XV. Heidelberger Graduiertenkurse Physik (10-14 Oktober 2005)

Energie und Umwelt im 21. Jahrhundert

Mittwoch 12.10 Kernenergie (Teil I)

von der Entdeckung zur Nutzung derKernenergie

• Energie aus der Kernspaltung heute

• Kurzgeschichte Kernenergie

• physikalische Grundlagen: Radioaktivitat

• zur Physik der Kernspaltung

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Zahlen zur Kernspaltungsenergie

• Nach Angaben der International Atomic Energy Agency, IAEA (website: www.iaea.org),lieferten 440 Kernkraftwerke in 33 Landern (2004) Strom und 25 Reaktoren sind in Bau.

• Im Jahr 2000 waren 438 Reaktoren in Betrieb und 31 Reaktoren in Bau.

• Vier neue Reaktoren wurden 2004 neu ans Netz geschlossen. Vier kleine Reaktoren(je 50 MWe) wurden in England abgeschaltet.

• Zwei neue Reaktoren gingen im Jahr 2003 ans Netz (China und Sud Korea).Im Jahr 2000 waren es sechs.

• Nach Regionen aufgeteilt findet man im Jahr 2000: 150 Kraftwerke in Westeuropa,118 in Nordamerika, 68 in zentral und Osteuropa sowie 94 im mittleren Osten, Japan,China und anderen asiatischen Landern.

• Heute werden etwa 16% (35% in Europa) der elektrischen Energie auf der Welt durchKernkraftwerke zur Verfugung gestellt, die totale installierte Leistung betragt 365.5 GWe.Die elektrische Leistung der Kernkraftwerke ist schwierig zu regeln. Deshalb laufen dieKernkraftwerke praktisch immer bei 100% der installierten Leistung! Gaskraftwerke lassensich schnell an und ausschalten!

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Kernenergie und elektrische EnergieDie Schweiz als Beispiel: Elektrische Energie Produktion (2003): 65266 GWhe.Bei einer installierte Leistung der KKW’s von 3200 MWe (≈ 10000 MWtherm) wurden 25931GWhe produziert.→ KKW Effizienz Faktor: 0.92!

Nukleare Stromerzeugung auf der Welt

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Die Alterstruktur der Kernkraftwerke

Es werden immer weniger neue Kernkraftwerke gebaut! Der “Bau

Boom” lag in den siebziger Jahren! Die Bauzeit eines neuen

KKW’s betragt 5-10 Jahre.

www.iaea.org

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Kernenergie in Deutschlandhttp://www.world-nuclear.org/info/inf43.htm

• 17 Reaktoren (Leistung 20.3 GWel) lieferten im Jahr 2004 ≈ 1/3 der elektrischen Energiein Deutschland (167 TWh) (gesammt Verbrauch etwa 7050 kWh pro Einwohner).

• 6 Reaktoren sind BWR (boiling water reactor), 11 Reaktoren sind PWR (Pressurizedwater reactor). 1 PWR liegt seit 1988 still (Lizenz Streit). Alle Reaktoren wurden vonSiemens-KWU gebaut. Das Alter der Reaktoren: 7 zwischen 25-30 Jahre, 6 zwischen20-25 Jahre und 4 zwischen 16-20 Jahre.

• Aus “Sicherheitsgrunden” wurden nach der Wiedervereinigung die 4 russischen (plus einerin Bau) abgeschaltet.

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Kurzgeschichte der Kernenergie I

• 1896: Entdeckung der Radioaktivitat H. Becquerel.

• 1898: Entdeckung des Radium durch Marie Sklodowska-Curie und Pierre Curie.(Separation von 110 mg Radium aus etwa 1 Tonne Pechblende).

• 1911: Entdeckung des Atomkerns (Rutherford).

• 1932: Entdeckung des Neutrons (Chadwick).

• 1938: Hans Bethe und C. F. Weizacker erkannten die Kernfusion als Energiequelle derSonne.

• 1938/39: Entdeckung und Erklarung der Kernspaltung (Meitner, Hahn und Strassmann)

• 1942: Die erste “kontrollierte” Kettenreaktion wurde unter Leitung von E. Fermi am2. Dezember 1942 in Chicago durchgefuhrt.

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Kurzgeschichte der Kernenergie II

• 1942-45: Das Manhattan Projekt zum Bau der Atombombe fuhrt zum “Trinity” Test(16Juli 1945) und dem Einsatz der “Bombe” in Hiroshima 6.8.1945 (60 Kg U235) undNagasaki 9.8.1945 (8 Kg Plutonium). Die Sprengkraft der Bomben war ≈ 15 und 22Kilotonnen TNT.Etwa 150000 Menschen starben sofort. (mehr unter www.koflair.at/atomseite.asp)

• Die erste Wasserstoffbombe wurde am 1. November 1952 beim Bikini Atoll gezundet(10,4 Megatonnen ≈ 830 Mal Hiroshima Bombe). Die grosste je gezundete Bombe(58 Megatonnen) explodierte am 30. September 1961 in Russland.

