Kernspaltung und Fusion

Kernfusion und Kernspaltung Es gibt verschiedene Arten von Reaktionen, bei denen Energie freigesetzt wird, wenn atomare Hochleistungsbindungen zwischen Teilchen im Kern vorkommen. Bei der Spaltung wird ein Atom in zwei oder mehr kleinere, leichtere Atome gespalten. Im Gegensatz dazu tritt Fusion auf, wenn zwei oder mehr kleinere Atome miteinander verschmelzen, wodurch ein größeres, schwereres Atom entsteht.

Vergleichstabelle

Vergleich zwischen Kernspaltung und Kernfusion

	Kernspaltung	Kernfusion
Definition	Spaltung ist die Aufspaltung eines großen Atoms in zwei oder mehr kleinere.	Fusion ist das Verschmelzen von zwei oder mehr leichteren Atomen zu einem größeren.
Natürliches Auftreten des Prozesses	In der Natur tritt normalerweise keine Spaltreaktion auf.	Die Verschmelzung erfolgt in Sternen wie der Sonne.
Nebenprodukte der Reaktion	Die Spaltung produziert viele hochradioaktive Partikel.	Es werden nur wenige radioaktive Partikel durch Fusionsreaktion erzeugt, aber wenn ein Spaltauslöser verwendet wird, entstehen radioaktive Partikel.
Bedingungen	Kritische Masse der Substanz und schnelle Neutronen sind erforderlich.	Eine Umgebung mit hoher Dichte und hoher Temperatur ist erforderlich.
Energiebedarf	Es braucht wenig Energie, um zwei Atome in einer Spaltreaktion zu spalten.	Extrem hohe Energie ist erforderlich, um zwei oder mehr Protonen so nahe zu bringen, dass die nuklearen Kräfte ihre elektrostatische Abstoßung überwinden.
Energie freigesetzt	Die durch die Spaltung freigesetzte Energie ist eine Million Mal größer als die bei chemischen Reaktionen freigesetzte Energie, jedoch niedriger als die durch Kernfusion freigesetzte Energie.	Die durch die Fusion freigesetzte Energie ist drei- bis viermal größer als die durch die Spaltung freigesetzte Energie.
Nuklearwaffe	Eine Klasse von Atomwaffen ist eine Spaltbombe, die auch als Atombombe oder Atombombe bezeichnet wird.	Eine Klasse von Atomwaffen ist die Wasserstoffbombe, die eine Fusionsreaktion verwendet, um eine Fusionsreaktion "auszulösen".
Energie Produktion	Die Spaltung wird in Kernkraftwerken eingesetzt.	Fusion ist eine experimentelle Technologie zur Stromerzeugung.
Treibstoff	Uran ist der Hauptkraftstoff, der in Kraftwerken verwendet wird.	Wasserstoffisotope (Deuterium und Tritium) sind der Hauptbrennstoff für experimentelle Fusionskraftwerke.

Inhalt: Kernspaltung und Kernfusion

• 1. Definitionen
• 2 Spaltung vs. Fusionsphysik
  • 2.1 Bedingungen für Spaltung und Fusion
  • 2.2 Kettenreaktion
  • 2.3 Energieverhältnisse
• 3 Nutzung der Kernenergie
  • 3.1 Bedenken
  • 3.2 Nukleare Abfälle
• 4 natürliches Vorkommen
• 5 Effekte
• 6 Einsatz von Kernwaffen
• 7 Kosten
• 8 Referenzen

Definitionen

Fusion von Deuterium mit Tritium, wodurch Helium-4 entsteht, ein Neutron freigesetzt wird und 17.59 MeV Energie freigesetzt werden.

Kernfusion ist die Reaktion, bei der zwei oder mehr Kerne sich verbinden und ein neues Element mit einer höheren Atomzahl (mehr Protonen im Kern) bilden. Die bei der Fusion freiwerdende Energie steht in Beziehung zu E = mc ² (Einsteins berühmte Energie-Masse-Gleichung). Auf der Erde ist die wahrscheinlichste Fusionsreaktion die Deuterium-Tritium-Reaktion. Deuterium und Tritium sind Isotope von Wasserstoff.

