Sabine Baresch 2004/05
Werbung
file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html DIE KERNSPALTUNG UND IHRE ANWENDUNGEN Spezialgebiet Physik Sabine Baresch 2004/05 Übersicht 1. Die Welt der Atome 2. Die Radioaktivität 3. Der Vorgang der Kernspaltung 3.a. Der Massendefekt 3.b. Die Bindungsenergie der Atomkerne als Ursache des Massendefekts 3.c. Grundsätzliche Möglichkeiten zur Gewinnung der Atomenergie 1. Energiegewinnung durch Kernspaltung 4.a. Die Kettenreaktion 4.b. Der Kernspaltungsreaktor 1. Die Atombombe und ihre Auswirkungen 5.a. Ablauf einer Explosion 5.b. Auswirkungen von Atomexplosionen Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! 1. Die Welt der Atome Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist die Kernladungszahl oder auch Ordnungszahl (Stellung des Elements im PSE), die Summer der Protonen und Neutronen (= Nukleonen) die Massenzahl. Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen werden dem gleichen chemischen Element zugeordnet. Atome mit der gleichen Protonenzahl aber unterschiedlichen Neutronenzahl nennt man Isotope, sie file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (1 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html gehören dem gleichen chemischen Element an. Vom Wasserstoff gibt es insgesamt drei Isotope. Gewöhnlicher Wasserstoff hat 1 Proton im Kern, Deuterium 1 Proton und ein Neutron und Tritium 1 Proton und 2 Neutronen. Bei Tritium tritt ein Ungleichgewicht zwischen Protonen und Neutronen ein, somit ist es instabil und zerfällt. Das Teilchen, das bei diesem Zerfall entsendet wird ist als radioaktiv bezeichnet und wirkt ionisierend (es hat eine Ladung). Uran kommt in der Natur z.B. mit 234, 235 und 238 Nukleonen vor, wobei alle Urankerne besitzen 92 Protonen. Man bezeichnet die Isotope des Uran als U-234, U-235 und U-238. Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! 2. Die Radioaktivität (von lat. „radiare“ – strahlen) In der Kernphysik unterscheidet man Atomsorten nach der Zahl der Protonen und Neutronen, da diese eine unterschiedliche Radioaktivität aufweisen. Unter dem Begriff Radioaktivität versteht man Atomkerne, die zerfallen, weil sie instabil sind. Die freiwerdende Energie wird in Form energiereicher Teilchen und/oder ionisierender Strahlung abgegeben. Alle Atomkerne, die eine höhere Nukleonenzahl als 210 haben sind instabil. Ein Atomkern ist dann stabil und kann nicht weiter von sich aus zerfallen, wenn es keinen radioaktiven Zerfall gibt, der zu einem energetisch niedrigeren Zustand führt. Beim Wasserstoff ist dieser Zustand das einzelne Proton als Atomkern, bei Helium und Elementen darüber müssen mindestens gleich viele Neutronen wie Protonen den Kern bilden, und bei schwereren Kernen überwiegt immer mehr der Neutronenüberschuss. Ab einer gewissen Zahl von Nukleonen werden alle Atomkerne instabil, weil die Kernkräfte sie nicht zusammen halten können. Die physikalische Halbwertszeit ist in der Kernphysik diejenige Zeitspanne, die statistisch gesehen verstreicht, bis die Menge eines bestimmten radioaktiven Isotops auf die Hälfte gesunken ist, das heißt sich in andere Atome umgewandelt hat. Für jedes Isotop ist die Halbwertszeit eine Konstante. Die Anzahl der verbleibenden Kerne zu einer bestimmten Zeit ist durch das Zerfallsgesetz gegeben. Halbwertszeiten einiger radioaktive Isotope: Uran (238U): 4,5. Mrd. Jahre Kohlenstoff (14C): 5730 Jahre Radium (236Ra): 1622 Jahre Thorium (223Th): 0,9 Sekunden Die Stärke der Radioaktivität wird durch den physikalischen Begriff der „Aktivität” beschrieben. Dies ist die Anzahl von Atomkernen, welche pro Sekunde zerfällt. Die Einheit ist das Becquerel (bq), benannt nach dem Entdecker der Radioaktivität. Wir unterscheiden drei Arten von radioaktivem Zerfall: ● der Alpha-Zerfall (α−Zerfall): file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (2 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html Ist der Atomkern sehr schwer, enthält also viele Protonen und Neutronen, kommt es zum Alphazerfall. Die starke Wechselwirkung kann den Mutterkern dann nicht mehr zusammen halten. Die freiwerdende Energie wird in Form von Heliumkernen emittiert (ausgesandt). Der Restkern, auch Rückstoßkern oder Tochterkern genannt, verringert bei diesem Vorgang