Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 08.03.16


Neutronenstrahlung - Kernreaktor

Vortrag von Nina-B. Andritzky im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", SS 2007

Gliederung:

1 Radioaktivität

2 Strahlungsarten
2.1 Alpha-Strahlung
2.2 Beta-Strahlung
2.3 Gamma-Stahlung
2.4 Neutronenstrahlung

3 Aufbau und Funktion eines Kernreaktors
3.1 Brennstoff
3.2 Moderator
3.3 Neutronenfänger
3.4 Funktion eines Kernreaktors


Am 26. April 1986 ereignete sich im Kernkraftwerk Tschernobyl nahe der Stadt Prypjat, Ukraine (damals Sowjetunion) eine katastrophale Kernschmelze und Explosion im Kernreaktor Tschernobyl Block 4. Der Hergang des Unfalls ist bis heute nicht zweifelsfrei geklärt. Er gilt als die zweitschwerste nukleare Havarie nach der von Majak und war eine der größten Umweltkatastrophen überhaupt.


Abb. 1: Zerstörter Reaktor Tschernobyl [6]


1 Radioaktivität 

Unter Radioaktivität versteht man den spontanen Zerfall von Atomkernen unter Ausstoß radioaktiver Strahlung und Umwandlung zu anderen Kernen. In radioaktiven Nukliden verwandeln sich einzelne Atomkerne in andere Atomkerne, weil sie "zu schwer" sind, um stabil zu bleiben. Dabei senden sie Elektronen oder Pakete aus Neutronen und Protonen - Heliumkerne aus.


2 Strahlungsarten 

2.1 Die Alpha - Strahlung 

Beim Alpha-Zerfall spucken große Atomkerne kleinere Atomkerne aus - nämlich die des Elements Helium. Als Alpha-Teilchen bezeichnet man dabei je zwei positiv geladene Protonen und zwei neutrale Neutronen. Ein Beispiel für einen Alpha-Strahler ist Radium-226. Es zerfällt in Radon-222.

Die Geschwindigkeit des Zerfalls beträgt dabei zwischen 15.000 bis 20.000 Kilometer pro Sekunde, die Reichweite der Alpha-Teilchen ist gering und lässt sich schon durch ein Blatt Papier oder eine dünne Alu-Folie abschirmen.

Alpha-Teilchen sind ausgesprochen gesundheitsschädlich. Alphastrahlung steht zum Beispiel unter Verdacht, bei Rauchern für die Entstehung von Lungenkrebs mitverantwortlich zu sein. Wer raucht, der verstrahlt sich von innen: Alpha-Strahlung findet sich nämlich auch im Zigarettenrauch. In der Natur vorhandenes radioaktives Polonium 210 lagert sich an den Härchen der Tabakblätter ab und wird beim Rauchen in die Lunge gesogen.

Wegen der geringen Reichweite der Alpha-Strahlung wird die gesamte Energie vom Körper aufgenommen - in den Bronchien eines Rauchers kann man das Drei- bis Vierfache der normalen Menge des Stoffes nachweisen.

Verwendung: schwache Alpha-Strahler werden zum Beispiel in Rauchmeldern eingesetzt. 


Abb. 2: Rauchmelder [7]

Rauchmelder auf Alpha-Basis bestehen aus einer schwachen Americium-Quelle und einem Detektor. Beides ist in einem Kunststoffgehäuse eingeschlossen, das die Strahlung so gut wie komplett abschirmt. Geraten Rauchteilchen zwischen Quelle und Detektor schirmen diese ebenfalls einen Teil der Strahlung ab - der Detektor registriert, dass weniger Strahlung ankommt und schlägt Alarm. Die geringe Menge an Americium gilt zwar als unschädlich, trotzdem arbeiten moderne Melder mit Lichtstrahlen statt der radioaktiven Quelle. 

2.2 Die Beta - Strahlung 

Beta - Strahlung entsteht dadurch, dass negativ geladene Elektronen aus dem Kern geschleudert werden. Die Elektronen, die die Strahlung ausmachen, entstehen dadurch, dass sich im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umwandelt: Proton bleibt im Kern, das Elektron wird weggeschleudert.


Abb. 3: Prinzip der Betastrahlung [8]

Die Reichweite der Beta - Strahlung in Luft kann mehrere Meter betragen, abschirmen lässt sie sich durch Aluminium- oder Kunststoffplatten von einigen Millimetern Dicke.

