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 der Kernenergie • Energie aus der Kernspaltung heute • Kurzgeschichte Kernenergie • physikalische Grundlagen: Radioaktivit¨ at • 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 L¨ andern (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 S¨ ud 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 L¨ andern. • Heute werden etwa 16% (35% in Europa) der elektrischen Energie auf der Welt durch Kernkraftwerke zur Verf¨ ugung gestellt, die totale installierte Leistung betr¨ agt 365.5 GWe . Die elektrische Leistung der Kernkraftwerke ist schwierig zu regeln. Deshalb laufen die Kernkraftwerke praktisch immer bei 100% der installierten Leistung! Gaskraftwerke lassen sich schnell an und ausschalten!

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Kernenergie und elektrische Energie Die Schweiz als Beispiel: Elektrische Energie Produktion (2003): 65266 GWhe . Bei einer installierte Leistung der KKW’s von 3200 MWe (≈ 10000 MWtherm ) wurden 25931 GWhe 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 betr¨ agt 5-10 Jahre.

www.iaea.org

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Kernenergie in Deutschland http://www.world-nuclear.org/info/inf43.htm • 17 Reaktoren (Leistung 20.3 GWel ) lieferten im Jahr 2004 ≈ 1/3 der elektrischen Energie in Deutschland (167 TWh) (gesammt Verbrauch etwa 7050 kWh pro Einwohner). • 6 Reaktoren sind BWR (boiling water reactor), 11 Reaktoren sind PWR (Pressurized water reactor). 1 PWR liegt seit 1988 still (Lizenz Streit). Alle Reaktoren wurden von Siemens-KWU gebaut. Das Alter der Reaktoren: 7 zwischen 25-30 Jahre, 6 zwischen 20-25 Jahre und 4 zwischen 16-20 Jahre. • Aus “Sicherheitsgr¨ unden” wurden nach der Wiedervereinigung die 4 russischen (plus einer in Bau) abgeschaltet.

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Kurzgeschichte der Kernenergie I • 1896: Entdeckung der Radioaktivit¨ at 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. Weiz¨ acker erkannten die Kernfusion als Energiequelle der Sonne. • 1938/39: Entdeckung und Erkl¨ arung der Kernspaltung (Meitner, Hahn und Strassmann) • 1942: Die erste “kontrollierte” Kettenreaktion wurde unter Leitung von E. Fermi am 2. Dezember 1942 in Chicago durchgef¨ uhrt.

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Kurzgeschichte der Kernenergie II • 1942-45: Das Manhattan Projekt zum Bau der Atombombe f¨ uhrt zum “Trinity” Test(16 Juli 1945) und dem Einsatz der “Bombe” in Hiroshima 6.8.1945 (60 Kg U235) und Nagasaki 9.8.1945 (8 Kg Plutonium). Die Sprengkraft der Bomben war ≈ 15 und 22 Kilotonnen TNT. Etwa 150000 Menschen starben sofort. (mehr unter www.koflair.at/atomseite.asp) • Die erste Wasserstoffbombe wurde am 1. November 1952 beim Bikini Atoll gez¨ undet (10,4 Megatonnen ≈ 830 Mal Hiroshima Bombe). Die gr¨ osste je gez¨ undete Bombe (58 Megatonnen) explodierte am 30. September 1961 in Russland. • 1963: Vertrag zum Atomteststopp (Partial Test Ban Treaty/PTBT), der Atomwaffenversuche in der Atmosph¨ are, im Weltraum und unter Wasser. Ratifizierung durch die drei Atomwaffenstaaten England, Sowjetunion und USA. • 1968 (1970 in Kraft) Non-Proliferation Treaty (NPT) zur Nichtverbreitung von Atomwaffen. Die Atomwaffenstaaten (China, Frankreich, England, UdSSR und USA) akzeptieren das Recht der Vertragspartner auf eine friedliche Nutzung der Kernenergie unter Kontrolle der ¨ berpr¨ Internationalen Atomenergiebeh¨ orde. Der Vertrag wurde 1995 auf einer U ufungskonferenz der bis dahin 178 Unterzeichnerstaaten per Akklamation zeitlich unbegrenzt und ohne Bedingungen verl¨ angert. Die Atomm¨ achte erkl¨ aren: “.. their intention to achieve at the earliest possible date the cessation of the nuclear arms race and to undertake effective measures in the direction of nuclear disarmament,” Weitere Atomwaffen haben Indien, Israel, und Pakistan. Diese L¨ ander stehen noch ausserhalb des Vertragsregimes. Die mutmassliche Atomnation Nordkorea k¨ undigte den Vertrag am 10.1.2003; der Austritt wurde am 10.4.2003 wirksam. • 2005/6(?) Die Bombardierung eines Kernreaktors in ??? 7