• 1963: Vertrag zum Atomteststopp (Partial Test Ban Treaty/PTBT), der Atomwaffen-versuche in der Atmosphare, im Weltraum und unter Wasser. Ratifizierung durch die dreiAtomwaffenstaaten England, Sowjetunion und USA.

• 1968 (1970 in Kraft) Non-Proliferation Treaty (NPT) zur Nichtverbreitung von Atom-waffen.Die Atomwaffenstaaten (China, Frankreich, England, UdSSR und USA) akzeptieren dasRecht der Vertragspartner auf eine friedliche Nutzung der Kernenergie unter Kontrolle derInternationalen Atomenergiebehorde. Der Vertrag wurde 1995 auf einer Uberprufungskonferenzder bis dahin 178 Unterzeichnerstaaten per Akklamation zeitlich unbegrenzt und ohne Be-dingungen verlangert.Die Atommachte erklaren: “.. their intention to achieve at the earliest possible date thecessation of the nuclear arms race and to undertake effective measures in the directionof nuclear disarmament,”Weitere Atomwaffen haben Indien, Israel, und Pakistan. Diese Lander stehen noch ausser-halb des Vertragsregimes. Die mutmassliche Atomnation Nordkorea kundigte den Vertragam 10.1.2003; der Austritt wurde am 10.4.2003 wirksam.

• 2005/6(?) Die Bombardierung eines Kernreaktors in ???

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Kurzgeschichte der Kernenergie III

• Die erste elektrische Energie wird 1954 von einem Spaltungsreaktor an den Verbrauchergeliefert. Die Nutzung des so genannten “friedlichen Atoms” beginnt.(On June 27, 1954, the world’s first nuclear power plant generated electricity but noheadlines–at least, not in the West. According to the Uranium Institute (London, Eng-land), the first reactor to generate electricity for commercial use was at Obninsk, KalugaOblast, Russia. The Shippingport reactor (in Pennsylvania) was the first commercial nu-clear generator to become operational in the United States. The Shippingport reactor wasordered in 1953 and began commercial operation in 1957 (en.wikipedia.org/wiki/Nuclear reactor).

• 1955 bis etwa 1970: Etwa 100 kommerzielle Kernspaltungsreaktoren werden weltweitgebaut oder liefern bereits Strom.

• 1971 bis 1985: die Konsolidierung der Kerntechnik. Die Kernkraftwerke erreichten einegrosstechnische Reife. Aus Kostengrunden werden standardisierte Anlagen angeboten,die Blockleistung betrug bereits um 1000 MWe.

• 1975-1980(?): In vielen Landern finden grosse (zum Teil gewalttatige) Demonstrationengegen den Ausbau der Kernenergie statt.

• Die Periode der ersten Euphorie endet mit dem Tschernobyl Unfall am 26.April 1986

• 1996-1999: die schnellen Bruter Projekte in Europa werden eingestellt CREYS-MALVILLE(1998/12/31) PHENIX (1999?). Kalkar (1996) verschlang 7 Mrd. DM Baukosten ohneje in Betrieb zu gehen!

• 2001: Deutschland erklart den Ausstieg aus der Kernenergie (11.06.2001).

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Kernenergie: E = m× c2

Atomare Unit mu = 1/12×m(C126 ) = 1u = 931.50 MeV/c2

Mp = 938.272 MeV/c2 und Mn = 939.565 MeV/c2

Bindungsenergie eines Kerns X der Massenzahl A = Z + N

B(XAZ = [Z ×Mp + N ×Mn −mXA

Z ]× c2

Bindungsenergie pro Nukleon ≈ 8 MeV (fur A > 30)!

Fusion D+T = α + n + 17.6 MeV → 1 gr Helium = 5.7 ×1011 J = 158 MWh!bei der Spaltung von U(238) werden ≈ 250 MeV werden freigesetzt!

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Fusion in Sternen (unsere Sonne)

der Proton Proton Zyklus! die wichtigste Reaktion in Sternen:

1 : pp → de+ν

2 : dp → He3 + γ

3 : He3 + He3 → α(He42) + 2p

Bei diesem Prozess werden etwa 0.007 Kg Materie pro Kg Hydrogen in Energieumgewandelt.

Energie Emission der Sonne: 4 × 1026 J/sec! (also etwa 4 Millionen TonnenMaterie (aus der Fusion von 600 Millionen Tonnen Wasserstoff) werden proSekunde in Energie umgewandelt!)

