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

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

Rutherfords Streuversuche mit a-Teilchen und Goldfolie (1911): 1. Atome sind weitgehend leer 2. Der Masseschwerpunkt der Atome liegt im Kern; der Kern ist positiv geladen Protonen 3. Das Volumen der Atome wird durch eine negativ geladene Hülle repräsentiert Elektronen Durchmesser Hülle: 10-5 m; Durchmesser Kern: 10-10 m

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

+ g a b- Ablenkung von a-, b- und g-Strahlung im elektrischen Feld Ra-Quelle

10 Milliarden Neutrinos pro Sekunde Süddeutsche Zeitung, 9.10.2002

Radioaktivität - Maßeinheiten Aktivität Bq (Bequerel) 1 Bq = 1 Zerfall s-1 3,7·1010 Bq = 1 Ci (Curie) 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 a, 1 für b, g und X; 3-10 für Neutronen 1 Sv = 100 rem (Röntgen equivalent man)

Fusion

Kernfusion (z.B. auf der Sonne) +

Wasserstoffisotope radioaktiv 3 t1/2 = 12.35 a

Natürliche Fusion (Sonne), Binnentemperatur ca. 106 K

Künstliche Fusion; Wasserstoffbombe

Künstliche Fusion; Wasserstoffbombe

Fusionsreaktor Fusionszone

Erzeugung überschwerer Kerne Endkern: 262107 Verbundkern: 263107 Target: 209Bi Projektil: 54Cr n g spontane Spaltung

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

Entstehung schwerer Elemente in heißen Sternen

Interstellare Wasserstoffwolken Ort der Sternentstehung

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

Wasserstofffusion (Hydrogen burning)

Heliumfusion (Helium burning)

H burning 107 K He burning 108 K Nucleosynthese 109 K e-Prozess (Si burning) 109 K r-Prozess > 109 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

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

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 235U-angereichert UF6 235U-abgereichert Anreicherung durch Zentrifugieren Rotor

Purex-Verfahren (Prinzip) TBP: O=P(OC4H9)3 Tributylphosphineoxid

Purex-Verfahren PuO2 D Pu2(ox)3 (NH4)2[U2O7] Lösen in HNO3; Extraktion mit O=P(OBu)3/Dodekan Wässrige Phase: Spaltprodukte Organische Phase: UVI, PuIV N2H4 UIV, PuIII Extraktion mit Wasser Organische Phase: UIV + HNO3/H2O UVI Wässrige Phase: PuIII Oxalat PuO2 D NH3 Pu2(ox)3 (NH4)2[U2O7]