Kernenergie.

Präsentation zum Thema: "Kernenergie."—  Präsentation transkript:

1 Kernenergie

2 Sicher. Fangen wir mal ganz von vorne an.....
Seit dem Unglück in Fukushima hab ich mich gefragt, wie ein Atomkraftwerk funktioniert. Können Sie mir das erklären? Kernspaltung .

3 Im Jahre 1938 machten die deutschen Wissenschaftler Otto Hahn und Fritz Strassmann eine erstaunliche Entdeckung. Sie stellten fest, dass nach dem Neutronenbeschuss von Uran mitunter kleinere Kerne erzeugt wurden, die annähernd halb so groß wie der ursprüngliche Urankern waren. Kernspaltung .

4 Otto Hahn und Fritz Strassmann
Schau dir das an! Kernspaltung . Erstaunlich! . Otto Hahn und Fritz Strassmann

5 Der Atomkern wird verformt!
Kernspaltung . Erstaunlich! . Otto Hahn und Fritz Strassmann

6 Otto Hahn und Fritz Strassmann
Kernspaltung Was passiert da? Otto Hahn und Fritz Strassmann

7 Lise Meitner und Otto Frisch bemerkten schnell, was passiert war...
Kernspaltung .

8 Lise Meitner und Otto Frisch
Der Urankern hat sich nach der Aufnahme des Neutrons in zwei nahezu gleich große Teile gespalten. Dies ist überraschend, weil bei allen bisher bekanten Kernreaktionen nur ein winziges Fragment aus dem Kern herausgeschlagen wurde (wie ein Neutron, ein Proton oder Alpha-Teilchen). Kernspaltung . Da hast du recht! Lise Meitner und Otto Frisch

9 Dieses neue Phänomen wurde als Kernspaltung bezeichnet, weil es an die biologische Spaltung (die Zellteilung) erinnert. Kernspaltung .

10 Man gewinnt Energie. Ich erklär dir wie...
Gut. Den Begriff Kernspaltung habe ich schon öfters gehört. Aber was hat man davon? Anstelle eines großen Atomkerns, hab ich nun zwei kleinere und zwei freie Neutronen. Kernenergie .

11 Kernenergie Bestimmen wir aber erst mal das Gewicht eines Protons, eines Neutrons und eines Elektrons. ca. 1,008 u

12 Kernenergie Bestimmen wir aber erst mal das Gewicht eines Protons, eines Neutrons und eines Elektrons. ca. 1,007 u

13 Kernenergie Bestimmen wir aber erst mal das Gewicht eines Protons, eines Neutrons und eines Elektrons. ca. 0,0005 u

14 Kernenergie Setzen wir mal zwei Elemente zusammen und berechnen zunächst das Atomgewicht und anschließend messen wir es. . K: Kohlenstoff C12 Rechnung: 6 mal 1, mal 1, mal 0,0005 u = 12,093 Messung: 12,00 u

15 Kernenergie Setzen wir mal zwei Elemente zusammen und berechnen zunächst das Atomgewicht und anschließend messen wir es. . O: Sauerstoff O16 Rechnung: 8 mal 1, mal 1, mal 0,0005 u = 16,124 Messung: 15,999 u

16 Da hast du recht. Das verstehe ich nicht. Theoretisch müsste ein Kohlenstoff- und ein Sauerstoffatom mehr wiegen. Wir haben doch vorher extra die Einzelgewichte von Protonen, Neutronen und Elektronen bestimmt. Kernenergie .

17 Wo ist der Rest der Masse geblieben?
Kernenergie . Die Verbindung von Protonen (und Neutronen) zu einem Atomkern, muss also Auswirkung auf die Gesamtmasse des zusammengesetzten Atomkerns haben. Dieses Phänomen kann man mithilfe einer der berühmtesten Gleichungen von Albert Einstein erklären: E = m · c2. Diese Gleichung besagt, Energie ist dasselbe wie Masse.

18 Energie gleich Masse? Das kann ich mir nicht vorstellen.
Kernenergie Das ist auch nicht leicht. Diese Erkenntnis gewinnt man, wenn man versucht einen Körper (z.B. ein Proton) in einem Ringbeschleuniger (z.B. in CERN) zu beschleunigen. . Genf (Luftaufnahme)

19 Kernenergie Ein langsames Proton (weit weg von der maximalen Geschwindigkeit – der Lichtgeschwindigkeit) kann man noch leicht beschleunigen..... .