² ₁Deuterium + ³ ₁Tritium = ⁴₂Er + ¹₀n + 17,6 MeV

[Bild: Fission-Reaction.svg | thumb | none | Spaltungsreaktion]]

Kernspaltung ist die Aufspaltung eines massiven Kerns in Photonen in Form von Gammastrahlen, freien Neutronen und anderen subatomaren Partikeln. In einer typischen Kernreaktion ²³⁵U und ein Neutron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

gefolgt von

²³⁶₉₂U = ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹ ₃₆Kr + 3n + 177 MeV

Spaltung vs. Fusionsphysik

Atome werden von zwei der vier fundamentalen Naturkräfte zusammengehalten: der schwachen und der starken Kernbindung. Die Gesamtmenge an Energie, die in den Bindungen von Atomen enthalten ist, wird Bindungsenergie genannt. Je mehr Bindungsenergie in den Bindungen enthalten ist, desto stabiler ist das Atom. Darüber hinaus versuchen Atome, durch Erhöhung ihrer Bindungsenergie stabiler zu werden.

Das Nucleon eines Eisenatoms ist das stabilste Nucleon, das in der Natur vorkommt, und es verschmilzt weder, noch spaltet es sich. Deshalb steht Eisen an der Spitze der Bindungsenergiekurve. Für Atomkerne, die leichter als Eisen und Nickel sind, kann Energie durch Energie gewonnen werden kombinieren Eisen- und Nickelkerne zusammen durch Kernfusion. Im Gegensatz dazu kann bei Atomkernen, die schwerer als Eisen oder Nickel sind, Energie durch freigesetzt werden spalten die schweren Kerne durch Kernspaltung.

Die Idee der Atomspaltung entstand aus dem in Neuseeland geborenen britischen Physiker Ernest Rutherford, der auch zur Entdeckung des Protons führte.

Bedingungen für Spaltung und Fusion

Spaltung kann nur in großen Isotopen auftreten, die mehr Neutronen als Protonen in ihren Kernen enthalten, was zu einer etwas stabilen Umgebung führt. Obwohl die Wissenschaftler noch nicht vollständig verstehen, warum diese Instabilität für die Spaltung so hilfreich ist, besteht die allgemeine Theorie darin, dass die große Anzahl von Protonen eine starke Abstoßungskraft zwischen ihnen erzeugt und dass zu wenige oder zu viele Neutronen "Lücken" erzeugen, die eine Abschwächung verursachen die nukleare Bindung, die zum Zerfall (Strahlung) führt. Diese großen Kerne mit mehr "Lücken" können durch den Einfluss von thermischen Neutronen, sogenannten "langsamen" Neutronen, "gespalten" werden.

Die Bedingungen müssen stimmen, damit eine Spaltungsreaktion stattfinden kann. Damit die Spaltung sich selbst stützen kann, muss die Substanz die kritische Masse erreichen, die erforderliche Mindestmenge. Wenn die kritische Masse unterschritten wird, wird die Reaktionslänge auf wenige Mikrosekunden begrenzt. Wenn die kritische Masse zu schnell erreicht wird, bedeutet dies, dass zu viele Neutronen in Nanosekunden freigesetzt werden, die Reaktion explosiv wird und keine kraftvolle Freisetzung von Energie stattfindet.

Kernreaktoren sind meistens kontrollierte Spaltungssysteme, die Magnetfelder verwenden, um Streuneutronen zu enthalten; Dies führt zu einem ungefähr 1: 1-Verhältnis der Neutronenfreisetzung, was bedeutet, dass ein Neutron durch den Aufprall eines Neutrons entsteht. Da diese Anzahl in mathematischen Verhältnissen variiert, muss das Magnetfeld unter der sogenannten Gaußschen Verteilung aufrechterhalten werden, damit der Reaktor funktionieren kann, und Steuerstäbe müssen verwendet werden, um die Neutronenaktivität zu verlangsamen oder zu beschleunigen.