seine Nukleonenzahl um vier und die Kernladungszahl um zwei. Die Strahlung hat in Luft eine Reichweite von wenigen Zentimetern, besitzt aber eine extrem schädliche biologische Wirkung. Beispiel: Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! ● der Beta-Zerfall (β-Zerfall): Wenn ein ungünstiges Verhältnis von Neutronen zu Protonen besteht, tritt normalerweise Betazerfall ein. Dabei wird beim â - -Zerfall im Kern ein Neutron in ein Proton umgewandelt und ein hochenergetisches Elektron sowie ein Elektron-Antineutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl erhöht sich um eins. Beispiel: Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! Beim â + -Zerfall wird im Kern ein Proton in ein Neutron und ein hochenergetisches Positron umgewandelt und ein Elektron-Neutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl verringert sich um eins. Beispiel: Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! Durch einige Meter Luft oder eine dünne Metallschicht lässt sich die Beta-Strahlung abschirmen. Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (3 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html ● der Gammazerfall (χ−Zerfall): Ein Gammazerfall erfolgt dann, wenn zuvor ein Alpha- oder Betazerfall statt gefunden hat und der Atomkern in energetisch angeregten Zustand vorliegt. (Strenggenommen ist der Begriff "Zerfall" hier falsch, da der Kern nicht zerfällt.) Beim Gammazerfall werden hochenergetische elektromagnetische Wellen aus dem Atomkern emittiert. Diese Wellen sind Photonen, die eine viel höhere Frequenz und kürzere Wellenlänge als Licht haben. Je nach Energie kann die ã-Strahlung dicke Bleiplatten durchdringen. Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! 3. Der Vorgang der Kernspaltung Im Jahre 1938 entdeckten Otto Hahn und Fritz Strassmann, dass beim Beschuss des Uranisotops U235 mit langsamen Neutronen eine Spaltung des Urankernes in Kerne mittlerer Massenzahlen eintritt. Die Zertrümmerung des Urankerns kann dabei auf sehr verschiedene Weise erfolgen. Das war etwas grundsätzliche Neues: Während bis dahin alle Kernreaktionen vom Kern ein Teilchen aufgenommen und ein oder mehrere Teilchen ausgeschleudert wurden, war hier erstmals eine Kernspaltung erzielt worden. Unter Kernspaltung versteht man die Zerlegung eines schweren Atomkerns in zwei mittelschwere Kerne und zwei oder drei Neutronen. Zur Kernspaltung ist die Zufuhr einer gewissen Energie, der Aktivierungsenergie, erforderlich, die für die einzelnen Kernarten verschieden groß ist. Sie kann durch Beschuss mit Neutronen, Protonen, Deuteronen, Alphateilchen oder Gammaquanten zugeführt werden. Als besonders geeignet haben sich Neutronen erwiesen, weil sie durch die Coulombschen Kräfte des Atomkernes nicht abgestoßen werden und deshalb leichter in den Kern eindringen können, als Geschosse mit positiver Ladung. Betrachten wir den Kern U-235 als einen kugelförmigen Tropfen, so ist es diejenige Gestalt, die die kleinstmögliche Oberflächenenergie hat. Um ihn in die Länge zu ziehen oder gar in zwei Hälften zu teilen, muss Arbeit aufgewandt werden, weil dies auf eine Vergrößerung seiner Oberfläche hinausläuft. Ein in den Kern eindringendes Neutron bringt nun so viel Energie mit, dass sich dieser verformt und wie eine elastische Masse Deformationsschwingungen ausführt. Dabei nimmt der Zwischenkern 236 U vorübergehend eine hantelförmige Gestalt an. Weil aber der Kern als Ganzes positiv geladen ist, entstehen dadurch zwei getrennte Ladungsschwerpunkte, die sich wegen ihrer gleichnamigen Ladung gegenseitig abstoßen. Der Kern schnürt sich ein, zerreißt in zwei Teile, und die z.B. neugebildeten Ba-143- und Kr-90-Kerne fliegen unter Abgabe von drei Neutronen auseinander. Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! Bei einer Kernreaktion werden enorme Mengen an Energie frei. Bei der Spaltung eines U-235-Kern sind es circa 200MeV. Die Ursache dafür ist ein Massendefekt von ca. 0,1%. file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (4 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! 