20 Kernenergie Ein Proton, dass fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurde, kann kaum schneller werden. Nichts ist schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Trotzdem kann man diesem Proton weiter Energie zuführen. .

21 Kernenergie Die Energie, die bei einer solch hoher Geschwindigkeit dem Proton weiterhin zugeführt wird, führt dazu, dass die Masse des Protons steigt. Hier wird die Gleichheit zwischen Masse und Energie deutlich. .

22 Kernenergie Ein und dasselbe Proton kann also unterschiedlich viel wiegen. Es kommt auf seinen Energie- zustand an. .

23 Kernenergie . Versuchen wir nun selber mal einen Heliumkern herzustellen. Wir haben zwei Protonen und zwei Neutronen. Die 2 Neutronen sind noch relativ einfach mit einem der beiden Protonen zu verbinden, da zwischen ihnen keine abstoßenden elektrischen Kräfte herrschen. Nun wird es aber schwer, das zweite Proton den 3 anderen Teilchen anzunähern, geschweige diese miteinander zu verbinden, da sich die beiden Protonen gegenseitig abstoßen und zwar immer mehr, je näher sie sich kommen. He: Helium

24 Kernenergie Man kann sich das so vorstellen, als würde man einen Stein einen Vulkankrater hinaufrollen, der immer steiler wird. Erst wenn man ganz oben angekommen ist, kann man den Stein ganz einfach fallen lassen. .

25 Kernenergie . So ähnlich ist das bei der Annäherung zweier Protonen. Erst wenn sie sich fast berühren, ist die anziehende starke Kernkraft größer als die abstoßende elektrische Kraft und man kann die Protonen einfach loslassen, ohne dass sie auseinander fliegen. Würde man das Proton bei einer größeren Entfernung bereits loslassen, dann würde dieses aufgrund der abstoßenden Kräfte davon fliegen (oder um in unserem Bild zu bleiben wieder den Vulkan herunter rollen).

26 Kernenergie Wenn nun Im Vulkankrater bereits ein weiterer Stein liegt, wird dieser vom hereinfallenden Stein angestoßen. Das bedeutet, dass die Energie, die der hereinfallende Stein beim Fall an Lageenergie verliert, in die Bewegungsenergie des anderen Steins umgewandelt wird. .

27 Kernenergie . Diese Energie wird also bei der Verbindung von Protonen frei. Diese Energie wird in kinetische Energie des zusammengesetzten Atomkerns umgewandelt. Der nach einiger Zeit ruhende zusammengesetzte Atomkern hat nun weniger Energie. Dieses führt dazu, dass er eine geringere Masse hat (Energie gleich Masse). Energiestufe 10 Energiestufe 5 Energiestufe 3

28 Kernenergie . Diese Energie wird also bei der Verbindung von Protonen frei. Diese Energie wird in kinetische Energie des zusammengesetzten Atomkerns umgewandelt. Der nach einiger Zeit ruhende zusammengesetzte Atomkern hat nun weniger Energie. Dieses führt dazu, dass er eine geringere Masse hat (Energie gleich Masse). Energiestufe 10 Energiestufe 5 Energiestufe 3

29 Kernenergie . Diese Energie wird also bei der Verbindung von Protonen frei. Diese Energie wird in kinetische Energie des zusammengesetzten Atomkerns umgewandelt. Der nach einiger Zeit ruhende zusammengesetzte Atomkern hat nun weniger Energie. Dieses führt dazu, dass er eine geringere Masse hat (Energie gleich Masse). Energie- bzw. Massestufe 10 Energie- bzw. Massestufe 5 Energie- bzw. Massestufe 3

30 Kernenergie Das Proton war vor der Verbindung schwerer als nun im Atomverbund, da es eine geringere Energie hat. Somit ist ein zusammengesetzter Atomkern leichter als die Summe seiner Einzelteile vor der Verbindung. . Energie- bzw. Massestufe 10 Energie, die zur Verbindung nötig ist Energie- bzw. Massestufe 5 Startenergie bzw. -masse Energie- bzw. Massestufe 3 Endenergie bzw. -masse

31 Kernenergie Ok. Jetzt verstehe ich, wo die Masse bzw. Energie geblieben ist. Aber mir ist immer noch nicht klar, wie nun bei der Spaltung eines Atoms Energie frei wird. Dazu komme ich jetzt.... .

