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Kernreaktionen
Kernspaltung
Kernfusion
Credits
Die wohl auffälligste Kernreaktion findet im Kern der
Sonne statt. Dieser enthält in nur 1,6% des Gesamtvolumens
die halbe Masse der Sonne. Dort herrscht eine Temperatur
von mehr als 15 Millionen °C und ein Druck von
circa 300 Milliarden bar. Hier verschmelzen jeweils 4
Atomkerne des Sonnenwasserstoffs zu einem Heliumkern.
Dieser ist 0,7% leichter als die 4 Wasserstoffkerne zusammen,
die fehlende Materie wurde in Energie umgewandelt.
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1 |
H |
+ |
1 |
H |
+ |
1 |
H |
+ |
1 |
H |
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4 |
He |
1 |
1 |
1 |
1 |
2 |
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In jeder Sekunde verschmelzen 600 Millionen t Wasserstoff
zu Helium, auf diese Weise ist bereits 37% des im Kern ursprünglich
vorhandenen Wassserstoffs in den letzten 4,5 Milliarden
Jahren verbrannt. Der Rest reicht aber immer noch für
weitere 5 Milliarden Jahre.
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Unter Kernreaktionen versteht man Kernspaltungungen
und Kernfusionen, diese kann man in gewisser
Weise mit chemischen Reaktionen vergleichen, bei Energiezufuhr entsteht ein
anderer Stoff. Beide Reaktionen verlaufen exotherm, die
Kernspaltung hauptsächlich bei schweren Kernen, die Kernfusion
bei leichten.
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Im allgemeinen versteht man unter Kernreaktion den folgenden
Vorgang: Ein Teilchen trifft auf einen Kern, bildet einen
instabilen Zwischenkern, der sich nach kurzer Zeit durch
Aussendung eines oder mehrerer Elementarteilchen oder eines
leichten Atomkerns in einen neuen mehr oder weniger stabilen
Kern verwandelt. Die Umwandlung in einen neuen Kern kann auf
verschiedene Weisen vor sich gehen:
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Das eingefangene Teilchen oder ein gleichartiges Teilchen
aus dem Kern wird in einer Richtung abgestrahlt, die von
der des einfallenden abweicht.
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Der Zwischenkern geht unter Aussendung von -Strahlung
in einen energieärmeren Zustand über. Das eingefangene
Teilchen tritt aus oder bleibt im Kern.
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Statt des eingefangenen Teilchens tritt aus dem Zwischenkern
ein anderes geladenes oder ungeladenes aus, oft wird ein
Energieüberschuss durch -Strahlenemission abgeführt.
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Diese -Strahlung kann aus den meisten Atomkernen Neutronen
oder Protonen abspalten, was man Kernphotoeffekt nennt.
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Ein Stickstoffatom kann sich zum Beispiel in ein Sauerstoffatom verwandeln, indem
es ein -Teilchen, also einen Heliumkern, aufnimmt. Wird
der Kern des Stickstoffatoms von einem -Teilchen getroffen,
verbindet er sich mit dem Heliumkern zu einem Fluorkern, der sofort in einen
Sauerstoffkern und in ein Proton zerfällt.
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14 |
N |
+ |
4 |
He |
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18 |
F |
|
17 |
O |
+ |
1 |
H |
7 |
2 |
9 |
8 |
1 |
Im Jahr 1938 beschossen Otto Hahn und Friedrich Wilhelm Strassmann
einen Uran 235 Kern mit einem Neutron in der Absicht, diesen schwerer
zu machen. Zu ihrer Verwunderung aber entstand kein weiteres
Uran-Isotop sondern der Kern zerplatzte zu Cäsium 140,
Rubidium 93 und 3 Neutronen.
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235 |
U |
+ |
n |
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140 |
Cs |
+ |
93 |
Rb |
+ |
3 |
n |
92 |
55 |
37 |
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Der Uran 235 Kern nimmt das Neutron auf und erreicht dadurch den Punkt,
an dem die Abstoßungskraft zwischen den Protonen größer ist,
als die sogenannten starken Kernkräfte, welche zwischen Nukleonen
herrschen.
Das Neutron muss thermisch sein, das heißt es muss relativ langsam
fliegen; 2 Km/s anstatt 10000 Km/s wie ein normales Neutron. Nur dann
verbleibt es lange genug im Kern um diesen zu spalten. Die drei bei
der Spaltung entstehenden Neutronen können wiederum
Spaltungen auslösen. Ab einer genügend großen Menge
spaltbarem Uran kann so eine Kettenreaktion entstehen, was zum Beispiel
bei der Atombombe ausgenutzt wird. Um die Reaktion in einem Kraftwerk
kontrolliert ablaufen zu lassen, müssen die entstehenden Neutronen
zunächst abgebremst werden.