Kurzgeschichte der Kernenergie III • Die erste elektrische Energie wird 1954 von einem Spaltungsreaktor an den Verbraucher geliefert. Die Nutzung des so genannten “friedlichen Atoms” beginnt. (On June 27, 1954, the world’s first nuclear power plant generated electricity but no headlines–at least, not in the West. According to the Uranium Institute (London, England), the first reactor to generate electricity for commercial use was at Obninsk, Kaluga Oblast, Russia. The Shippingport reactor (in Pennsylvania) was the first commercial nuclear generator to become operational in the United States. The Shippingport reactor was ordered in 1953 and began commercial operation in 1957 (en.wikipedia.org/wiki/Nuclear reactor). • 1955 bis etwa 1970: Etwa 100 kommerzielle Kernspaltungsreaktoren werden weltweit gebaut oder liefern bereits Strom. • 1971 bis 1985: die Konsolidierung der Kerntechnik. Die Kernkraftwerke erreichten eine grosstechnische Reife. Aus Kostengr¨ unden werden standardisierte Anlagen angeboten, die Blockleistung betrug bereits um 1000 MWe . • 1975-1980(?): In vielen L¨ andern finden grosse (zum Teil gewaltt¨ atige) Demonstrationen gegen den Ausbau der Kernenergie statt. • Die Periode der ersten Euphorie endet mit dem Tschernobyl Unfall am 26.April 1986 • 1996-1999: die schnellen Br¨ uter Projekte in Europa werden eingestellt CREYS-MALVILLE (1998/12/31) PHENIX (1999?). Kalkar (1996) verschlang 7 Mrd. DM Baukosten ohne je in Betrieb zu gehen! • 2001: Deutschland erkl¨ art den Ausstieg aus der Kernenergie (11.06.2001). 8

Kernenergie: E = m × c2 Atomare Unit mu = 1/12 × m(C612 ) = 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(XZA = [Z × Mp + N × Mn − mXZA ] × c2 Bindungsenergie pro Nukleon ≈ 8 MeV (f¨ ur 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(He4 2 ) + 2p

Bei diesem Prozess werden etwa 0.007 Kg Materie pro Kg Hydrogen in Energie umgewandelt. Energie Emission der Sonne: 4 × 1026 J/sec! (also etwa 4 Millionen Tonnen Materie (aus der Fusion von 600 Millionen Tonnen Wasserstoff) werden pro Sekunde in Energie umgewandelt!) Der Proton Proton Zyklus in der Sonne hat noch f¨ ur etwa 4 Milliarden Jahre ausreichend Wasserstoff. (die Sonne besteht aus: 76.4% Hydrogen, 21.8% Helium, 0.8% Sauerstoff und 0.4% Kohlenstoff) 10

Die Stabilit¨ at der Kerne Schwere 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 N +Z−4 • Alpha-Zerfall: XZN +Z → YZ−2 +α N +Z • Beta− -Zerfall: XZN +Z → YZ+1 + e− ν ¯

• Gamma-Zerfall: XZN +Z (∗) → XZN +Z + γ

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Nat¨ urliche Radioaktivit¨ at Klassifizierung der ionisierenden Strahlen (Rutherford):

• wichtige α Strahler: Am241 (E=5.486 MeV und 5.443 MeV), Po210 (5.3 MeV) und Cm242 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 MeV und Cl36 mit Emax =0.714 MeV. Der β Zerfall liefert ein kontinuierliches Energiespektrum (n → e− ν ¯p). • γ Strahlung (angeregte Kernzust¨ ande in Zerfallsketten) mit Energien von einigen 100 KeV bis ein paar MeV. Man findet diskrete scharfe γ-Energien!

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/radact.html 13

Daten zu wichtigen radioktiven Isotopen

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Radium (Ra88 ) und seine Anwendungen • Entdeckung 1898 (1 gr Radium in 7 Tonnen Pechblende). Das Element konnte 1911 durch Elektrolyse isoliert werden (M. Curie und Debierne). Man findet Radium in allen uranhaltigen 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 f¨ ur medizinische (Krebsbehandlung) und andere technische Anwendungen wie “Leuchtziffern” bei Armbanduhren benutzt. • Unvorsichtiger Umgang mit Radium f¨ uhrte bei vielen Physikern zu Krebs!

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

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Altersbestimmung mit radioaktiven Zerf¨ allen • Carbon 14: Alle lebenden Organismen absorbieren Kohlenstoff aus der Atmosph¨ are und 14 12 −12 man findet ein C /C Verh¨ altnis von etwa 1.3 10 . 14 Die Halbwertszeit von C betr¨ agt 5730 Jahre. Man erreicht eine “gute” Genauigkeit bis zu etwa 50000 Jahren. Mit Hilfe von Beschleunigern hat man eine Sensitivit¨ at von bis zu −15 14 12 10 f¨ ur Messungen des C /C Verh¨ altnisses (mit Milligramm Proben) erreicht!