32 Kernenergie Jeden Atomkern kann man sich nun wie einen unterschiedlich tiefen Vulkan vorstellen. Je tiefer der Vulkan, desto geringer wäre im Vergleich ja auch die Lageenergie eines Balles, den man dort hinrollt. .

33 Kernenergie Eine Lageenergie von 0 hätte ein Stein am Mittelpunkt der Erde. Dort würde er nicht weiterfallen. Der Stein ist fest am Mittelpunkt der Erde GEBUNDEN! .

34 Kernenergie Genau wie unterschiedlich tiefe Vulkankrater haben auch Atomkerne unterschiedliche Energiestufen (Bindungsenergien). Je größer die Bindungsenergie, desto größer ist der Energie- bzw. Masseverlust eines Teilchens, dass vorher alleine für sich war und nun dort im Atomkern mit den anderen Protonen und Neutronen. .

35 ...und desto größer auch die Bewegungsenergie nach dem Fall.
Kernenergie ...und desto größer auch die Bewegungsenergie nach dem Fall. .

36 Wird Uran mit einer mittleren Bindungsenergie von 7,57 MeV gespalten in zwei Kerne mit höherer Bindungsenergie (Barium 153 mit 8,03 MeV und Krypton 89 mit 8,61 MeV)..... Kernenergie .

37 ...dann wird bei diesem Prozess Energie freigesetzt, da der Zustand noch stabiler ist. Krypton 89 und Barium haben dadurch erhöhte Bewegungsenergie. Kernenergie .

38 Dadurch stoßen die beiden Spaltelemente mit den anderen noch nicht zerfallenen Uran 235 Atom zusammen. Dadurch erwärmt sich der Brennstab. Kernenergie .

39 Und dieses „Anschubsen“ reicht aus, damit ein Atomkraftwerk soviele Häuser mit Spannung versorgt???
Kernenergie Praktisch gesehen, ist die bei einer einzigen Spaltung freigesetzte Energie natürlich winzig. Wenn jedoch viele solcher Spaltungen in einer kurzen Zeit ablaufen könnten, ist ein enormer Energiebetrag verfügbar. .

40 Uran 235 wird gespalten, wenn man es von einem Neutron getroffen wird
Uran 235 wird gespalten, wenn man es von einem Neutron getroffen wird. Dadurch das bei jeder Kernspaltung zwei neue freie Neutronen entstehen, kommt es zu einer Kettenreaktion. Allerdings sind die freien Neutronen so noch zu schnell, um weiteres Uran 235 zu spalten. Kernenergie .

41 Wenn das Neutron zu schnell ist, kann mich sich das so vorstellen, dass es zu keiner Verformung kommt, sondern das Neutron einfach hindurch schießt. Kernspaltung .

42 Erst wenn das Neutron langsam genug ist, wird es vom Kern aufgenommen und dieser verformt sich dann.
Kernspaltung .

43 Kernspaltung

44 Und dann bricht der Kern in zwei Teile, da einige Protonen nun soweit voneinander entfernt sind, dass die abstoßenden Kräfte deutlich größer als die anziehende starke Kernkraft ist. Kernspaltung .

45 Also muss man die Neutronen abbremsen? Wie soll das denn gehen?
Kernenergie . Genau. Man benötigt Etwas, mit denen die Neutronen zusammenstoßen, um sie zu verlangsamen; einen Moderator. Der effektivste Moderator besteht aus Atomen, deren Masse so nah wie möglich an der Neutronenmasse liegt. Wenn die Masse des Stoßpartners zu klein ist, dann würde ein schnelles Neutron kaum Geschwindigkeit verlieren. Wenn der Stoßpartner zu schwer ist, dann würde das Neutron einfach an diesem Abprallen, wie eine Billardkugel an der Bande.

46 Die gleich Masse hat doch Wasserstoff H1. Nimmt man das?
Kernenergie Der beste Moderator bestünde daher aus Wasserstoffatomen H1. Unglücklicherweise neigt Wasserstoff H1 zur Aufnahme von Neutronen und wird zum Wasserstoffisotop Deuterium H2 . .

47 Kernenergie Das Wasserstoffisotop Deuterium H2 ist dagegen gegenüber Neutronen weniger aufnahmefreudig und daher ein fast idealer Moderator. .