Fusion findet statt, wenn zwei leichtere Elemente durch enorme Energie (Druck und Wärme) zusammengedrängt werden, bis sie in ein anderes Isotop übergehen und Energie freisetzen. Die zum Starten einer Fusionsreaktion benötigte Energie ist so groß, dass eine Atomexplosion erforderlich ist, um diese Reaktion zu erzeugen. Sobald die Verschmelzung beginnt, kann sie theoretisch weiterhin Energie produzieren, solange sie kontrolliert wird und die grundlegenden Schmelzisotope zugeführt werden.

Die gebräuchlichste Form der Fusion, die in Sternen auftritt, wird "D-T-Fusion" genannt und bezieht sich auf zwei Wasserstoffisotope: Deuterium und Tritium. Deuterium hat 2 Neutronen und Tritium hat 3, mehr als das eine Proton von Wasserstoff. Dies vereinfacht den Fusionsprozess, da nur die Ladung zwischen zwei Protonen überwunden werden muss, da das Verschmelzen der Neutronen mit dem Proton die Überwindung der natürlichen Abstoßungskraft von ähnlich geladenen Teilchen erfordert (Protonen haben eine positive Ladung, verglichen mit der fehlenden Ladung der Neutronen.) ) und eine Temperatur - für einen Augenblick - von fast 81 Millionen Grad Fahrenheit für die DT-Fusion (45 Millionen Kelvin oder etwas weniger in Celsius). Zum Vergleich: Die Kerntemperatur der Sonne liegt bei etwa 27 Millionen F (15 Millionen C)..^[1]

Wenn diese Temperatur erreicht ist, muss die resultierende Fusion lange genug zurückgehalten werden, um Plasma zu erzeugen, einen der vier Zustände der Materie. Das Ergebnis einer solchen Eindämmung ist die Freisetzung von Energie aus der D-T-Reaktion, wobei Helium (ein Edelgas, das für jede Reaktion inert ist) und Neutronen geschont werden, die für mehr Fusionsreaktionen Wasserstoff "aussäen" können. Gegenwärtig gibt es keine sicheren Wege, um die anfängliche Fusionstemperatur zu induzieren oder die Fusionsreaktion einzudämmen, um einen stabilen Plasmazustand zu erreichen.

Ein dritter Reaktortyp wird Brüterreaktor genannt. Bei der Spaltung wird Plutonium erzeugt, das andere Reaktoren aussäen oder als Brennstoff dienen kann. Züchterreaktoren werden in Frankreich häufig eingesetzt, sind jedoch unerschwinglich teuer und erfordern erhebliche Sicherheitsmaßnahmen, da der Ausstoß dieser Reaktoren auch zur Herstellung von Atomwaffen verwendet werden kann.

Kettenreaktion

Kernreaktionen der Kernspaltung und -fusion sind Kettenreaktionen, was bedeutet, dass ein Kernereignis mindestens eine weitere Kernreaktion verursacht, und in der Regel mehr. Das Ergebnis ist ein zunehmender Reaktionszyklus, der schnell unkontrolliert werden kann. Diese Art von Kernreaktion kann mehrere Aufteilungen von schweren Isotopen sein (z. ²³⁵ U) oder das Zusammenführen von Lichtisotopen (z. ²H und ³H).

Spaltkettenreaktionen treten auf, wenn Neutronen instabile Isotope bombardieren. Diese Art von "Aufprall- und Streuungs" -Prozess ist schwer zu kontrollieren, aber die Anfangsbedingungen sind relativ einfach zu erreichen. Eine Fusionskettenreaktion entwickelt sich nur unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen, die durch die im Fusionsprozess freiwerdende Energie stabil bleiben. Sowohl die Anfangsbedingungen als auch die Stabilisierungsfelder sind mit der derzeitigen Technologie sehr schwierig durchzuführen.

