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Grundlagen der Kernenergietechnik

Massendefekt und Kernbindungsenergie; Äquivalenz von Masse und Energie

Welche Kräfte halten den Atomkern zusammen?

Vergleich der Masse eines Heliumkerns mit der Summe der einzelnen Nukleonenmassen:  

Masseverlust entspricht der Kern-Bindungsenergie nach der Masse-Energie-Äquivalentbeziehung (Einstein)

Berechnung der Bindungsenergie eines Heliumkerns

Bindungsenergie pro Mol Helium?

Vergleich mit der bei chemischen Reaktionen freiwerdenden Energie! Millionenfach höhere Beträge!

Bindungsenergie in Abhängigkeit von der Nukleonenzahl

Daraus ergeben sich prinzipiell zwei Möglichkeiten zur Gewinnung von Kernenergie:

• Verschmelzung leichter Kerne

• Spaltung schwerer Kerne

Aufgabe: Man berechne die Energiebilanz der folgenden Reaktion:

Wäre das eine Möglichkeit zur Gewinnung von Kernenergie? 

(Wahrscheinlichkeit für das Eintreten dieser Reaktion sehr gering!)

Energiegewinnung durch Kernspaltung: Kettenreaktion

Entdeckungsgeschichte der Kernspaltung (Hahn, Straßmann, Meitner 1938)

Als Spaltprodukte wurden 300 Isotope mit Nukleonenzahlen zwischen 71 und 160 beobachtet (Maxima bei 95 und 140)

- Radioaktivität der Spaltprodukte! Wegen Neutronenüberschuss b-Strahler

Aufgabe: Berechnung der bei der Spaltung von 1 kg Uran 235 freiwerdenden Energie:

 Energiegewinnung durch Kernspaltung

Pro Spaltung werden 2 - 3 neue Neutronen freigesetzt, die neue Spaltungen ausführen und somit eine Kettenreaktion aufrechterhalten können.

Möglichkeit der gesteuerten und ungesteuerten Kettenreaktion

spaltbar durch Neutronen beliebiger Energie sind die Isotope

U-233     U-235      Pu -239

U-235 zu 0,7% im Natururan enthalten

In Natururan ist keine Kettenreaktion möglich, weil die gebildeten schnellen Spaltneutronen von den im Überschuss vorhandenen U-238-Atomen unter Bildung von U-239 (->Pu) eingefangen und so der Kettenreaktion entzogen werden.

Neutroneneinfang durch U-238 erfolgt besonders leicht mit schnelleren Neutronen (25 eV), während die Kernspaltung bevorzugt mit viel langsameren Neutronen (ca. 0,025 eV, "thermische Neutronen") erfolgt.

Folgerung: 

2 Möglichkeiten für die Einleitung einer Kettenreaktion (Neutronenvermehrungsfaktor >1):

1. Anreicherung des Uranisotops 235

2. Herabsetzen der Geschwindigkeit der schnellen Spaltneutronen (ca. 1 MeV) durch Bremssubstanzen oder Moderatoren

Anforderungen an eine Moderatorsubstanz:

• Masse klein (Energieabgabe)

• geringe Einfangwahrscheinlichkeit für Neutronen

Moderatoren: 

• Schweres Wasser 

• Graphit 

• Normales Wasser

kritische Größe der Anlage?

Verminderung des relativen Neutronenverlustes durch Verkleinern des Verhältnisses Oberfläche zu Volumen (->Kugel), Mindestmasse

z.B. 40 t Uranmetall, 400 t Graphit

kritische Masse: die für das Zustandekommen einer Kettenreaktion erforderliche Mindestmasse

Kernreaktoren 

Aufbau eines Kernreaktors (Druckwasserreaktor)

Prinzip:

Steuerstäbe aus stark neutronenabsorbierenden Materialien (Bor, Cadmium) dienen der Regulierung des Neutronenflusses, so dass von 2 - 3 bei der Spaltung freigesetzten Neutronen nur eins eine neue Spaltung auslöst.

Brennstoffkreislauf

Isotopentrennung

Das spaltbare U-235 ist nur zu 0,7% im Natururan enthalten

Urananreicherung nach dem Prinzip der Gasdiffusion  

Gaszentrifuge

Trenndüsen-Verfahren

Problematik: Gefahr der Weiterverbreitung von Atomwaffen

Brutreaktoren

- hohe Neutronendichte wird angestrebt

- Ausbeute an Spaltneutronen steigt mit der Neutronenenergie ->

Betrieb mit schnellen Neutronen

Kühlmittel: flüssiges Natrium (darf Neutronen nur wenig abbremsen)

Problematik: Gefahr der Weiterverbreitung von Atomwaffen durch Plutoniumverarbeitung - Steuerung schwieriger

Reaktorsicherheit - Sicherheitskonzeptionen 

Ist der Kernreaktor eine "gezähmte Atombombe"?