3. a. Der Massendefekt Die Masse aller Atomkerne ist kleiner als die Massensumme ihrer Elementarteilchen. Die Differenz wird als Massendefekt bezeichnet. Der bei gleichmäßiger Aufteilung auf einen Kernbaustein entfallende Massendefekt ist bei den Atomen mittlerer Ordnungszahl am größten. Das Heliumisotop 42He enthält z.B. alle Elementarteilchen des Wasserstoffisotops 21H (=21D) in doppelter Anzahl und sollte daher dessen doppelte Masse aufweisen. Tatsächlich gilt aber: Masse des 21H-Atoms .......... 2,014 u * dessen doppelte Masse ...... 4, 028 u ist größer als die Masse des 42He-Atoms ......... 4,003 u. Differenz ....................... 0,025 u * Als Masseneinheit wird in der Atomphysik 1/12 der Masse des Kohlenstoffatoms 12C verwendet. Sie heißt atomare Masseneinheit (1 u). Das Heliumatom weist als gegenüber den zwei Deuteriumatomen, aus denen wir es uns zusammengesetzt denken können, eine zu geringe Masse, einen sogenannten Massendefekt auf. Um das festzustellen, muss man die Masse des Neutrons gar nicht kennen. Nun sind die Massen der Elementarteilchen, aus denen die Atome bestehen, durchwegs mit großer Genauigkeit bekannt. Derzeit werden folgende Werte als sicher angesehen: Masse des Elektrons me = 0,0005486 u = 9,1096 . 10-31 kg Masse des Protons mp = 1,007277 u = 1,6726 . 10-27 kg Masse des Neutrons mn = 1, 00867 u = 1,6749 . 10-27 kg Mit Hilfe dieser Zahlenwerte kann man ausrechnen, welche Massensumme die Bausteine jedes Isotops ergeben, und sie mit der tatsächlichen Masse des betreffenden Atoms vergleichen. Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! 3.b. Die Bindungsenergie der Atomkerne als Ursache des Massendefekts: Der Massendefekt stellt scheinbar eine Verletzung des klassischen Gesetzes von der Erhaltung der Masse dar, die sich aber mit dem Gesetz der Äquivalenz von Masse und Energie E = mc² von Albert Einstein erklären lässt. Die Atomkerne erweisen sich als außerordentlich starke Gebilde. Weder durch die intensiven Stöße bei hoher Temperatur, noch durch den Beschuss mit Elektronen, wie er etwa in den Röntgenrohren erfolgt, können sie gespalten werden. Die im Atomkern enthaltenen Nukleonen müssen daher außerordentlich fest aneinander gebunden sein. Das bedeutet aber, dass bei der irgendwann erfolgten Bildung der Atomkerne aus den Elementarteilchen eine sehr große Bindungsenergie frei wurde, dass die Atomkerne daher eine gegenüber den ungebundenen Elementarteilchen stark verminderte Energie besitzen. Der Massendefekt ist demnach identisch mit der Kernbindungsenergie der Nukleonen, die file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (5 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html durch die so genannte starke Wechselwirkung beschrieben wird. Je höher in einem Atomkern der Massendefekt, also die Kernbindungsenergie pro Nukleon ist, desto stabiler ist der Atomkern, da umso mehr Energie zu seiner Zerlegung aufgewendet werden muss. Nach der Einstein’schen Formel E = mc2 oder m = E/c2 ist eine Energie E der Masse m = E/c2 äquivalent. Wird die Energie eines Systems um den Betrag E verringert, so muss das in einer Verkleinerung seiner Masse um den Betrag E/c2 zum Ausdruck kommen. Das heißt: In der Kernphysik ist die Bindungsenergie analog der Energie, die frei wird, wenn sich Nukleonen zu einem Atomkern verbinden. Dies ist nach der einsteinschen Beziehung E = mc² mit einem kleinen Massenverlust der gebundenen Nukleonen verbunden, dem Massendefekt. Die Bindungsenergie kommt durch die anziehende Kraft der starken Wechselwirkung zustande, mit der sich die Nukleonen anziehen. Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! Massendefekt und Bindungsenergie pro Kernbaustein als Funktion der Massenzahl. Da die Massendefekte einen Fehlbetrag darstellen sind sie sinngemäß nach unten aufgetragen. (in u/1000) Da die Massendefekte der Atomkerne bekannt sind, kann daraus ihre Bindungsenergie berechnet werden: (Anmerkung: 1ev = 1,602 . 10-19J , 1J = 2,39 . 10-4 kcal) Einem Massendefekt von 1 u = 1,66 . 10-27 kg entspricht eine Bindungsenergie E1 = 1,66 . 10-27 . c2 J = 1,49 . 10-10 J = 0,93 . 109 eV. Da die Bindungsenergie zum Massendefekt direkt proportional ist, stellt die Abbildung die Bindungsenergie pro Kernbaustein dar, wenn man den Ordinatenmaßstab entsprechend anbringt. Bsp: Bindungsenergie der Kerne von 1kmol Helium (4kg Helium): Ein 42He-Kern von rund 4,00 u hat den Massendefekt von 0,0304 u. 4 kg Helium haben daher einen Massendefekt von 0,0304 kg. Dem entspricht die Bindungsenergie E = 0,0304 . c2 J = 0,0304 . c2 . 