• “Clocks in the Rocks”. Mit Hilfe von sehr langlebigen Elementen, z.B.: U(235) Halbwertszeit (0.704 Milliarden Jahre), U(238) Halbwertszeit (4.468 Milliarden Jahre) und den jeweiligen Tochterkernen (aus den Zerfallsreihen) kann man das Alter von Gesteinen und das Alter der Erde, Meteoriten und des Mondgesteins auf 4.6 Milliarden Jahre bestimmen! 16

Subatomare und subnukleare Physik (als Grundlagenforschung) • Verst¨ andnis der Atomkerne und Isotope: die Kernkraft als “MeV” Physik.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/radact.html • Entwicklung von Messmethoden und Messger¨ aten zum quantitativen Nachweis von ionisierenden Strahlen und deren Wechselwirkung mit Materie. • Subnukleare Physik (von der “GeV” zur “TeV” Physik): das “Verstehen” der fundamentalen Kr¨ afte QED, QCD, Elektroschwache Wechselwirkung (Higgs Boson) und die Entdeckung von m¨ oglichen neuen superschweren Teilchen am LHC? (super interessant aber nicht das Thema) Teilchenphysik und Energieerzeugung (die M.D. Vermutung): “Wir werden keine “neuen fundamentalen” Energiequellen in der Teilchenphysik finden!” 17

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

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

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Die Kernspaltung U(235) und PU(239) 235 → U 236 → X + Y + νn (schnell) n(langsam!)+U92 92

f¨ ur U(235) findet man ν ≈ 2.43 (U(233) ν ≈ 2.48 und Plutonium P u293 94 ν ≈ 2.87) schnelle Neutronen haben eine kinetische Energie von etwa 2 MeV, langsame (thermische) Neutronen etwa 0.025 eV!

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Physik der Kernspaltung I n + U (235) → U (236) → X + Y + νn(fast) + ≈ 200 MeV = 3.2 ×10−11 Joule F¨ ur eine thermische Ausgangsleistung von 3.2 GWatt m¨ ussen also etwa 1020 Spaltprozesse pro Sekunde stattfinden (1 gr U(235) ≈ 7 × 1010 J). Kern

Halbwertszeit τ1/2 [y]

spon. Spaltung 0 τ1/2 [y]

Neutron [barn] σtherm σEinf ang

η νσth /σtot

Th232 U235 U238 Pu239 Cf252

1.4×1010 7.1×108 4.5×109 2.4×104 2.2

> 1018 1.9 × 1017 8 × 1015 5.5 × 1015 66

0 7.2 577 101 0 2.7 741 274 confidential?

0 2.078 0 2.116

Daten f¨ ur wichtige spaltbare Isotope. Andere Kerne spalten nur bei zus¨ atzlicher Energiezufuhr. 232 238 Th und U k¨ onnen nur mit schnellen Neutronen gespalten werden. Man bekommt etwa 235 eine spontane U 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 die bei 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 f¨ ur eine Kettenreaktion: • Bei jeder Kernspaltung m¨ ussen “genug” Neutronen freigesetzt werden! (Neutronenvervielfachungskoeffizient K∞ mit K∞ = η) • Absorption (wγ ) von Neutronen durch “Verunreinigungen” im Reaktormaterial (z.B. Moderatoren, Spaltfragmente etc) K 0 = 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. • F¨ ur K = 1 ist der Reaktor im kritischen Zustand, K < 1(> 1)) unter (¨ uber) kritisch! 22

Fermi’s “Reaktor” in Chicago “Am 2. Dezember 1942 gelang es einem kleinem Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren eine Kettenreaktion mit Natururan und reinstem Graphit als Moderator durchzuf¨ uhren”. (Leistung 2 Watt)

• Nat¨ urliches Uran besteht zu 0.72% aus U(235) (das spaltbare Isotope und zu 99.27% aus U(238). Eine Kettenreaktion kann nur funktionieren wenn die Neutronen in schwerem Wasser 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’d think we are crazy. If they knew why we are doing it, they’d know we are.” mehr unter: http://hep.uchicago.edu/cp1.html 23

“Zusammenfassung” und Ausblick: Physik der Kernenergie • Die Grundlagenforschung der Subatomaren Physik war und ist faszinierend! “Wir” Teilchenphysiker (Theorie und Experiment) sind “Erben” von Einstein, 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 Probleme (Teil 3) • Kernenergie: Unf¨ alle, die Kernfusion und das ITER Projekt (Donnerstag 13.10 Teil I+II).

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