Die spontane Kernspaltung

Greifswald, 16. Januar 2008Helge GroschKernspaltungVortrag über die Physik der Fissionund deren Anwendungen in Naturund Technik

Übersicht• Die Entdeckung derKernspaltung• Physik der Kernspaltung• Vorkommen in derTechnik• Natürliche Vorkommen

Die Entdeckung der Kernspaltung• Versuch der Herstellung derTransurane• Bestrahlung von Uran mitNeutronen• Praktischer Nachweis durch OttoHahn und Fritz Straßmann• Theoretische Berechnung durchLise Meitner• Weiterentwicklung zum Reaktorund der Atombombe (Fermi u.a.)

• Die Entdeckung derKernspaltungÜbersicht• Physik der Kernspaltung– Spontane Spaltung– stoßinduzierte Spaltungleichter Kerne– stoßinduzierte Spaltungschwere Kerne• Vorkommen in der Technik• Natürliche Vorkommen

Die spontane KernspaltungZu einem Ellipsoidendeformierte KugelsymmetrieTröpfchenmodellE = E + E + E + E + EBindung Volumen Oberfläche Coulomb Antisym.Paarung2 2( 1 ε5 )E = E + = E + ΔEEllipsoid Kugel KugelOberfläche Oberfläche Oberfläche Oberfläche1 2( 1 ε5 )E = E − = E − ΔEEllipsoid Kugel KugelCoulomb Coulomb Coulomb Coulomb

Die spontane KernspaltungDer Spaltungsparameter X sΔEECoulomb≥ ΔE≥1 Kugel 25 Coulomb 5EOberflächeKugelOberflächeXEE1 KugelKugel5 CoulombCoulombS= =2 Kugel KugelE 25 OberflächeEOberfläche2Za12C 3 a Z= =2aAAC2 3 2aSSAXS2Z≥ 1 ⇒ ≥ 51A

Die spontane KernspaltungSpaltbarkeit von Nukliden mit X s< 1Nuklid X sHalbwertszeit(Spaltung)Halbwertszeit(α-Zerfall)232Th 0,68 >10 19 a 1,4 . 10 10 a235U 0,7 ~10 17 a 7 . 10 8 a238U 0,693 ~10 16 a 4 . 10 9 a242Pu 0,71 ~10 11 a ~4 . 10 5 a252Cf 0,74 60 a 2,2 a254Fm 0,76 246 d 3,4 h255No 0,8 ? 180 s

Stoßinduzierte Spaltung leichter KerneUnterscheidung α –Zerfall und Spaltung- α –Zerfall bei großem Unterschied der Massen derProdukte- Spaltung bei etwa gleicher GrößeBeispiel einer Spaltung leichter Kerne7 1 4 43Li +1p →2α+2α+ 17,26MeVB + n → Li + He10 1 7 45 0 3 2

Stoßinduzierte Spaltung schwerer KernePrinzipieller Ablauf der ersten Kernspaltung( )n + U → U → Y + Y + ν ⋅n238 239 * *92 92 1 2Aber: Spaltung eines 235 U einfacher, da geringereNeutronenenergie notwendigDenn: 235 U wird zu einem gg-Kern 236 U mit höhererBindungsenergie und geringer Spaltungsenergie,

Stoßinduzierte Spaltung schwerer KerneSpaltungs- und Bindungsenergie spaltbarer ElementeTargetCompoundkernE SpaltunginMeVE BindunginMeVE S-E BinMeV233U234U 5,8 7,0 -1,2235U236U 5,3 6,4 -1,1234U235U 5,8 5,3 +0,5238U239U 6,1 5,0 +1,1231Pa232Pa 6,2 5,5 +0,7232Th233Th 6,8 5,5 +1,3

Stoßinduzierte Spaltung schwerer Kerne- Neutroneneinfang- Kern wird instabil- Kern schnürt sich ein- Kern spaltet sichA A+A1 A2n +BU →BU →BY +1 BY + ν ⋅ n21 1 * 10 1 2 0Es gilt: A 1 A1 A2+ = + +νB = B + B1 2

Stoßinduzierte Spaltung schwerer KerneVerteilung der Massen der Spaltprodukte fürunterschiedliche Energien

Stoßinduzierte Spaltung schwerer KerneEnergiebilanz der KernspaltungUrsprungBetrag in MeVE Kinder Spaltprodukte 167E Kinder Neutronen 6γ -Strahlung 7Sofortige Gesamtenergie 180β — Zerfall 5γ –Strahlung 6Antineutrinostrahlung 10Abregung der Spaltprodukte 21Gesamtenergie der Spaltung 201

Übersicht• Die Entdeckung derKernspaltung• Physik der Kernspaltung• Vorkommen in derTechnik• Natürliche Vorkommen

Die Kernspaltung im Kraftwerk• Abbremsung der schnellen Neutronen⇒ Moderatorbenötigt zwei Eigenschaften:- gute Abbremsung- wenig NeutronenabsorptionBeispiel: Wasser, GraphitMittlere Anzahl Stöße bis zur thermischen Energie:Wasser 18,2Graphit 60,7

Die Kernspaltung im KraftwerkNeutronen aus 235 U-SpaltungN η+ Neutronen aus 238 U-Spaltung ε- schnelle Neutronen die entkommen (1-P S)- Resonanzeffekt von 238 U (1-p)⇒ thermische NeutronenN ηεP Sp- absorbierte Neutronen (1-f)- langsame Neutronen die entkommen (1-P th)N+= N ⋅η⋅ε⋅ p⋅f ⋅P ⋅ P = N ⋅kN 1 N S th N eff

Die Kernspaltung im Kraftwerk• k eff1 exponentieller Anstiegder thermischen Neutronen• Regelung durch Stäbe z.B.aus (InAgCd)⇒ k eff=1 stabile Kettenreaktion⇒ Stromerzeugung überWasserkreisläufe

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Die Uranerzmine von OkloVoraussetzungen für eine Kernreaktion:1. Hohe Urankonzentration (>50%)2. Ausreichend spaltbares Material3. Moderator für thermische Neutronen4. Kaum Neutronenabsorber (z.B. Lithium, Bor u.ä.)5. Vorhandensein von Startneutronen√√√√√

Hinreichende Bedingungen?• Geringerer Anteil anUran 235• ÜberproportionalerAnteil anSpaltprodukten• Bestes BeispielNeodym

Verteilung der Neodymisotope

Oklo – was können wir daraus lernen?Weitere Parallelen zu heutigen Reaktoren• Relativ geringe Leistung (insgesamt 10 11 kWh)• „Brüten“ von PlutoniumBlick in ein Endlager nach 2 Mrd. Jahren• Verbreitung der ra. Substanzen meist nur wenigeMeter• Trotzdem nur Beispiel für eine mögliche Zukunfteines Endlagers

QuellenangabeWissen:- BücherExperimentalphysik 4, Demtröder, Springer Verlag, 2. Auflage 2005Nuklidkarte, Pfennig et al., Forschungszentrum Karlsruhe, 6. Auflage 1998- Internethttp://www.e18.physik.tu-muenchen.de/skript/Kernspaltung.htmlhttp://de.wikipedia.org/wiki/Oklohttp://kernenergie-wissen.de/oklo.htmlhttp://www.energie-fakten.de/pdf/entsorgung-oklo.pdfhttp://www.grisda.org/origins/17086.htmBilder:http://www.energethique.com/notions/oklo.htmhttp://www.ocrwm.doe.gov/factsheets/doeymp0010.shtml