2,39 . 10-4 kcal = 0,0304 . 9 . 2,39 . 1016 . 10-4 kcal = 6,54 . 1011 kcal. Das entspricht dem Heizwert von 100.000t Steinkohle zu 6540 kcal/kg! Die Bindungsenergien der Atomkerne sind demnach außerordentlich hoch! 3.c. Grundsätzliche Möglichkeiten zur Gewinnung der Atomenergie Jede Kernreaktion, die zu einer Vergrößerung der insgesamt vorhandenen Bindungsenergie führt, macht Energie frei. Da die erhöhte Bindungsenergie einen erhöhten Massendefekt zur folge hat, sind das jene Reaktionen, die den Massendefekt vergrößern. Aus dem Verlauf des Massendefektes lassen sich sofort folgende Möglichkeiten erkennen: ● ● Zusammensetzung von Atomkernen aus Protonen und Neutronen. Dabei würde die gesamte Bindungsenergie des Atomkerns frei. Leider stehen uns freie Elementarteilchen, vor allem Neutronen, nicht in ausreichender Menge zur Verfügung. s Aufbau von Atomkernen größerer Masse aus den leichtesten Kernen. Da die Atomkerne mittlerer Ordnungszahl einen größeren Massendefekt/Kernbaustein aufweisen als die leichtesten Atomsorten, müsste eine solche Reaktion, sofern sie gelingt, zu einer Erhöhung des Massendefektes und damit zum Freiwerden einer äquivalenten Energie führen, file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (6 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html insbesondere bei der Zusammensetzung des 42He-Isotops aus leichteren Kernen. Wegen des ● großen Massendefekts der Heliumkerne müsste diese Reaktion eine hohe Energieausbeute ergeben. Ihre technisch brauchbare Durchführung stellt jedoch noch immer eines der wichtigsten Probleme dar, an denen die Atomenergieforschung arbeitet. (à Kernfusion) sf Spaltung schwerster Atomkernen in solche mittlerer Ordnungszahl. Da die schwersten Atomkerne einen geringeren Massendefekt/Kernbaustein aufweisen als die mittelschweren, müssten auch diese Reaktionen mit einer Zunahme des Massendefekts und dementsprechendem Energiegewinn verbunden sein. Auf diesem Wege wird heute praktisch Kernenergie in den sogenannten Atomreaktoren gewonnen. 4. Energiegewinnung durch Kernspaltung Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! 4. a) Die Kettenreaktion Das Uranisotop U-235 kann durch Neutronenbeschuss in mittelschwere Atomkerne gespalten werden, wobei auch mehrere schnelle Neutronen als Spaltprodukte entstehen. Dadurch entsteht meist eine Kettenreaktion. In der Grafik ist angenommen, dass von den gespaltenen Urankernen im Durchschnitt zwei Neutronen (es können auch drei sein) ausgesandt werden, die wiederum zu einer Spaltung weiterer Kerne führen. Die Zahl der spaltenden Neutronen wird dann innerhalb jeder Generation verdoppelt, was ein lawinenartiges Anwachsen der Reaktion bedingt. Unter dem Multiplikationsfaktor versteht man den Faktor, mit dem bei einer Kettenreaktion die zahl der Kernspaltung bewirkenden Neutronen von Generation zu Generation im Durchschnitt vermehrt wird. Ist der Multiplikationsfaktor größer als eins, so entsteht eine Lawinenreaktion, ist er gleich eins, so bleibt die Reaktion stabil; ist er kleiner als eins, so erlischt die Kettenreaktion. Nach dieser Grafik besitzen die Kernbausteine des Urans einen Massendefekt von etwa 0,008 u, jene der mittelschweren Kerne jedoch einen größeren Massendefekt von etwa 0,009 u. Bei der Spaltung des Urans in mittelschwere Kerne wird sich daher eine Zunahme des Massendefekts um etwa 0,001 u/ Kernbaustein ergeben, die als zusätzliche Bindungsenergie frei wird. Da jeder Kernbaustein etwa 1 Masseneinheit besitzt, wird etwa 1 Promille der gesamten Uranmasse als Massendefekt aufscheinen und deren Energieäquivalent frei werden. Für 1 kg Uran ergibt sich also ein Massendefekt von etwa 1g. Das ergibt ein Energieäquivalent E=mc2 = 0,001 kg . (3.108m/s)2 = 9.1013 J = 2,5 . 107 kWh = 9 . 1013 . 2,4 . 10-4 kcal = 2 . 