Der Proton Proton Zyklus in der Sonne hat noch fur etwa 4 Milliarden Jahreausreichend Wasserstoff. (die Sonne besteht aus: 76.4% Hydrogen, 21.8%Helium, 0.8% Sauerstoff und 0.4% Kohlenstoff)

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Die Stabilitat der KerneSchwere stabile Kerne haben mehr Neutronen als Protonen!

so genannte gerade-gerade Kerne sind besonders stabil!(gerade Anzahl von sowohl Neutronen als auch von Protonen)

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α, β und γ Strahlung

• Alpha-Zerfall: XN+ZZ → Y N+Z−4

Z−2 + α

• Beta−-Zerfall: XN+ZZ → Y N+Z

Z+1 + e−ν

• Gamma-Zerfall: XN+ZZ (∗) → XN+Z

Z + γ

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Naturliche Radioaktivitat

Klassifizierung der ionisierenden Strahlen (Rutherford):

• wichtige α Strahler: Am241 (E=5.486 MeV und 5.443 MeV), Po210 (5.3 MeV) undCm242

96 (6.113 MeV und 6.070 MeV). α-“Strahlen” haben diskrete Energien!

• wichtige β Strahler: H3 (Tritium) mit Emax=0.0186 MeV, C14 mit Emax= 0.156 MeVund Cl36 mit Emax=0.714 MeV. Der β Zerfall liefert ein kontinuierliches Energiespektrum(n → e−νp).

• γ Strahlung (angeregte Kernzustande in Zerfallsketten) mit Energien von einigen 100KeV bis ein paar MeV. Man findet diskrete scharfe γ-Energien!

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/radact.html

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Daten zu wichtigen radioktiven Isotopen

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/602/616516/Chapter 22.html

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Radium (Ra88) und seine Anwendungen

• Entdeckung 1898 (1 gr Radium in 7 Tonnen Pechblende). Das Element konnte 1911durch Elektrolyse isoliert werden (M. Curie und Debierne). Man findet Radium in allenuranhaltigen Mineralien.

• Radium emittiert α, β und γ Strahlung (→ Radongas). Heute sind 25 Ra-Isotope bekannt.Das wichtigste ist Ra226 mit einer Halbwertszeit von 1600 Jahren.

• Radium wurde fur medizinische (Krebsbehandlung) und andere technische Anwendungenwie “Leuchtziffern” bei Armbanduhren benutzt.

• Unvorsichtiger Umgang mit Radium fuhrte bei vielen Physikern zu Krebs!

P. Curie (in der Nobelpreisrede 1905)“It can even be thought that radium could become very dangerous in criminalhands, and here the question can be raised whether mankind benefits fromknowing the secrets of Nature, whether it is ready to profit from it or whetherthis knowledge will not be harmful for it... I am one of those who believe withNoble that mankind will derive more good than harm from the new discover-ies.”

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Altersbestimmung mit radioaktiven Zerfallen

• Carbon 14: Alle lebenden Organismen absorbieren Kohlenstoff aus der Atmosphare undman findet ein C14/C12 Verhaltnis von etwa 1.3 10−12.Die Halbwertszeit von C14 betragt 5730 Jahre. Man erreicht eine “gute” Genauigkeit biszu etwa 50000 Jahren. Mit Hilfe von Beschleunigern hat man eine Sensitivitat von bis zu10−15 fur Messungen des C14/C12 Verhaltnisses (mit Milligramm Proben) erreicht!

• “Clocks in the Rocks”. Mit Hilfe von sehr langlebigen Elementen, z.B.: U(235) Halbw-ertszeit (0.704 Milliarden Jahre), U(238) Halbwertszeit (4.468 Milliarden Jahre) und denjeweiligen Tochterkernen (aus den Zerfallsreihen) kann man das Alter von Gesteinen unddas Alter der Erde, Meteoriten und des Mondgesteins auf 4.6 Milliarden Jahre bestimmen!

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Subatomare und subnukleare Physik

(als Grundlagenforschung)

• Verstandnis der Atomkerne und Isotope: die Kernkraft als “MeV” Physik.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/radact.html

• Entwicklung von Messmethoden und Messgeraten zum quantitativen Nachweis von ion-isierenden Strahlen und deren Wechselwirkung mit Materie.

• Subnukleare Physik (von der “GeV” zur “TeV” Physik):das “Verstehen” der fundamentalen Krafte QED, QCD, Elektroschwache Wechselwirkung(Higgs Boson) und die Entdeckung von moglichen neuen superschweren Teilchen amLHC?(super interessant aber nicht das Thema)

Teilchenphysik und Energieerzeugung (die M.D. Vermutung):“Wir werden keine “neuen fundamentalen” Energiequellen in der Teilchenphysik

finden!”