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Die bei der Spaltung entstehenden Kerne sind meistens instabil,
da sie 7 bis 8 Neutronen zu viel enthalten, und zerfallen daher unter Aussendung
von Strahlen.
Bei einer Kernspaltung entsteht 10 Millionen mal so viel Energie wie bei einer
chemischen Reaktion, mit einem Kilogramm U235 kann man zum Beispiel 22.500.000 KWh
Energie erzeugen, und das in einem Augenblick. Das Verhältnis zwischen
hineingesteckter und erzeugter Energie beträgt in etwa 1:1 Milliarde.
Damit wäre ein Kraftwerk, das mit Kernspaltung arbeitet, wesentlich
effektiver als alle anderen herkömmlichen Kraftwerke. Aber natürlich hat
die Kernspaltung auch ihre Nachteile, zum Beispiel die Gefahr eines Super-Gau's
oder die ungeklärte Frage, wie die radioaktiven Abfallprodukte entsorgt
werden können.
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Die verschmelzung mehrerer leichter Kerne mit einer Masse bis zu 16u
liefert ebenfalls Energie und hat gegenüber der
Kernspaltung
mehrere große Vorteile:
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Es entstehen keine radioaktiven Abfallprodukte.
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Der Grundstoff für die meisten Reaktionen, Wasserstoff,
ist praktisch unbegrenzt verfügbar.
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Reaktorunfälle sind durch die geringere Brennstoffmenge
sehr unwahrscheinlich.
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Eine Kernfusion wurde zum ersten Mal in den dreißiger
Jahren durchgeführt indem man Deuterium in einem
Teilchenbeschleuniger mit hochenergetischen Deuteriumkernen
beschoßen hat. Bei diesem Versuch wurde allerdings keine
nutzbare Energie gewonnen. Eine unkontrollierte Freisetzung von
Fusionsenergie kann man zum Beispiel bei einer Wasserstoffbombe
beobachten.
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Ein Problem bei der Kernfusion ist, dass alle Atomkerne positiv
geladen sind und sich deswegen gegenseitig abstossen. Erst ab
einer sehr kurzen Distanz gewinnen die starken Kernkräfte,
die zwischen Nukleonen herrschen, die Überhand und eine
Fusion kann stattfinden. Dies erreicht man, indem man die
Wasserstoffkerne auf über 50 bis 100 Millionen°C
aufheizt. Ab einer Temperatur von 100.000°C sind alle
Wasserstoffatome vollständig ionisiert, das heißt,
das Gas besteht aus einer nach außen elektrisch neutralen
Masse von positiv geladenen Kernen und negativ geladenen freien
Elektronen. Diesen Zustand bezeichnet man als Plasma.
Bei solchen Temperaturen läuft zum Beispiel in einem Gas
aus den beiden Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium
folgende Fusionsreaktion ab:
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2 |
H |
+ |
3 |
H |
|
4 |
He |
+ |
1n |
1 |
1 |
2 |
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Mit keinem uns bekannten Material kann man ein Gas mit einer
solchen Temperatur einschließen, es würde sofort
verdampfen. Da das Gas aber positiv geladen ist, kann man es mit
einem Magnetfeld einschließen. Dies wird seit den fünfziger
Jahren in Den USA und der Sowjetunion erprobt, allerdings wird es noch
eine Weile dauern, bis ein rentables Fusionkraftwerk entwickelt wird.
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Ein Reaktortyp, der sogenannte Tokamak, hat die Form eines Torus.
In diesem wird ein starkes ringförmiges Magnetfeld aufgebaut,
das etwa 100.000mal so stark ist wie das Erdmagnetfeld. In das Plasma
wird ebenfalls ein starkes Magnetfeld induziert. Die hohe Temperatur
entsteht durch den Widerstand des Plasmas.
Es gibt heute zwei große Tokamak-Reaktoren, einer in der UdSSR
und einer in der Princeton University in New Jersey (Bild). Hier wurde
1993 eine kontrollierte Kernfusion durchgeführt, bei der
Temperaturen wie im Sonneninneren entstanden.
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Diese Seite basiert auf einem Referat von:
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Charlotte Uetrecht
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Jan Henning Kritzler-Kosch
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Jörn Horstmann
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Schüler am
Söderblom-Gymnasium in Espelkamp
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Das Design stammt von:
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Jörn Horstmann
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Die Grafiken stammen von:
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Microsoft Encarta
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|
Jörn Horstmann
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Folgende Programme wurden eingesetzt:
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Paint Shop Pro 5.0 von
Jasc Software
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Selfhtml
von Stefan Münz
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Opera 3.21 Webbrowser von
Operasoftware
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Netscape Navigator
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Microsoft Notepad
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