1010 kcal. Das entspricht dem Heizwert von 3.106kg Kohle zu je 7000 kcal/kg! Bei der Spaltung schwerer Atomkerne wird fast dreimillionenmal so viel Energie frei wie bei der Verbrennung der gleichen Menge Steinkohle. Das zur Kernspaltung durch Neutronen geeignete Uranisotop U-235 (=Actinuran) ist im natürlichen Zustand nur zu 0,720% enthalten. Den Hauptanteil des natürlichen Urans bildet das Isotop U-238. Diese beiden Isotope verhalten sich nun gegenüber Neutronenbeschuss ganz verschieden: U-235 wird –besonders durch sehr langsame – Neutronen gespalten (Energie unter 1 eV). Dabei werden schnelle Neutronen ausgesandt (Energie um 2 MeV). U-238 reagiert mit sehr langsamen Neutronen (unter 6eV) nicht. Es fängt jedoch schnelle Neutronen ein und wird nach der Reaktion file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (7 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html 238 92U + 10n à 23992U 23993Np 23994Pu unter β-Strahlung zu Plutonium verwandelt. Spaltung von U-238 tritt selten auf. In einem Block natürlichen Urans kann keine Kettenreaktion eintreten, da die bei der Spaltung von U-235-Kernen ausgestoßenen schnellen Neutronen vorwiegend von U-238 Kernen eingefangen werden. Das führt meist zu keiner Kernspaltung, sondern zur Bildung von Plutonium. In natürlichem Uran kann sich also normalerweise keine Kettenreaktion ereignen, da es zu über 99% aus U-238 besteht. Die 2 bis 3 Neutronen, die bei einer Spaltung entstehen, sind meistens zu schnell um einen der wenigen U-235 Kerne zu spalten, andererseits sind sie zu langsam, das U-238 zu zertrümmern. Um eine Kettenreaktion zu erreichen müssen entweder die U-238 Kerne entfernt werden, das U-235 Isotop muss weitgehend isoliert werden. Diese Isotopentrennung kann nicht auf chemischem Weg erfolgen, da die Isotope sich ja chemisch gleichartig verhalten. Die zweite Möglichkeit wäre eine Anreicherung von U-235 Isotopen. Sie verursacht viel geringere Kosten als die völlige Trennung der Isotope. Sowohl die Trennung als auch die Anreicherung geschieht durch Diffusion oder mit Zentrifugen. In einem Stück reinen Actinurans muss aber keineswegs eine Lawinenreaktion eintreten: Die bei der Spaltung eines Urankerns gebildeten sehr schnellen Neutronen können bis zur Erzielung eines spaltenden Treffers beträchtliche Wege im Actinuran zurücklegen. Ist der Block von Actinuran zu klein, so wird ein Großteil der Neutronen ihn verlassen, ohne eine Spaltung erzielt zu haben. Die zur Erzielung einer Lawinenreaktion nötige Mindestmasse an spaltbarem Material heißt kritische Masse. 4.b) Der Kernspaltungsreaktor Ein Kernreaktor ist eine Maschine, in der eine Kernreaktion kontinuierlich abläuft. Weltweit verbreitet sind Kernreaktoren, die durch die Spaltung von Uran oder Plutonium zunächst Wärme und daraus elektrische Energie gewinnen. Für die friedliche Verwendung der Atomenergie braucht man eine in ihrem Ablauf steuerbare Kettenreaktion. Dazu genügt die Verwendung von natürlichem oder angereichertem Uran. Um eine Kettenreaktion zu erzielen, muss vor allem verhindert werden, dass zu viele der durch Spaltung von U-235 Kernen entstandenen schnellen Neutronen durch die in der Überzahl vorhandenen U-238Kerne eingefangen werden, da dieser Prozess ja zur Erzeugung von Plutonium und nicht zur gewünschten Kernspaltung führt. Eine dazu geeignete Anordnung zeigt diese Abbildung (Schwimmbadreaktor). Im Reaktorkern ist eine Reihe von Brennstoffelementen (Lamellen oder Stäbe aus angereichertem Uran) unter Wasser angeordnet. Wird in einer der Platten ein U-235 Kern gespalten, so werden die dabei gebildeten Neutronen in der Regel die ziemlich dünne Platte verlassen, ohne davon einen U-235-Kern zu spalten oder von einem U-238 Kern eingefangen zu werden. Die in einer Platte gebildeten Neutronen gelangen also zum Großteil ins Wasser zwischen den Brennstoffelementen. Dort stoßen sie mit den Wasserstoffkernen zusammen und geben dabei wegen der fast gleichen Masse von Neutronen und Protonen bei jedem Zusammenstoß den überwiegenden Teil ihrer Bewegungsenergie ab. Ihre Energie sinkt daher schon nach wenigen Stößen (ca. 15) weit unter jenen Wert, bei dem sie durch die U-238Kerne noch eingefangen werden können. Das Wasser verlangsamt die Neutronen und wird daher als Bremssubstanz oder Moderator bezeichnet. Als Moderator sind nur leichte Atomkerne geeignet, da nur auf sie beim Zusammenstoß genügend viel Energie übertragen wird (Wasserstoff, schwerer Wasserstoff, Beryllium, Graphit). Treffen diese langsamen Neutronen nun auf ein Brennstoffelement, so werden sie von den U-238-Kernen nicht mehr eingefangen, sie sind aber zur Spaltung der U-235Kerne besonders geeignet; dieser Prozess tritt daher meistens ein. file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (8 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html Für die im Reaktorkern durch Kernspaltung gebildeten Neutronen bestehen nun die folgenden Möglichkeiten: 1. Sie können von ausreichender Abbremsung einen U-238-Kern treffen. Dieser Vorgang führt zur Bildung von Plutonium. 