48 Kernenergie Deuterium kann in Form von „schwerem“ Wasser genutzt werden, bei dem die Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt wurden. Ein anderer gebräuchlicher Moderator ist Grafit. .

49 Kernenergie Deuterium kann in Form von „schwerem“ Wasser genutzt werden, bei dem die Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt wurden. Ein anderer gebräuchlicher Moderator ist Grafit. .

50 Uran 235 wird gespalten, wenn man es von einem Neutron getroffen wird
Uran 235 wird gespalten, wenn man es von einem Neutron getroffen wird. Dadurch das bei jeder Kernspaltung zwei neue freie Neutronen entstehen, kommt es zu einer Kettenreaktion. Durch die Zusammenstöße mit dem Deuterium sind die freien Neutronen nun so langsam genug, um weiteres Uran 235 zu spalten. Kernenergie .

51 Uran 235 wird gespalten, wenn man es von einem Neutron getroffen wird
Uran 235 wird gespalten, wenn man es von einem Neutron getroffen wird. Dadurch das bei jeder Kernspaltung zwei neue freie Neutronen entstehen, kommt es zu einer Kettenreaktion. Durch die Zusammenstöße mit dem Deuterium sind die freien Neutronen nun so langsam genug, um weiteres Uran 235 zu spalten. Kernenergie .

52 Uran 235 wird gespalten, wenn man es von einem Neutron getroffen wird
Uran 235 wird gespalten, wenn man es von einem Neutron getroffen wird. Dadurch das bei jeder Kernspaltung zwei neue freie Neutronen entstehen, kommt es zu einer Kettenreaktion. Durch die Zusammenstöße mit dem Deuterium sind die freien Neutronen nun so langsam genug, um weiteres Uran 235 zu spalten. Kernenergie .

53 Uran 235 wird gespalten, wenn man es von einem Neutron getroffen wird
Uran 235 wird gespalten, wenn man es von einem Neutron getroffen wird. Dadurch das bei jeder Kernspaltung zwei neue freie Neutronen entstehen, kommt es zu einer Kettenreaktion. Durch die Zusammenstöße mit dem Deuterium sind die freien Neutronen nun so langsam genug, um weiteres Uran 235 zu spalten. Kernenergie .

54 Damit die Kettenreaktion kontrolliert abläuft (nicht wie bei einer Atombombe), darf pro gespaltenem Kern nur ein Neutron eine weitere Spaltung auslösen. Der Kernreaktor läuft bei konstanter Leistung. Kernenergie Wenn man also ein Uran 235 Atom mit einem langsamen Neutron beschossen hat, dann kann man diese Kette wohl nicht mehr stoppen. Ist das nicht gefährlich? .

55 Die überschüssigen Neutronen werden durch die Steuer- oder Regelstäbe aufgenommen. Durch Ein- und Ausfahren der Steuerstäbe kann die Leistung reguliert werden oder der Reaktor sofort abgeschaltet werden. Kernenergie .

56 Kernenergie Natürliches Uran enthält nur zu 0,7 Prozent spaltbares Uran-235. Um die Wahrscheinlichkeit für die Spaltung dieser Kerne zu erhöhen, kann natürliches Uran zur Erhöhung des Prozentsatzes dieser Kerne angereichert werden. Das Anreichern ist bei Reaktoren mit schwerem Wasser als Moderator üblicherweise nicht notwendig, weil schweres Wasser keine Neutronen absorbiert. OK. Ja nachdem wie weit man diese Regelstäbe zwischen die Brennstäbe schiebt, desto weniger freie Neutronen sind für die Spaltung von U 235 vorhanden. Wieso ist in den Medien eigentlich so oft die Rede von angereichertem Uran? Was ist das? .

57 Das erkläre ich dir am besten an einer Zeichnung....
Kernenergie Das erkläre ich dir am besten an einer Zeichnung.... Wie nutzt man denn nun die Energie, die durch die Spaltung von U 235 entsteht? .

58 Hier siehst du einen Querschnitt eines Atomkraftwerks...
Kernenergie .

59 Die Brennstäbe erwärmen sich durch die Kernspaltungen und dadurch auch das um die Brennstäbe befindliche schwere Wasser. Kernenergie .

