Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.07.18


Neutronenstrahlung - Kernreaktor

Vortrag von Nina-B. Andritzky im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", SS 2007, und von Paul Spörlein im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 2017/18

Gliederung:

1 Radioaktivität

2 Strahlunsgarten
2.1
α-Strahlung
2.2
β-Strahlung
2.3 γ-Stahlung
2.4 Neutronenstrahlung

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

4 Atombombe
4.1 Aufbau
4.2 Spaltbares Material
4.3 Zünderarten


Einstieg 1: 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.

Einstieg 2: Für Lehramtsstudierende, mit Chemie als Studienfach, die nach ihrem Abschluss noch nicht sofort eine Stelle bekommen, gibt es eine lukrative Einkommensquelle um über die Runden zu kommen: Den Bau von Atombomben. Viele Staaten setzen immer noch auf ein Atomwaffenarsenal, was unter anderem das Wissen über Aufbau und Beschaffung des spaltbaren Materials voraussetzt.


1 Radioaktivität 

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


2 Strahlungsarten 

2.1 Die α-Strahlung 

Beim α-Zerfall, zerfallen große Atomkerne zu kleineren Atomkernen aus - nämlich die des Elements Helium und ein weiteres Zerfallsstadium des ursprünglichen Elements. Als α-Teilchen bezeichnet man dabei je zwei Protonen und zwei Neutronen. Ein Beispiel für einen Alpha-Strahler ist 226Ra. Es zerfällt in 222Ra.

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

α-Teilchen sind ausgesprochen gesundheitsschädlich. α-Strahlung steht zum Beispiel unter Verdacht, bei Rauchern für die Entstehung von Lungenkrebs mitverantwortlich zu sein. Wer raucht, der verstrahlt sich von innen: α-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 α-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 α-Strahler werden zum Beispiel in Rauchmeldern eingesetzt. 


Abb. 2: Rauchmelder [5]

Rauchmelder auf α-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 β-Strahlung

β-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 β-Strahlung

Die Reichweite der β-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.  β-Strahlung findet vielerlei Verwendung: In der strahlentherapeutische Maßnahme können Krebsgeschwüre unter der Hautoberfläche bestrahlt werden. Bei der 14C-Methode misst sie die 14C-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 14C, der immer wieder neu aus der Umwelt aufgenommen wird. Nach dem Tod oder dem Absterben kann kein neuer 14C- mehr aufgenommen werden, und der vorhandene Anteil zerfällt (Beta-Minus-Zerfall) zu 14N. Man weiß, dass nach 5.730 Jahren genau die Hälfte der ursprünglich vorhandenen 14C-Atome noch vorhanden sind. Diese Methode kann das Alter von Fundstücken bis zu einem Alter von etwa 50.000 Jahren bestimmen.

Weiterhin findet β-Strahlung Verwendung in den Leuchtziffern von Uhren, durch kleine Mengen Tritium (Wasserstoff-Isotop). 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 γ-Strahlung 

Die γ-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 γ-Strahlung werden einzelne "Portionen" Photonen, sog. Quanten abgegeben.

Barium-137m bleibt auch nach der Abgabe der γ-Strahlung Barium. Nur Energie wird als γ-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. γ-Strahlung entsteht bei radioaktiven Vorgängen in Atomkernen und, wenn Materie und Antimaterie sich zu reiner Energie verdichten. Sehr häufig tritt sie nach einem α- oder β-Zerfall auf. Die Geschwindigkeit beträgt Lichtgeschwindigkeit. γ-Strahlung hat eine viel höhere Reichweite als α- oder β-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 γ-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 γ-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 α-, β- und γ-Strahlung 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 α-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: Neutronenstrahlung am Berylliumzerfall; die beiden positiven Ladungen des He-Kernes werden in der Schreibweise ignoriert.

Zusätzlich zur Neutronenstrahlung wird auch γ-Strahlung 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 α-Teilchen beschießt.


3 Aufbau und Funktion eines Kernreaktors


Abb. 5: Kernkraftwerk Isar [6]

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 Kühlmittel zur Wärmeableitung  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 235U enthalten. Das reicht nicht für Kettenreaktion, weshalb der Anteil an 235U auf 3% angereichert wird. Angereichertes Uranoxid (UO2) wird zu Brennstofftabletten gepresst und in Brennstäbe gefüllt. 

