Konzepte II (SS 2007; D. Rehder)

Teil (2):

Elementarteilchen und Atombau

Kernfusion; die Entstehung der Elemente

Kernspaltung und Urananreicherung

Streuversuche mit -Teilchen und Goldfolie (Rutherford 1911)

. ...... .... .

Gold-Folie

BlendeRadiumquelle imBleiblock

Ra -Teilchen

Goldfolie - Ausschnitt

-Teilchen =

Heliumkerne, (2He)2+

4

Rutherfords Streuversuche mit -Teilchen und Goldfolie (1911):

1. Atome sind weitgehend leer

2. Der Masseschwerpunkt der Atome liegt im Kern; der Kern ist positiv geladen

3. Das Volumen der Atome wird durch eine negativ geladene Hülle repräsentiert

Protonen

Elektronen

Durchmesser Hülle: 10-5 m; Durchmesser Kern: 10-10 m

Marie und Pierre Curie

Entdeckung des Radiums und Poloniums 1898

Henri Bequerel

Entdeckung des Phänomens „Radioaktivität“ 1896

Ablenkung von -, - und -Strahlung im elektrischen Feld

-

Ra-Quelle

+

Süddeutsche Zeitung, 9.10.2002

10 Milliarden Neutrinos

pro Sekunde

Radioaktivität - Maßeinheiten

Aktivität Bq (Bequerel) 1 Bq = 1 Zerfall s-1

Biologische Wirkung: Energiedosis

Gy (Gray) 1 Gy = 1 J/kg

Biologische Wirkung:

Äquivalentdosis = Energiedosis Q

Sv (Sievert) 1 Sv = 1 J/kg

Q = 20 für , 1 für , und X; 3-10 für Neutronen

1 Sv = 100 rem (Röntgen equivalent man)

3,7·1010 Bq = 1 Ci (Curie)

Fusion

4 H1

1He + 2 + 2

4

2

0

100

+

Kernfusion (z.B. auf der Sonne)

Wasserstoffisotope

1H1

1H 1H2 3

(Protium) (Deuterium) (Tritium)

99.9855% 0.0145% 3.10-16 %

t1/2 = 12.35 a

radioaktiv

H31

42He + -3

Natürliche Fusion (Sonne), Binnentemperatur ca. 106 K

3Li + 1H 2 2He426

Künstliche Fusion; Wasserstoffbombe

Künstliche Fusion; Wasserstoffbombe

Fusionsreaktor

Fusionszone

Erzeugung überschwerer Kerne

Projektil: 54Cr

Target: 209Bi

Verbundkern: 263107

Endkern: 262107

n

spontane Spaltung

„Insel der superschweren Elemente im Meer der Instabilität“

Sn

Pb

U, Th

112Eka-Hg

Entstehung schwerer Elemente in heißen Sternen

Interstellare Wasserstoffwolken

Ort der Sternentstehung

Hertzsprung-Russel Diagramm

Leuchtkraft in Einheiten der Sonne

Temperatur in K

Instabilität Masseverslust

Wasserstofffusion (Hydrogen burning)

Heliumfusion (Helium burning)

r-Prozess> 109 K

Nucleosynthese109 K

e-Prozess (Si burning)

109 K

He burning108 K

H burning107 K

Sternentwicklung und Fusion

CNO- oder Bethe-Weizsäcker-Zyklus

Kernspaltung

Uranvorkommen

Pechblende (Uraninit) UO2

Uranspaltung - Kettenreaktion

Kernkraftwerke Isar-1 und Isar-2

Reaktorkern

Reaktorkern und Sekundärkreislauf

1 Reaktorkern2 Dampfturbine3 Generator4 Dampferzeuger5 Kondensator6 Pumpe

Siedewasserreaktor

Tschernobyl April 1986

Vom uranhaltigen Gestein zum Brennmaterial

(1) Auslaugung mit H2SO4/Fe3+ UO2SO4

oder mit Soda/O2 Na4[UO2(CO3)3]

(2) Fällen mit NH3 als [NH4]2[U2O7]

(3) Thermische Zersetzung zu U3O8 („Yellow Cake“)

(4) Überführung mit HF/F2 in UF6

(5) Anreicherung von 235UF6 (von 0,7 auf ca. 3%), z. B. durch Diffusion oder Zentrifugation

(6) Hydrolyse von UF6 zu UO2F2

(7) Reduktion mit H2 zu UO2

Anreicherung durch Gasdiffusion

Anreicherung durch Zentrifugieren

Rotor

UF6235U-abgereichert

235U-angereichert

Purex-Verfahren (Prinzip)

TBP: O=P(OC4H9)3 Tributylphosphineoxid

Purex-Verfahren

Lösen in HNO3;

Extraktion mit O=P(OBu)3/Dodekan

Organische Phase: UVI, PuIV Wässrige Phase: Spaltprodukte

N2H4

UIV, PuIII

Extraktion mit Wasser

Wässrige Phase: PuIII

Oxalat

Pu2(ox)3PuO2

Organische Phase: UIV

+ HNO3/H2O UVI

NH3

(NH4)2[U2O7]