2. Sie können von den Kernen des Moderators eingefangen werden (bei 1H häufig, bei 2D, 9Be und 12C sehr selten. 3. Sie können den Reaktorkern verlassen, ohne einen spaltenden Treffer erzielt zu haben, 4. Sie können nach genügender Abbremsung einen U-235-Kern spalten. (ideal!) Der Reaktor muss so dimensioniert sein, dass der vierte Prozess mit genügend relativer Häufigkeit eintritt (etwa 40%) und einen Multiplikationsfaktor über 1 ermöglicht. Zur Regelung des Multiplikationsfaktors werden zwischen die Brennstoffelemente Regelstäbe aus einem Material (bspw. Cadmium) geschoben, das Neutronen stark absorbiert. Bei voll eingeschobenen Regelstäben ist der Multiplikationsfaktor kleiner als 1. Beim Herausziehen der Regelstäbe steigt der Multiplikationsfaktor, bis beim Wert 1 der Reaktor „kritisch“ wird. Zur Einleitung der Kettenreaktion kann eine kleine Neutronenquelle dienen. Bei gleichmäßigem Betrieb ist der Multiplikationsfaktor genau 1. Es muss natürlich für eine automatische Einhaltung dieses Wertes gesorgt sein, was beim Schwimmbadreaktor ohnehin von selbst geschieht, da Luftblasen aufsteigen, die den Multiplikationsfaktor durch Verdrängung des Moderators zwischen den Brennstoffelementen vermindern. Der Reaktor ist zum Schutz der Umgebung gegen Neutronen und χ-Strahlung mit einem dicken Betonmantel umgeben. Durch Kanäle können Materialen bis an den Reaktorkern herangebracht und dort der intensiven Neutronenbestrahlung ausgesetzt werden. Auf diese Weise wird heute ein Großteil der künstlichen Isotope (meist radioaktiv) hergestellt. Bei den sogenannten Forschungsreaktoren stehen diese Bestrahlungsmöglichkeiten im Vordergrund. Österreich besitzt derzeit zwei Reaktoren dieser Bauart (Seibersdorf, Prater in Wien). Zusammenfassung: Im Kernspaltung wird durch eine kontrollierte Kettenreaktion Actinuran in mittelschwere Atomkerne gespalten. Die Spaltprodukte besitzen einen um etwa 1 Promille der gespaltenen Uranmasse vergrößerten Massendefekt. Das Energieäquivalent dieses Massendefektes wird (vorwiegend als Wärmeenergie) frei. Jeder Kernspaltungsreaktor enthält als wichtigste Teile: Brennstoff (angereichertes Uran), eine Moderatorensubstanz (leichteste Elemente), eine Regelvorrichtung (Neutronen absorbierende Stäbe) und einen Schutzmantel. Man unterscheidet zwischen Forschungsund Leistungsreaktoren. 5. Die Atombombe und ihre Auswirkungen Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! Bei der Konstruktion der Atombombe werden zwei unterkritische Massen spaltbaren Materials (U235 oder Pl-239) getrennt voneinander angeordnet. Bei der Zündung der Bombe werden sie durch eine Sprengladung ineinandergeschossen und damit zu einer überkritischen Masse vereinigt. Eine kleine Neutronenquelle löst dann augenblicklich eine Kettenreaktion aus. Die Spaltung erfolgt auch hier durch schnelle Neutronen. file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (9 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position! 5.a. Ablauf einer Explosion Atombombe von Nagasaki Die Vorgänge bei der Explosion einer Atombombe reichen von der nuklearen Kettenreaktion über die Entstehung von Feuerball und Druckwelle bis hin zur Ausbreitung der Explosionswolke und der radioaktiven Rückstände in der Atmosphäre. Die Zeitskalen der einzelnen Abläufe reichen von Millionstel Sekunden bis zu mehreren Minuten. Grob lässt sich der Explosionsvorgang unterteilen in 1) Nukleare Kettenreaktion (0 bis 10-6 Sekunden), 2) Feuerball- und Druckwellenformation (10-6 bis 0,1 Sekunden), 3) Ausbreitung der Druckwelle, Abkühlen des Feuerballs (0,1 bis 10 Sekunden), 4) Formierung der Pilzwolke (Sekunden bis Minuten), 5) Ausbreitung der Wolke, Fallout (Minuten bis Monate). Die Zeitskalen sind nur ungefähre Anhaltspunkte, da sie stark von der Sprengkraft und der Detonationshöhe abhängen. Radien der einzelnen Zerstörungszonen