast ebenso groß war wie ich. Abends war ich zum umfallen müde...In das Laboratorium kamen nur sehr wenige Leute: der eine oder der andere Physiker oder Chemiker besuchte uns von Zeit zu Zeit, entweder um unsere Experimente zu sehen, oder um Pierre Curie...um einen Rat zu bitten. Dann gab es vor der schwarzen Tafel jene Gespräche, an die man so gerne zurückdenkt, weil sie auf das wissenschaftliche Interesse und die Arbeitsintensität stimulierend wirken... Marie Curie um 1900 Übungsfragen 1 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. Wo in der Nuklidkarte findet man die stabilen Nuklide ? Nennen Sie die drei Isotope des Wasserstoffs ? Besitzen die Isotope des Wasserstoff unterschiedliche physikalische Eigenschaften? Warum ? Besitzen die Isotope des Kohlenstoff unterschiedliche chemische Eigenschaften ? Warum ? Wie ist das Anti-Photon beschaffen Wie ist das Anti-Wasserstoff-Atom aufgebaut ? Was versteht man unter isomeren Nukliden ? Was versteht man unter Radioaktivität, was ist in diesem Zusammenhang Aktivität ? Welche physikalische Einheit hat die Aktivität ? Was versteht man unter einer nuklearen Kettenreaktion ? Was ist Alpha-Strahlung ? Woher kommen die Elektronen bei Beta-Strahlung ? Was ist die physikalische Dimension für den radioaktiven Zerfall ? Was für Strahlendosen kennen Sie? 50 Übungsfragen 2 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. Wie ist die Einheit für die Äquivalentdosis definiert ? Wie ist die Einheit für die Energiedosis definiert ? In welchen Einheiten kann man Strahlungsenergie angeben ? Was versteht man unter Dosisleistung Wie groß ist die Dosisleistung in 2 m Abstand eines punktförmigen Cs-137 Strahlers, der eine Aktivität von 20 000 Ci aufweist ? Was ist die mittle Jahresdosis in Deutschland ? Wie hoch ist die tödliche Dosis ? Wie groß ist die Aktivität eines Standardmenschen ? Was versteht man unter dem Massendefekt ? Welche 4 fundamentalen Kräfte kennen Sie (Erläuterungen) ? Was ist Kernfusion, bei welchen Nukliden kann man damit Energie gewinnen ? Was ist Kernspaltung, bei welchen Nukliden kann man damit Energie gewinnen ? Was sagt die „Kamelhöckerkurve“ aus ? Übungsfragen 3 64. 65. 66. 67. 68. 69. 70. 71. 72. 73. 74. 75. Wie dick muss eine Bleischicht sein um einen Co-60 Strahler mit einer Dosisleistung von1 Sv/h auf 1 mSv/h abzuschirmen ? Was versteht man unter dem Aufbaufaktor ? Was versteht man unter dem Kerma ? Warum wird Gammastrahlung durch Blei besser abgeschirmt als durch Eisen ? Was versteht man unter Oberflächenkontamination ? Was versteht man unter einer Äquivalentdosis Welche operativen Dosisgrössen kennen Sie Was ist die ICRU Kugel, wozu dient sie ? Welche Einheit hat der Neutronendosiskonversionsfaktor ? Welche Neutronen sind gefährlicher, langsame oder schnelle ? Was versteht man unter dem Ansprechvermögen eines Strahlungsdetektors ? Welche Gefahren birgt das Edelgas Radon ? 51 Literatur 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Dobrinski - Krakau – Vogel; Physik für Ingenieure Haliday – Resnick - Walker; Physik; Viley VCH 2001, ISBN 3-527-40366-3 De Pree; Physics made simple; Broadway Books; 2004, ISBN 0-7679-1701-4 Browne; Physics for Engineering and Science; McGraw Hill, 1998, ISBN 0-07-008498X B. Bröcker; DTV-Atlas zur Atomphysik; DTV-Verlag, 1993 Volkmer – Kernenergie Basiswissen; Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz Koelzer, Lexikon der Kernenergie Krieger, H. Grundlagen der Strahlungsphysik; Vieweg + Teubner Verlag 2009 D. Emmendörfer; Theorie der Kernreaktoren; BI-Wissenschaftsverlag, 1982 Lederer / Wildberg; Reaktorhandbuch: Hanser Fachbuch; Auflage: 2., (1992) R.B. Firestone; CD: Table of Isotopes; Wiley-Interscience, 1996 S. Hawking; CD: Eine kurze Geschichte der Zeit; Navigo, 1997 B. Bröcker; DTV-Atlas zur Atomphysik; DTV Verlag 1993 P.M. Magazin 12 / 94 atw - Internationale Zeitschrift für Kernenergie 2/96 Bild der Wissenschaft 11 / 1996 Pause 52 Ende @ CURS Information Server designed by S. Prys 2010 ;-) 53