Die Geschwindigkeit kann von null bis Lichtgeschwindigkeit betragen. Beta - Strahlung findet vielerlei Verwendung: In der strahlentherapeutische Maßnahme können Krebsgeschwüre unter der Hautoberfläche bestrahlt werden. Bei der C14-Methode misst sie die C14-Reste, die über die Jahrtausende beim Zerfall übrig bleiben. Dabei kann das Alter von archäologischen Fundstücken bestimmt werden: Lebende Organismen, also Menschen, Tiere oder Pflanzen, enthalten einen bestimmten Anteil des instabilen Kohlenstoff-14 (C14), der immer wieder neu aus der Umwelt aufgenommen wird. Nach dem Tod oder dem Absterben kann kein neuer Kohlenstoff-14 mehr aufgenommen werden, und der vorhandene Anteil zerfällt (Beta-Minus-Zerfall) zu Stickstoff-14. Man weiß, dass nach 5.730 Jahren genau die Hälfte der ursprünglich vorhandenen C14-Atome noch vorhanden sind. Diese Methode kann das Alter von Fundstücken bis zu einem Alter von etwa 50.000 Jahren bestimmen.

Weiterhin findet Beta - Strahlung Verwendung in den Leuchtziffern von Uhren, durch kleine Mengen Tritium (Beta-Strahler) Treffen die Elektronen, die das Tritium abstrahlt, auf ein fluoreszierendes Material (z. B. Zinksulfid), so regen sie dieses zum Leuchten an. Früher wurde das stärker strahlende Radium verwendet, um die Uhren leuchten zu lassen, aber aufgrund einer Serie von Todesfällen in den 20er Jahren des vergangenen Jahrhunderts unter den Arbeiterinnen, die in den USA die Ziffern auf die "Radium-Watch" aufmalten, wurde der Stoff aber vom Markt genommen.

2.3 Die Gamma - Strahlung 

Die Gamma - Strahlung kann als "elektromagnetische Welle" bezeichnet werden und gleicht daher vom Wesen her der Röntgenstrahlung und dem sichtbaren Licht. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass Röntgenstrahlung ihren Ursprung in der Atomhülle, Gammastrahlung im Kern hat. Bei der Gamma - Strahlung werden einzelne "Portionen" Photonen, sog. Quanten abgegeben.

Barium-137m bleibt auch nach der Abgabe der Gamma-Strahlung Barium. Nur Energie wird als Gamma-Teilchen abgegeben. Fällt der Barium-137m-Kern aus dem angeregten in den stabileren Grundzustand zurück, so wird die überflüssige Energie als Gammastrahlung aus dem Kern ausgestoßen. Gamma - Strahlung entsteht bei radioaktiven Vorgängen in Atomkernen und, wenn Materie und Antimaterie sich zu reiner Energie verdichten. Sehr häufig tritt sie nach einem Alpha- oder Betazerfall auf. Die Geschwindigkeit beträgt Lichtgeschwindigkeit. Gamma - Strahlung hat eine viel höhere Reichweite als Alpha- oder Beta-Strahlung: Um sie abzuschirmen, braucht man - abhängig von ihrer Energie - Bleischilde mit einer Dicke von mindestens 20 Zentimetern oder Betonwände von mindestens einem Meter Dicke.

Verwendung findet die Gamma - Strahlung in der Krebstherapie: Besonders anfällig gegen Strahlenwirkung sind Zellen in der Teilungsphase. Da sich Krebszellen häufiger teilen als gesunde Zellen, sind sie strahlenempfindlicher. Weiterhin wird Gamma - Strahlung verwendet, um Lebensmittel haltbar zu machen. Dabei dringen Gammastrahlen durch Äpfel oder Gewürze und töten dabei Krankheitserreger oder Ungeziefer ab. 

2.4 Die Neutronenstrahlung 

Die Neutronenstrahlung stellt neben der Alpha-, Beta- und Gammastrahlung eine Sonderform der Strahlungstypen dar. Dabei ist die Neutronenstrahlung sehr wichtig, denn sie spielt bei der Nutzung der Kernenergie eine entscheidende Rolle. 

Entstehung: Dringt ein Alpha-Teilchen in den Beryllium-Kern ein, so entsteht ein instabiles Kohlenstoff-Isotop mit 13 Kernbausteinen (6 Protonen und 7 Neutronen). Einen stabilen Zustand erreicht der Kern dadurch wieder, dass er ein Neutron abstößt. Am Ende steht Kohlenstoff-12.