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Uran Zerfalls Reihe

Halbwertzeit: U(238) = 4.5 ×109 Jahre, U(235) = 7.04 ×108 JahreRadium (226) ≈ 1600 Jahre, Radium (228) 5.76 Jahre, Radium (224) 3.66Tage.

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/602/616516/Chapter 22.html

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Die Kernspaltung U(235) und PU(239)

n(langsam!)+U23592 → U236

92 → X + Y + νn (schnell)

fur U(235) findet man ν ≈ 2.43 (U(233) ν ≈ 2.48 und Plutonium Pu29394 ν ≈

2.87)schnelle Neutronen haben eine kinetische Energie von etwa 2 MeV, langsame(thermische) Neutronen etwa 0.025 eV!

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/602/616516/Chapter 22.html

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Physik der Kernspaltung I

n + U(235) → U(236) → X + Y + νn(fast) + ≈ 200 MeV = 3.2 ×10−11 Joule

Fur eine thermische Ausgangsleistung von 3.2 GWatt mussen also etwa 1020

Spaltprozesse pro Sekunde stattfinden (1 gr U(235) ≈ 7× 1010 J).

Kern Halbwertszeit spon. Spaltung Neutron [barn] ητ1/2 [y] τ

′

1/2[y] σtherm σEinfang νσth/σtot

Th232 1.4×1010 > 1018 0 7.2 0U235 7.1×108 1.9× 1017 577 101 2.078U238 4.5×109 8× 1015 0 2.7 0Pu239 2.4×104 5.5× 1015 741 274 2.116Cf252 2.2 66 confidential?

Daten fur wichtige spaltbare Isotope. Andere Kerne spalten nur bei zusatzlicher Energiezufuhr.Th232 und U238 konnen nur mit schnellen Neutronen gespalten werden. Man bekommt etwaeine spontane U235 Spaltung pro Gramm und Stunde! (Skript Vorlesung Prof. Lang (ETH)2000/2001)

Die Variable η entscheidet, ob sich ein Isotop zur “Energiegewinnung” eignet!

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Physik der Kernspaltung II

Energie der Neutronen und Wirkungsquerschnitt der Spaltung

Wichtig: es gibt viele Resonanzen und U(238) kann praktisch nicht durch diebei der Spaltung entstehenden Neutronen gespalten werden.

Bei der Neutron Absorption (n + U238) entsteht das spaltbare Plutonium.

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Physik der Kernspaltung III

Notwendige Bedingungen fur eine Kettenreaktion:

• Bei jeder Kernspaltung mussen “genug” Neutronen freigesetzt werden!(Neutronenvervielfachungskoeffizient K∞ mit K∞ = η)

• Absorption (wγ) von Neutronen durch “Verunreinigungen” im Reaktormaterial(z.B. Moderatoren, Spaltfragmente etc) K ′ = η(1− wγ)

• Der Reaktor hat endliche Dimensionen und einige Neutronen werden immer entweichen(we) K = η × (1− wγ)× (1− we)

• Die Leistung der Kettenreaktion wird dann: P (t) = P (0)× k(t/τg)

die Generationszeit τg liegt etwa zwischen 10−3 und 10−4 sec.

• Fur K = 1 ist der Reaktor im kritischen Zustand, K < 1(> 1)) unter (uber) kritisch!

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Fermi’s “Reaktor” in Chicago

“Am 2. Dezember 1942 gelang es einem kleinem Team von Wissenschaftlernund Ingenieuren eine Kettenreaktion mit Natururan und reinstem Graphit alsModerator durchzufuhren”. (Leistung 2 Watt)

• Naturliches Uran besteht zu 0.72% aus U(235) (das spaltbare Isotope und zu 99.27% ausU(238). Eine Kettenreaktion kann nur funktionieren wenn die Neutronen in schweremWasser oder Graphit abgebremst werden.

• “a joke among the scientists working on it was:”If people could see what we’re doing with a million-and-a-half of their dollars, they’dthink we are crazy. If they knew why we are doing it, they’d know we are.”

mehr unter: http://hep.uchicago.edu/cp1.html

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“Zusammenfassung” und Ausblick:

Physik der Kernenergie

• Die Grundlagenforschung der Subatomaren Physik war und ist faszinierend!“Wir” Teilchenphysiker (Theorie und Experiment) sind “Erben” von Ein-stein, Planck, Bohr, Heisenberg, Pauli, Dirac Fermi ... sowie P. und M.Curie, Rutherford, Chadwick, Anderson und vielen vielen anderen!

• Das energetische Potential in der Kernspaltung und der Fusion ist enorm.Wie kann es friedlich und “gefahrlos” genutzt werden?

• Kernspaltung: technologische Realisierung (Teil 2) und potentielle Prob-leme (Teil 3)

• Kernenergie: Unfalle, die Kernfusion und das ITER Projekt (Donnerstag13.10 Teil I+II).

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