konzepte ii (ss 2007; d. rehder) teil (2): elementarteilchen und atombau kernfusion; die entstehung...
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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]