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Konzepte II (SS 2007; D. Rehder) Teil (2): Elementarteilchen und Atombau Kernfusion; die Entstehung der Elemente Kernspaltung und Urananreicherung.

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1 Konzepte II (SS 2007; D. Rehder) Teil (2): Elementarteilchen und Atombau Kernfusion; die Entstehung der Elemente Kernspaltung und Urananreicherung

2 Streuversuche mit -Teilchen und Goldfolie (Rutherford 1911) Goldfolie - Ausschnitt -Teilchen = Heliumkerne, ( 2 He) 2+ 4

3 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: m; Durchmesser Kern: m

4 Marie und Pierre Curie Entdeckung des Radiums und Poloniums 1898 Henri Bequerel Entdeckung des Phänomens Radioaktivität 1896

5 Ablenkung von -, - und -Strahlung im elektrischen Feld - Ra-Quelle +

6 Süddeutsche Zeitung, Milliarden Neutrinos pro Sekunde

7

8 Radioaktivität - Maßeinheiten AktivitätBq (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) 3,7·10 10 Bq = 1 Ci (Curie)

9 Fusion

10 + Kernfusion (z.B. auf der Sonne)

11 Wasserstoffisotope t 1/2 = a radioaktiv 3

12 Natürliche Fusion (Sonne), Binnentemperatur ca K

13 Künstliche Fusion; Wasserstoffbombe

14

15 Fusionsreaktor Fusionszone

16 Erzeugung überschwerer Kerne Projektil: 54 Cr Target: 209 Bi Verbundkern: Endkern: n spontane Spaltung

17 Insel der superschweren Elemente im Meer der Instabilität Sn Pb U, Th 112 Eka-Hg

18 Entstehung schwerer Elemente in heißen Sternen

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20 Interstellare Wasserstoffwolken Ort der Sternentstehung

21 Hertzsprung-Russel Diagramm Leuchtkraft in Einheiten der Sonne Temperatur in K Instabilität Masseverslust

22 Wasserstofffusion (Hydrogen burning)

23 Heliumfusion (Helium burning)

24 r-Prozess > 10 9 K Nucleosynthese 10 9 K e-Prozess (Si burning) 10 9 K He burning 10 8 K H burning 10 7 K

25 Sternentwicklung und Fusion

26 CNO- oder Bethe- Weizsäcker-Zyklus

27 Kernspaltung

28 Uranvorkommen

29 Pechblende (Uraninit) UO 2

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31 Uranspaltung - Kettenreaktion

32 Kernkraftwerke Isar-1 und Isar-2

33 Reaktorkern

34 Reaktorkern und Sekundärkreislauf

35 1 Reaktorkern 2 Dampfturbine 3 Generator 4 Dampferzeuger 5 Kondensator 6 Pumpe Siedewasserreaktor

36 Tschernobyl April 1986

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41 Vom uranhaltigen Gestein zum Brennmaterial (1) Auslaugung mit H 2 SO 4 /Fe 3+ UO 2 SO 4 oder mit Soda/O 2 Na 4 [UO 2 (CO 3 ) 3 ] (2) Fällen mit NH 3 als [NH 4 ] 2 [U 2 O 7 ] (3) Thermische Zersetzung zu U 3 O 8 (Yellow Cake) (4) Überführung mit HF/F 2 in UF 6 (5) Anreicherung von 235 UF 6 (von 0,7 auf ca. 3%), z. B. durch Diffusion oder Zentrifugation (6) Hydrolyse von UF 6 zu UO 2 F 2 (7) Reduktion mit H 2 zu UO 2

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43 Anreicherung durch Gasdiffusion

44 Anreicherung durch Zentrifugieren Rotor UF U- abgereichert 235 U- angereichert

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46 Purex-Verfahren (Prinzip) TBP : O=P(OC 4 H 9 ) 3 T ri b utyl p hosphineoxid

47 Purex-Verfahren Lösen in HNO 3 ; Extraktion mit O=P(OBu) 3 /Dodekan Organische Phase: U VI, Pu IV Wässrige Phase: Spaltprodukte N2H4N2H4 U IV, Pu III Extraktion mit Wasser Wässrige Phase: Pu III Oxalat Pu 2 (ox) 3 PuO 2 Organische Phase: U IV + HNO 3 /H 2 O U VI NH 3 (NH 4 ) 2 [U 2 O 7 ]


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