Brennstäbe sind Metallröhren, oft aus Zirkalloy, 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. 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 235U 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 235U 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 einzelne Atomkerne, die sonst "zu schwer" sind, in andere Atomkerne zerfallen, um stabil zu bleiben. Dabei senden sie zum Beispiel Elektronen oder Pakete aus Neutronen und Protonen - Heliumkerne - aus. Dabei unterscheidet man zwischen verschiedenen Strahlungsarten: α-,β-, γ-, 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.


4. Atombombe

4.1 Aufbau

Der grundsätzliche Aufbau einer Atombombe ist in allen Fällen sehr ähnlich und besteht aus den gleichen Teilen, die lediglich anders angeordnet werden: Einem äußeren Mantel aus Blei, der die anderen Komponenten schützt und Strahlung daran hindert nach außen zu gelangen, dem Spaltbaren Material, aufgeteilt in zwei Ladungen, die mit Sprengstoff, der über einen Zünder zur Detonation gebracht wird und damit das spaltbare Material zur kritischen Masse überführt.


Abb. 6: Aufbau einer Atombombe [nach 9]


4.2 Spaltbares Material

Als spaltbares Material wird in Atombomben, wie auch in der Kernindustrie, 235U verwendet, allerdings kommt es in der Umwelt nur in sehr geringen Konzentrationen zusammen mit dem häufigeren Isotop 238U vor. Um  235U anzureichern werden Gaszentrifugen verwendet, in die Uranhexafluorid eingelassen wird. Das leichtere Isotop kann im inneren der Zentrifuge abgenommen werden. Um die Anreicherung so effektiv wie möglich zu machen, werden mehrere solcher Gaszentrifugen in Reihe geschaltet (Zentrifugenkaskade).


Abb. 7: Funktionsprinzip einer Gaszentrifuge zum Abreichern von 238U [nach 10]


4.3 Zünderarten

Die beiden häufigsten Zünder, die in Atombomben verwendet werden, sind das Gun-Design und der Implosionszünder.
Beim Gun-Design wird ein kleiner Teil spaltbares Material auf einen größeren Teil mittels einer Sprengladung geschossen, dadurch kommt es zur Entstehung von sogenannter überkritischer Masse, die die hohen Energiebeträge freisetzt, die schließlich eine so große Explosion herbeiführen.


Abb. 8: Zünder nach Gun-Design mit spaltbaren Material (gelb)
und Sprengstoff (rot) [nach 11]

Der Implosionszünder arbeitet nach dem Prinzip, der Unterschied liegt jedoch darin, dass mehrere kleine Ladungen spaltbaren Materials über Sprengladungen zusammengedrückt werden, zur überkritischen Masse. Bei dieser Zündmethode wird die kritische Masse wesentlich stärker verdichtet als beim Gun-Design, was zu einer stärkeren Explosion führt.


Abb. 9: Implosions-Zünder mit spaltbaren Material (gelb)
und Sprengstoff (rot) [nach 9]


Abschluss 2: Der Grundsätzliche Aufbau von Atombomben kann einfach beschrieben werden: Es benötigt einen Mantel (möglichst Strahlungsundurchlässig), spaltbares Material und einen Zünder mit Sprengstoff.

Als spaltbares Material wird oft 235U verwendet, welches erst über Gaszentrifugen angereichert werden muss. Für den Zünder hat man die Auswahl zwischen dem klassischen Gun-Design und dem Implosionsdesign.


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

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

  5. http://www.kernfragen.de/strahlungsarten (Quelle und Copyright: kernenergie.de, 4.07.2018)

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

  7. Mortimer C.E., Müller U.: Chemie (625-654) 1973, 2010 Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart

  8. Housecroft C., Sharpe A.: Anorganische Chemie 2006, Pearson Studium, München

  9. https://www.atomwaffena-z.info/wissen/atombombe/aufbau-einer-atomwaffe.html (4.07.2018)

  10.  http://www.chemryb.at/chemie1/radioaktivitaet/urananreicherung/uran4.htm (4.07.2018)

  11. https://de.wikipedia.org/wiki/Kernwaffe (4.07.2018)

  12. http://www.chemie.de/lexikon/Gaszentrifuge.html (4.07.2018)


Didaktik der Chemie

top

Universität Bayreuth

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 20.07.18