für 3 versch. Bombentypen: Äquivalenzsprengkraft 10 kt (Kilotonnen) 1 Mt 20 Mt Explosionshöhe 600 m 2400 m 5300 m Zone 1 0,8 km 4 km 14 km Zone 2 1,6 km 6 km 22,5 km Zone 3 2,8 km 10,5 km 43,5 km Zone 4 4 km 12,5 km 50 km Zone 5 4,8 km 16 km 56 km file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (10 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html 1. Verdampfungspunkt Alles wird durch die Detonation verdampft. Todesfälle: 98%, Überdruck: 1,7 bar, Windgeschwindigkeit: 515 km/h 2. Vollständige Zerstörung Alle oberirdischen Strukturen werden zerstört. Todesfälle: 90%, Überdruck=1,1 bar, Windgeschwindigkeit: 465 km/h 3. Schwere Beschädigungen durch die Druckwelle Fabriken und andere große Gebäude stürzen ein, Autobahnbrücken werden stark beschädigt, Flüße fließen manchmal rückwärts. Todesfälle: 65%, Verletzungsfälle: 30%, Überdruck: 0,6 bar, Windgeschwindigkeit: 420 km/h 4. Schwere Beschädigungen durch die Hitzewelle Alles Brennbare wird entflammt, Menschen im Einzugsbereich der Hitzewelle leiden wegen der großräumigen Brände an Sauerstoffmangel. Todesfälle: 50%, Verletzungsfälle: 45%, Überdruck=0,4 bar, Windgeschwindigkeit: 225 km/h 5. Schwere Beschädigungen durch Feuer und Wind Ortsfeste Strukturen werden schwer beschädigt, Menschen werden durch die Luft gewirbelt, die meisten Überlebenden erleiden Verbrennungen 2. und 3. Grades. Todesfälle: 15%, Verletzungsfälle: 50%, Überdruck=0,2 bar, Windgeschwindigkeit: 160 km/h 5.b. Auswirkungen von Atomexplosionen Eine Atombombenexplosion wirkt sich durch folgende Effekte auf ihre Umgebung aus: ● ● ● ● ● Druckwelle, die ähnlich wie bei normalen Explosionen ist, aber erheblich stärker Direkte thermische Strahlung (UV- und Infrarotstrahlung, sowie sichtbares Licht) Direkte Kernstrahlung Indirekte Radioaktivität durch Fallout-Partikel Nuklearer elektromagnetischer Impuls (NEMP) Dabei fallen etwa 50 bis 60 Prozent der Gesamtenergie auf die Druckwelle, 35 bis 45 Prozent auf die thermische Strahlung und 5 Prozent auf die direkte und indirekte Kernstrahlung sowie den NEMP. file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (11 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html Der Anteil der indirekten Kernstrahlung wird fast ausschließlich durch die Spaltprodukte bewirkt und ist daher bei reinen Kernspaltungsbomben am größten (etwa 10 Prozent der Gesamtenergie). Folgen der Druckwelle Der größte Schaden wird in bebauten Regionen (Städte) durch die Explosionsdruckwelle angerichtet. Wie weiter oben beschrieben, verursacht sie plötzliche starke Druckschwankungen (statischer Überund Unterdruck) und orkanartige Winde (dynamischer Druck). Der statische Überdruck zerstört vor allem massive Bauten, während der orkanartige Wind Menschen, Tiere, Bäume und leichte Bauten "umbläst". Der statische Unterdruck, der der Überdruckphase folgt und mit schwächeren Winden in Richtung auf das Explosionszentrum einhergeht, ist in Bezug auf Schäden meist vernachlässigbar. Folgen der Licht- und Wärmestrahlung Da sich Wärmestrahlung mit Lichtgeschwindigkeit in der Atmosphäre ausbreitet, treten Lichtblitz und Wärmestrahlung gleichzeitig einige Sekunden vor dem Eintreffen der Druckwelle auf. Blickt man unmittelbar während oder kurz nach der Detonation in Richtung der Explosion, so kann die enorme Leuchtdichte noch bis in weite Entfernungen zu vorübergehender oder permanenter Erblindung führen, da das Licht des Feuerballs von der Augenlinse aus auf die Netzhaut gebündelt wird, und bei größerer Entfernung lediglich der Brennfleck kleiner, jedoch, außer durch Absorption in der Luft, kaum schwächer wird. Die abgegebene Wärmestrahlung verursacht Verbrennungen der Haut, die mit größerer Entfernung zum Bodennullpunkt abnehmen. Im Hypozentrum ist die Wärmeentwicklung im allgemeinen so stark, dass Lebewesen zur Unkenntlichkeit verbrennen und Materie verdampft. Die Entfernungen in denen Verbrennungen auftreten, sind sehr unterschiedlich, da hohe Luftfeuchtigkeit oder Staubpartikel die Wärmestrahlung abschwächen, während Schnee, Eis oder heller Sand sowie eine Wolkendecke oberhalb des Explosionspunktes sie lokal auf mehr als das Doppelte erhöhen können. Bei klarem Himmel und durchschnittlicher Sichtweite (20 Kilometer) verursacht eine Luftexplosion