Strahlung: In einem modernen Leichtwasserreaktor steigt die Aktivität im Laufe von 2,5 Betriebsjahren auf 1.85*10²⁰ Bq (entspricht 5000 t Radium) durch radioaktive Spaltprodukte Xe-133, Kr-85, I-131, Cs-137 usw. und Aktivierungsprodukte durch Neutroneneinfang wie U, Np, Pu-239,

Aufgabe der Reaktorsicherheit ist es, diese Stoffe und ihre Strahlung von den Menschen und der Umwelt fernzuhalten.

Lernen aus Mängeln und Fehlern auf der Grundlage von Erfahrungen ?

Gefährdung bei Reaktorunfällen

GAU "größter anzunehmender Unfall" z.B. durch Bruch der Hauptkühlmittelleitung (Siedewasserreaktor) oder der Dampfleitung (Druckwasserreaktor) - Gefährdung bei Versagen der Notkühlsysteme -> Kernschmelze

Gefährdung durch Sabotage, Terrorismus, im Kriegsfall? - Brennstoffkreislauf!

Harrisburg 1979 Ausfall der Pumpen im Sekundärkreislauf -> technische Pannen und menschliche Fehler

Tschernobyl 26.April 1986

positiver Dampfblasenkoeffizient

Vergleich der Reaktortypen von Biblis und Tschernobyl

Passive Sicherheitseinrichtungen

Vergleich: Stoßstange, Sicherheitsgurt, Knautschzone

Abschirmung

Barrieren

- Hüllrohre, Reaktordruckbehälter, Betonabschirmung, Sicherheitsbehälter und Stahlbetonhülle

- Flüchtige und gasförmige Spalt- und Aktivierungsprodukte?       

Unterdrucksystem

Qualitätskontrollen

- dreifach, auch durch TÜV

- Kontrolle der Versprödung des Stahls wird durch Proben  an besonders ungünstigen Stellen kontrolliert

Aktive Sicherheitseinrichtungen

Solche Sicherheitssysteme sollen von vorneherein verhindern, dass die passiven Sicherheitseinrichtungen beansprucht werden

(beim Auto: gute Bremsen als Beispiel)

aber: auch Sicherheitssysteme können versagen! wie löst man dieses Problem?

Beispiel: Erhöhung des Neutronenflusses im Reaktor

- defektes Messgerät?

Prinzipien zur Erhöhung der Sicherheit:: 

• Redundanz: Sicherheitssysteme werden mehrfach angelegt und diese wirken voneinander unabhängig und besitzen keine gemeinsamen Komponenten.

• Diversität: Sicherheitssysteme werden nach verschiedenen Wirkungsmechanismen, verschiedenen technischen Konzeptionen angelegt. Mehrfach vorhandene gleichartige Scicherheitssysteme könnten aus der gleichen Ursache (z.B. wegen eines Konstruktionsfehlers) versagen. 

• Konservative Auslegung: Auslegungsreserven sind eingeplant

• Fail-Safe (="fehlerverzeihendes Sicherheitssystem"): Bei Ausfall von Sicherheitssystemen wird die Anlage automatisch in einen sicheren Zustand übergeführt.

• Automatische Leittechnik bei Störungen zur Absicherung gegen Fehlbedienung.

• Qualitätskontrollen: Werkstoffe, Verarbeitung  werden sorgfältig kontrolliert, auch während des Reaktorbetriebes

Analogie-Beispiele: Gürtel, Hosenträger; Hand- und Fußbremse; Wüstenexpedition

Beispiel Regelstäbe:

- mehr Regelstäbe als nötig sind vorhanden

- mit elektrischem Antrieb

- von Elektromagneten gehalten - fallen bei Stromausfall automatisch in den Reaktorkern

Kann ein Schutzsystem sich selbst kontrollieren?  

(Beispiele für Schutzsysteme aus Alltag und Technik: Alarmanlage; Stanzmaschine; Lokomotive)

- gefährliche und ungefährliche Fehler

- "dynamisches" Schutzsystem kennt nur ungefährliche Fehler (jede Unterbrechung seiner Aktivität löst den Schutzmechanismus aus)

Konzept der inhärenten Sicherheit

Energiegewinnung durch Kernfusion

Bindungsenergiekurve

Möglichkeiten:

aber: gleichzeitiger Zusammenstoß von 4 H-Kernen extrem unwahrscheinlich.

größte Wahrscheinlichkeit für die folgende Reaktion:

Deuterium     Tritium            

weitere Möglichkeiten: D + D -> He-3 + n  usw.

Vorteile der Energiegewinnung durch Kernfusion:

- höhere Energieausbeute als bei Kernspaltung bezogen auf die Masse (bis 0.7% statt 0.1%)

- Ausgangssubstanzen praktisch unbegrenzt verfügbar (z.B. T erbrüten durch Li + n ->T + He)

- weniger Radioaktivität

- Gefahr des Missbrauchs von Kernbrennstoff unwahrscheinlicher

Probleme:

- Überwindung der Coulomb-Abstoßung: 100 Millionen Grad erforderlich!

- Die gewonnene Energie muss größer sein als die aufgewendete.

Wasserstoffbombe:

 Li-6  +  D  -> 2 He