Energieverhältnisse

Fusionsreaktionen setzen 3-4 Mal mehr Energie frei als Spaltreaktionen. Obwohl es keine erdbasierten Fusionssysteme gibt, ist die Produktion der Sonne typisch für die Fusionsenergieerzeugung, indem sie ständig Wasserstoffisotope in Helium umwandelt und dabei Licht- und Wärmespektren emittiert. Die Spaltung erzeugt ihre Energie, indem sie eine Kernkraft (die starke) zersetzt und enorme Mengen an Wärme freisetzt, als zur Erwärmung von Wasser (in einem Reaktor) zur Erzeugung von Energie (Elektrizität) verwendet wird. Die Fusion überwindet 2 Kernkräfte (starke und schwache), und die freiwerdende Energie kann direkt zur Stromversorgung eines Generators verwendet werden. so wird nicht nur mehr energie freigesetzt, sondern auch für eine direktere anwendung genutzt.

Nutzung der Kernenergie

Der erste experimentelle Atomreaktor zur Energieerzeugung wurde 1947 in Chalk River, Ontario, in Betrieb genommen. Die erste Kernenergieanlage in den USA, der experimentelle Züchterreaktor-1, wurde kurz darauf, 1951, in Betrieb genommen. Es könnten 4 Glühbirnen gezündet werden. Drei Jahre später, 1954, starteten die USA ihr erstes Atom-U-Boot, das U.S.S. Nautilus, während die U.S.S.R. in Obninsk den weltweit ersten Atomreaktor für die Stromerzeugung in großem Maßstab auf den Markt brachte. Ein Jahr später eröffneten die USA ihre Anlage zur Erzeugung von Atomkraft und erhellten Arco, Idaho (1.000 Einwohner)..

Die erste kommerzielle Anlage zur Energieerzeugung mit Kernreaktoren war das Calder Hall-Werk in Windscale (jetzt Sellafield), Großbritannien. Es war auch der Ort des ersten nuklearen Unfalls im Jahr 1957, als ein Feuer aufgrund von Strahlungsleckagen ausbrach.

Das erste große US-amerikanische Kernkraftwerk wurde 1957 in Shippingport, Pennsylvania, eröffnet. Zwischen 1956 und 1973 wurden in den USA fast 40 Kernkraftwerke zur Stromerzeugung in Betrieb genommen. Der größte dieser Einheiten war die Einheit Eins des Zion-Kernkraftwerks in Illinois mit einem Atomkraftwerk Leistung von 1.155 Megawatt. Keine anderen bestellten Reaktoren sind seitdem online, andere jedoch nach 1973.

Die Franzosen lancierten 1973 ihren ersten Atomreaktor, den Phénix, der 250 Megawatt Leistung erzeugen kann. Der leistungsstärkste Reaktor zur Energieerzeugung in den USA (1.315 MW) wurde 1976 im Trojan Power Plant in Oregon eröffnet. 1977 hatten die USA 63 Kernkraftwerke in Betrieb, die 3% des Energiebedarfs der USA decken. Weitere 70 sollten bis 1990 online gehen.

Einheit Drei bei Three Mile Island erlitt einen teilweisen Zusammenbruch, wodurch Inertgase (Xenon und Krypton) in die Umgebung freigesetzt wurden. Die Anti-Atom-Bewegung gewann an Stärke, die der Vorfall ausgelöst hatte. Die Befürchtungen wurden 1986 noch verstärkt, als Block 4 im Tschernobyl-Werk in der Ukraine durch eine unkontrollierte nukleare Reaktion in der Anlage explodierte und radioaktives Material in der gesamten Region und in einem großen Teil Europas verbreitet wurde. In den 1990er Jahren bauten Deutschland und insbesondere Frankreich ihre Kernkraftwerke aus und konzentrierten sich auf kleinere und damit besser kontrollierbare Reaktoren. China hat im Jahr 2007 seine ersten zwei Nuklearanlagen in Betrieb genommen und insgesamt 1.866 MW produziert.

Zwar steht die Kernenergie hinter der Kohle- und Wasserkraftkraft an dritter Stelle im weltweiten Stromverbrauch, doch die Schließung von Kernkraftwerken zusammen mit den steigenden Kosten für den Bau und Betrieb solcher Anlagen hat zu einem Rückzug der Nutzung der Kernenergie für die Energie geführt. Frankreich ist in Bezug auf den prozentualen Anteil der von Kernreaktoren erzeugten Elektrizität an der Weltspitze, aber in Deutschland hat die Solarenergie als Energieerzeuger die Atomkraft überholt.