von 1 MT Verbrennungen dritten Grades im Umkreis von bis zu 12 Kilometer, zweiten Grades bis 15 Kilometer und ersten Grades bis 19 Kilometer. Zusätzlich können sich brennbare Stoffe entzünden. Diese Brände treten vor dem Eintreffen der Druckwelle auf und werden von dieser teilweise wieder ausgelöscht. Folgen der direkten Kernstrahlung Die Strahlungsdosis nimmt mit zunehmender Entfernung vom Explosionszentrum ab. und hat nur bei kleineren Sprengkräften bis etwa 50 Kilotonnen eine relevante Auswirkung, da bei größeren Sprengkräften die (in viel geringerem Maße von der Luft absorbierte) Wärmestrahlung und die file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (12 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html Druckwelle bereits tödlich sind. So forderte die direkte Kernstrahlung bei den Explosionen in Hiroshima und Nagasaki, gemessen an ihrem Anteil von nur wenigen Prozent der Gesamtenergie, die meisten Todesopfer. Die Betroffenen, die eine Strahlendosis von etwa 10 Gy (Gray) aufnahmen, erkrankten an der sog. Strahlenkrankheit. Ab einer Dosis von 6 Gy haben Menschen kaum noch Überlebenschancen, bei 10 Gy tritt der Tod innerhalb von ein bis zwei Wochen ein. Die direkte Kernstrahlung wirkt nur während der Atomexplosion für die Dauer von etwa einer Minute - allerdings sehr stark, wobei der größte Teil der Strahlung innerhalb der ersten Sekundenbruchteile freigesetzt wird. Kann ein Betroffener die direkte Kernstrahlung durch geeigneten Schutz teilweise oder ganz abschirmen, wird sein Risiko für die Strahlenkrankheit erheblich reduziert. So überlebten in Hiroshima Menschen, die im Augenblick der Explosion durch beispielsweise eine Betonwand geschützt waren, während ungeschützte Menschen in nur wenigen Metern Abstand von dem Hindernis an der Strahlenkrankheit starben. Folgen des Fallout Als Fallout wird ein Gemisch aus verschiedenen radioaktiven Substanzen und Staub bezeichnet, das im Laufe der Zeit aus der Pilzwolke ausfällt oder durch Regen ausgewaschen wird. Der meiste Fallout wird bei Boden- oder bodennahen Detonationen erzeugt, wobei radioaktiv kontaminierter Staub durch die Druckwelle aufgewirbelt und gemeinsam mit der Pilzwolke in die Atmosphäre transportiert wird. Anders als die feinen Rückstände der Bombe, die über mehrere Monate sogar weltweit verteilt werden, fallen die gröberen Staubpartikel zum großen Teil schon nach einigen Stunden oder gar Minuten wieder aus. Bei Luftexplosionen fehlt diese kurzzeitige Komponente weitgehend oder vollständig. Das Ausfallen der Substanzen erfolgt je nach vorherrschender Windrichtung und Windgeschwindigkeit über eine sehr große Fläche. Die größte Menge verstrahlter Partikel fallen, speziell bei Bodenexplosionen, rund um das Hypozentrum zu Boden, und mit zunehmender Entfernung nimmt der Grad der Verstrahlung ab. Dennoch können lokal höhere Konzentrationen, so genannte Hotspots zum Beispiel durch mit verstrahltem Staub angereicherten Regenfällen auftreten. Ist der Fallout als dünne Staubschicht sichtbar, so ist oftmals die Strahlung stark genug, um sofortige Gesundheitsschäden verursachen zu können. Wird eine gewisse Dosis erreicht, so führt dies für die betroffenen Personen zu schweren Strahlenschäden, welche entweder die Erkrankung an der Strahlenkrankheit oder gar den Tod zur Folge haben. Folgen des Elektromagentischen Impulses (EMP) Der EMP besitzt Ähnlichkeit mit einem Blitzschlag, was die Auswirkungen auf elektrische Leitungen betrifft, jedoch ist der Spannungsanstieg erheblich steiler als bei natürlichen Blitzen. Darum sprechen Blitzschutzsysteme aufgrund ihrer Trägheit nicht an. Alle elektrischen oder elektronischen Geräte und Anlagen mit langen Leitungen oder Antennen und empfindlichen Bauteilen wie Halbleitern und Kondensatoren werden durch den EMP geschädigt. Dazu gehören unter anderem die Stromversorgung (Freileitungsnetz), Telefonnetze, Haushaltsgeräte, file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (13 von 14)03.03.2006 09:38:53 file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html Radio- und Fernsehsender. Nur Funkgeräte mit sehr kurzen Antennen werden weniger beeinflusst. file:///D|/Refs/_To%20Do/13_01_06/Tag%201/DIEKERNSPALTUNGUNDIHREANWENDUNGEN.html (14 von 14)03.03.2006 09:38:53