Abb. 4: Prinzip der Neutronenstrahlung [9]

Zusätzlich zur Neutronenstrahlung wird auch Gammastrahlung frei. Auch in der Natur existiert Neutronenstrahlung - sie entsteht zum Beispiel in den oberen Schichten der Atmosphäre. Verursacht wird sie dort durch Teilchen, die einzelne Neutronen aus den Luftmolekülen schlagen. Um die Kettenreaktion in einem Atomreaktor zu starten, braucht man freie Neutronen. Diese strahlt zum Beispiel Beryllium ab, wenn man es mit Alpha-Teilchen beschießt.


3 Aufbau und Funktion eines Kernreaktors


Abb. 5: Kernkraftwerk Isar [10]

Ein Kernreaktor ist eine technische Anlage, in der Atomkerne kontrolliert gespalten werden. Die frei werdende Energie lässt sich z. B. mit Turbinen und Generatoren in elektrische Energie umwandeln. Die wichtigsten Bestandteile des Kernreaktors sind der Brennstoff, Vorrichtungen zum Abbremsen schneller Neutronen (Moderator) und zum Einfangen von Neutronen (Steuerstäbe). Zusätzlich enthält ein Kernreaktor einen Stoff, der die Wärme abführt (das "Kühlmittel") und Sicherheitseinrichtungen für den Strahlenschutz und zur Rückhaltung radioaktiver Stoffe. 

3.1 Der Brennstoff 

Als Ausgangsmaterial für die Spaltung dient bei fast allen Reaktortypen der gleiche "Brennstoff": Uran-235. Im Natururan ist nur 0,72% des U - 235 enthalten. Das reicht nicht für Kettenreaktion, weshalb der Anteil an U - 235 auf 3% angereichert wird. Angereichertes Uranoxid (UO2) wird zu Brennstofftabletten gepresst und in Brennstäbe gefüllt. 

Brennstäbe sind Metallröhren, oft aus Zirkaloy, einer Zirkonium-Legierung. Mehrere Brennstäbe werden zu Paketen, so genannten Brennelementen zusammen gefasst.

3.2 Moderator für Neutronen 

Erst die Neutronen regen das Zerfallen großer Atomkerne an, die so genannte "induzierte Kernspaltung". Voraussetzung dafür ist, dass die Atomkerne Neutronen einfangen können. Deshalb ist es am Besten, wenn die Neutronen langsam sind. Ansonsten ist die Wahrscheinlichkeit nur gering, dass sich das Neutron und der Kern für eine ausreichend lange Zeit nahe genug kommen. Allerdings sind die Neutronen, die bei der Spaltung von Kernen frei werden, meistens zu schnell: Sie besitzen große Bewegungsenergie. Ein "Moderator" muss daher die schnellen Spaltneutronen so weit abbremsen, dass sie für den nächsten Spaltprozess zur Verfügung stehen und auf diese Weise die Kettenreaktion in Gang bleibt. Ein Moderator ist ein Stoff, in dem schnelle Neutronen, wie sie in Spaltprozessen entstehen, durch Stöße langsamer werden. So stehen sie für weitere Spaltreaktionen zur Verfügung. Ein guter Moderator hat mehrere wichtige Eigenschaften: 

  • Die Atomkerne dieser Stoffe sollten eine ähnliche Masse wie die Neutronen besitzen, denn dadurch wird die meiste Energie bei den Stößen weitergegeben. 

  • Der Stoff sollte die Neutronen möglichst nicht "einfangen" und "verschlucken". Schließlich will man sie nur abbremsen und dann weiter verwenden! 

  • Es dürfen den Neutronen nicht zu wenige Atomkerne begegnen. Die Abbrems-Wirkung wäre dann zu schwach. Das heißt: Die Dichte des Moderators darf nicht zu gering sein. Und die Dichte hängt wiederum von der Temperatur des Moderators ab. 

Ein guter Moderator ist zum Beispiel normales Wasser: H2O. Das Neutron gibt beim Stoß seine ganze Bewegungsenergie ab und verliert seine Geschwindigkeit. Die Wirkung eines Moderators ist abhängig von seiner Temperatur. Bei den Temperaturen im Reaktor gilt: Je heißer das Wasser wird, desto niedriger ist seine Dichte. Die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenpralls sinkt übrigens noch weiter, wenn das Wasser verdampft, weil dann seine Dichte drastisch abnimmt.

