4. Radiochemie und Kerntechnik

4.
Radiochemie und Kerntechnik
Energiemix Deutschland 2006 (brutto)
Wind; 4,40%
Erdgas;
4,80%
Sonstige;
7,70%
Kernenergie;
26,30%
Steinkohle;
11,60%
Wasser;
21,40%
Quelle: DIW
Braunkohle;
23,90%
Bildung Spaltprodukte
Uranisotop: 235 U
Bildung Aufbauprodukte
Uranisotop:
238U
Neutroneneinfang + ß- Umwandlung
Energiegewinn bei der Kernspaltung
Eine mögliche Spaltungsreaktion ist:
Die Kernspaltung ist stark exotherm:
Freigesetzte Reaktionsenergie von ca. 200 MeV teilt sich wie folgt auf:
kinetische Energie der Spaltprodukte
167 MeV
kinetische Energie der Spaltneutronen
5 MeV
Energie der prompten γ-Strahlung
18 MeV
Energie der β– und γ-Strahlung der Spaltprodukte
11 MeV
Energie der Antineutrino-Strahlung der Spaltprodukte
10 MeV
Summe 201 MeV
Sicherheitsbarrieren gegen das Austreten radioaktiver Stoffe
Kernreaktoren
-
Leistungsreaktoren zur Energieerzeugung
-
Forschungsreaktoren für kernphysikalische, Materialwissenschaftliche
Untersuchungen,zur Erzeugung radioaktiver Isotope und für
Unterrichtszwecke
Typen:
-
Leichtwasserreaktoren (LWR)
Kühlmittel und Moderator ist normales Wasser
*Druckwasserreaktor
*Siedewasserreaktor
-
-
Schneller Brüter
(Core aus zwei Zonen
innere Zone:
äußere Zone:
80% UO2nat. / 20%PuO2
abgereichertes UO2 ⇒ Pu-239
Hochtemperaturreaktor
kugelförmigen Brennelemente bestehen aus 192 g Kohlenstoff, 0,8928 g Uran 235, 0,0672 g
Uran-233 und 10,2 g Thorium 232 (Thorium-232 ⇒ Uran-233)
Graphit Moderator, Kühlmittel He-Gas, Temperaturen 300 bis 950 oC
Moderator: schnelle Neutronen auf thermische Energie abzubremsen (C 114 Stöße des n)
Technische Daten
Fusionsreaktion zwischen Deuteriumkern und Tritiumkern
6/7Li
(Ausgangsmaterial zur T-Erzeugung)
7Li
+n
6Li + n
Verfügbarkeit:
Deuterium: jedes 8700 H-Atom ist ein D
Tritium: aus Lithium herstellbar
4He
+T
4He + T
+ n - 2,47 MeV
+
4,78 MeV
Fusionsreaktion - Energiebilanz
75 mg Deuterium und 225 mg Lithium reichen, um
Energiebedarf einer Familie pro Jahr zu decken.
Zyklotron
- Vielfachbeschleunigung der Teilchen im Magnetfeld
- Zwei flache halbkreisförmige Metallbehälter, die sich innerhalb eines
größeren Behälters zwischen den Polen eines starken Magnetfeldes
befinden
- Ionenquelle ist in der Mitte zwischen den beiden Metallbehältern, die
als Elektroden wirken
- Spannung wechselt mit hoher Frequenz, Ionen werden dadurch
fortlaufend beschleunigt
- Unter dem Einfluss des Magnetfeldes bewegen sich die Teilchen auf
einer spiralförmigen Bahn derart, dass die Zentrifugalkraft der
Kraftwirkung des Magnetfeldes gleicht
m·v2/r = Ze·v·B
M: Masse
Ze: Ladung
V: Geschwindigkeit
B: magnetische Flussdichte
- Praktische Grenzenergien
Protonen 22 MeV, Deutronen 24 MeV, α-Teilchen 44 MeV
Schema eines Zyklotrons
Kritische Bedingungen
(Beispiele)
Kritische Masse
Isotop
Link
reflektiert (20cm H20)
unreflektiert
Thorium-229
reflektiert (30cm Stahl)
2839 kg
2262 kg
994 kg
580–930 kg ?
?
?
Uran-233
16,5 kg
7,3 kg
6,1 kg
Uran-234
145 kg
134 kg
83 kg
49,0 kg
22,8 kg
17,2 kg
Neptunium-235
66,2 kg
60 kg
38,8 kg
Neptunium-236
6,79 kg
3,21 kg
3,3 kg
Neptunium-237
63,6-68,6 kg
57,5-64,6 kg
38,6 kg
Plutonium-236
ca. 8,04-8,42 kg
5,0 kg
3,74-4,01 kg
Plutonium-237
ca. 3,1 kg
1,71 kg
1,62 kg
Plutonium-238
ca. 9,04 -10,31 kg
7,35 kg
4,7 kg
[4]
10,0 kg
5,42 - 5,45 kg
4,49 kg
[5]
Plutonium-240
35,7-39,03 kg
32,1-34,95 kg
18,3-22,6 kg
Plutonium-241
12,27 - 13,04 kg
5,87-6,68 kg
5,05-5,49 kg
Plutonium-242
85,6 kg
78,2 kg
36,2-48,1 kg
57,6-75,6kg
52,5-67,6 kg
33,8-44,0 kg
9–18 kg
3,2-6,4 kg
3-4,6 kg
[6]
50-209 kg
195 kg
88-138 kg
[7]
Protactinium-231
Uran-235
Plutonium-239
Americium-241
Americium-242m
Americium-243
[1]
[2]
[3]
Kernspaltungsbombe
Schmutzige Bombe?
Konventioneller Sprengsatz gekoppelt mit der
Freisetzung radioaktiver Stoffe
Problematik:
- Erkennung ?…Messung
- Zusätzliche Gesundheitsgefährdung indirekt betroffener
Personen
- Aufwändige, kostenintensive Dekontamination
- Zusätzliches psychologisches Moment