60 Die Brennstäbe erwärmen sich durch die Kernspaltungen und dadurch auch das um die Brennstäbe befindliche schwere Wasser. Kernenergie .

61 Die Brennstäbe erwärmen sich durch die Kernspaltungen und dadurch auch das um die Brennstäbe befindliche schwere Wasser. Kernenergie .

62 Kernenergie

63 Kernenergie

64 Kernenergie Die Sonne macht es uns vor, dass es so was gibt. Im Inneren von Sternen läuft Kernfusion seit Jahrmillionen von Jahren ab. Leichte Atomkerne verschmelzen zu schwereren Kernen. Unsere Sonne bezieht ihre Energie aus der Wasserstofffusion: Aus vier Wasserstoffkernen (4 Protonen) wird über mehrere Zwischenschritte ein Heliumkern. Fukushima hat wieder gezeigt, dass solange die Technik in einem AKW funktioniert nicht viel passiert. Doch bis auf Deutschland will noch kein Land auf AKWs verzichten. Gibt es denn nicht auch eine sichere Technik, die so leistungsstark ist, wie bei der Kernspaltung? .

65 Zunächst verschmelzen je zwei Protonen
Zunächst verschmelzen je zwei Protonen. Bei der Verschmelzung entsteht sofort durch den Beta-Plus-Zerfall ein Deuteriumkern (1 Proton und ein Neutron), einem Isotop des Wasserstoffs. Kernenergie .

66 Zunächst verschmelzen je zwei Protonen
Zunächst verschmelzen je zwei Protonen. Bei der Verschmelzung entsteht sofort durch den Beta-Plus-Zerfall ein Deuteriumkern (1 Proton und ein Neutron), einem Isotop des Wasserstoffs. Kernenergie .

67 Danach verbindet sich ein weiteres Proton mit dem Deuteriumkern
Danach verbindet sich ein weiteres Proton mit dem Deuteriumkern. Bei der Fusion wird Energie in Form von Gamma-Strahlung frei (es kommt zu einem Masseverlust). Es entsteht ein Helium-3-Kern. Kernenergie .

68 Treffen nun zwei solcher Helium-3-Kerne aufeinander entsteht ein Helium-4-Kern. Auch hierbei wird Energie in Form von Gamma-Strahlung frei (Masseverlust) und zwei freie Protonen. „Unsere“ Sonne wird jede Sekunde durch Kernfusion um ca. 4 Millionen Tonnen leichter. Kernenergie .

69 Und das wollen wir Menschen auch machen, um Energie zu bekommen?
Kernenergie Auf der Erde soll die Kernfusion von zwei Wasserstoffisotopen (Deuterium und Tritium) zu Helium helfen, den Energiebedarf der Menschheit zu decken. Und das wollen wir Menschen auch machen, um Energie zu bekommen? .

70 Kernenergie Dabei werden ein energiereiches Neutron und Gamma-Strahlung freigesetzt. Könnte die bei dieser Reaktion frei werdende Energie vollständig in elektrische Energie umgewandelt werden, würde bei der Bildung von 1 kg Helium so viel elektrische Energie erzeugt, um den gesamten deutschen Strombedarf im Jahre 2010 für etwa 1,5 Stunden zu decken. .

71 Und wieso macht man das noch nicht?
Kernenergie Wenn sich ein Deuterium- und ein Tritiumkern nähern, werden zwischen ihnen abstoßende elektrische Kräfte ausgeübt. Diese sind umso größer, je kleiner der Abstand ist. Dadurch werden beide Kerne wieder auseinandergetrieben. Erst bei Geschwindigkeit von jeweils mehr als 1000 km/s setzt der Schmelzvorgang ein. Dazu benötigt man seeehr viel Energie. Und wieso macht man das noch nicht? .

72 Kernenergie Man würde also mehr Energie für den Betrieb eines Fusionskraftwerks brauchen, als man heraus bekommt. Leider ist es bis heute noch nicht einmal gelungen, einen Forschungsreaktor für einige Stunden laufen zu lassen. Die industrielle Nutzung wird dann noch weitere Probleme offenbaren. Kein Fachmann wagt heute eine verlässliche Prognose, wann die Fusionsreaktoren die benötigte Energie liefern werden. . Schade. Dann hätte man keine Probleme mehr mit radioaktivem Müll und dessen Lagerung bzw. Unfällen.