3.3 Neutronenfänger

Weil jede Spaltung von Uran-235 mehr Neutronen freisetzt, als für die nächste Spaltung gebraucht werden, würde eine ungebremste Kettenreaktion in einer Explosion enden. Um die Kettenreaktion unter Kontrolle zu halten fangen so genannte Steuerstäbe überzählige Neutronen weg. Dadurch kann die Kettenreaktion über sehr lange Zeit in Gang bleiben. Als Neutronenfänger werden bestimmte Metalllegierungen, deren Atomkerne gerne die Neutronen aufnehmen z.B. Bor, Cadmium, verwendet. Mit Steuerstäben aus solchen Metallen - zum Beispiel aus Boral, einer Legierung aus Aluminium und Borcarbid -, die in den Reaktor hinein geschoben und herausgezogen werden, kann man den Neutronenfluss regeln und den Zustand des Reaktors einstellen. So wird nach demselben physikalischen Prinzip seit rund 60 Jahren Uran gespalten, um mit der freiwerdenden Energie Wasser zu erhitzen. Der Dampf wird anschließend - genau wie in Kohle-, Öl- oder Gas-Kraftwerken - in Turbinen eingeleitet, um die thermische Energie in kinetische Energie und anschließend in Generatoren in elektrische Energie umzuwandeln.

3.4 Funktionsprinzip eines Kernreaktors

Als Spaltmaterial wird U - 235 verwendet, als Moderator Wasser und als Neutronenfänger werden Regelstäbe aus Borcarbid oder Cadmium eingesetzt. Diese können die Kettenreaktion durch Herein- oder herausfahren kontrollieren. Die dabei freiwerdende Energie wird auf Wasser im Primärkreislauf übertragen (Wasser Kühlmittel und umspült die Brennelemente) und schließlich verdampft das Wasser im nuklearen Bereich und treibt dann im konventionellen Teil der Anlage eine Turbine an. Anschließend wird das Wasser nach der Turbine wieder abgekühlt, kondensiert und wird zurück in den Reaktorraum gepumpt. Die Kühlung erfolgt durch Flusswasser oder einen Kühlturm.


Zusammenfassung

Unter Radioaktivität versteht man den Vorgang, in dem sich einzelne Atomkerne, die sonst "zu schwer" sind, in andere Atomkerne umwandeln, um stabil zu bleiben. Dabei senden sie zum Beispiel Elektronen oder Pakete aus Neutronen und Protonen - Heliumkerne - aus. Dabei unterscheidet man zwischen verschiedenen Strahlungsarten: Alpha-, Beta-, Gamma-, Neutronenstrahlung. 

Ein Kernreaktor besteht im Wesentlichen aus einem Brennstoff, den Steuerstäben und einem Moderator.

Mittlerweile gibt es zahlreiche alternative Energiegewinnungsmethoden neben der Kernspaltung, die bei Fehlern nicht annähernd so schlimme Folgen haben wie es damals durch die Katastrophe in Tschernobyl der Fall war und noch heute Menschen darunter leiden.


Literatur:

  1. Mortimer, Ch.; Müller, U.: Chemie, 8.Auflage, Thieme Verlag, Stuttgart 2003.

  2. Stuart, H.A.; Klages, G.: Kurzes Lehrbuch der Physik, 14. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 1994.

  3. www.kernfragen.de/jugendportal/physik (23-06-2007)

  4. www.wikipedia.org/Wiki/Neutronenstrahlung (23-06-2007)

  5. www.wikipedia.org/Wiki/Kernreaktor (23-06-2007)

  6. http://crop.mur.at/g7/bigbrother/2005/bbn58/tschernobyl.jpg (138 weitere Quellen)

  7. http://www.kernfragen.de/sites/default/files/media/page/insert_images/phy03_04c.jpg (Quelle und Copyright: kernenergie.de)

  8. http://www.kernfragen.de/jugendportal/physik/03/phy_03_05.php?detail=/jugendportal/physik/03/phy_03_05A.php (24-06-2007)

  9. http://www.kernfragen.de/jugendportal/physik/03/phy_03_07.php?detail=/jugendportal/physik/03/phy_03_07A.php (25-06-2007)

  10. http://www.fzd.de/db/Pic?pOId=12914 (08-06-2008, 47 weitere Quellen)


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