In den USA sind immer noch über 60 Nuklearanlagen in Betrieb, aber in Oregon und Washington haben Abstimmungsinitiativen und das Alter der Reaktoren geschlossen. Dutzende weitere werden von Demonstranten und Umweltschutzgruppen ins Visier genommen. Gegenwärtig scheint nur China die Anzahl seiner Kernkraftwerke zu vergrößern, da es seine starke Abhängigkeit von Kohle (der Hauptfaktor für seine extrem hohe Verschmutzungsrate) verringern und nach einer Alternative zum Import von Öl suchen will.

Sorgen

Die Angst vor der Kernenergie kommt aus ihren Extremen, sowohl als Waffe als auch als Kraftquelle. Die Spaltung aus einem Reaktor führt zu Abfällen, die von Natur aus gefährlich sind (siehe unten) und möglicherweise für schmutzige Bomben geeignet sind. Obwohl einige Länder, wie Deutschland und Frankreich, mit ihren Atomanlagen ausgezeichnete Erfolge vorweisen können, haben andere, weniger positive Beispiele, wie die auf Three Mile Island, Tschernobyl und Fukushima gesehenen, viele zögern, Atomkraft zu akzeptieren, obwohl dies der Fall ist ist viel sicherer als fossile Brennstoffe. Fusionsreaktoren könnten eines Tages die erschwingliche, reichhaltige Energiequelle sein, die benötigt wird, aber nur, wenn die extremen Bedingungen, die für die Schaffung von Fusionen und deren Bewältigung erforderlich sind, gelöst werden können.

Atommüll

Das Nebenprodukt der Spaltung ist radioaktiver Abfall, der tausende von Jahren benötigt, um seine gefährlichen Strahlungswerte zu verlieren. Das bedeutet, dass Kernspaltungsreaktoren auch über Sicherheitsvorkehrungen für diese Abfälle und deren Transport zu unbewohnten Lager- oder Deponien verfügen müssen. Weitere Informationen hierzu finden Sie in der Entsorgung radioaktiver Abfälle.

Natürliches Vorkommen

In der Natur findet die Verschmelzung in Sternen statt, beispielsweise in der Sonne. Auf der Erde wurde die Kernfusion erstmals mit der Schaffung der Wasserstoffbombe erreicht. Fusion wurde auch in verschiedenen experimentellen Geräten eingesetzt, oft mit der Hoffnung, Energie kontrolliert zu erzeugen.

Andererseits ist die Spaltung ein Kernprozess, der normalerweise in der Natur nicht vorkommt, da er eine große Masse und ein einfallendes Neutron erfordert. Trotzdem gab es Beispiele für Kernspaltung in natürlichen Reaktoren. Dies wurde 1972 entdeckt, als festgestellt wurde, dass Uranvorkommen aus einer Mine in Oklo, Gabun, vor etwa 2 Milliarden Jahren eine natürliche Spaltreaktion durchgemacht hatten.

Auswirkungen

Kurz gesagt, wenn eine Spaltreaktion außer Kontrolle gerät, explodiert sie entweder oder der Reaktor, der sie erzeugt, schmilzt zu einem großen Haufen radioaktiver Schlacke zusammen. Solche Explosionen oder Kernschmelzen setzen Tonnen von radioaktiven Partikeln in die Luft und in die angrenzende Oberfläche (Land oder Wasser) frei und verunreinigen sie jede Minute, wenn die Reaktion fortgesetzt wird. Im Gegensatz dazu verlangsamt sich eine Fusionsreaktion, die die Kontrolle verliert (wird unausgewogen), und senkt die Temperatur bis zum Stillstand. Dies geschieht mit Sternen, wenn sie ihren Wasserstoff in Helium verbrennen und diese Elemente über tausende von Jahrhunderten der Vertreibung verlieren. Bei der Fusion entsteht wenig radioaktiver Abfall. Wenn es zu Beschädigungen kommt, wird dies in der unmittelbaren Umgebung des Fusionsreaktors geschehen und sonst wenig.

Es ist weitaus sicherer, Fusionen zu verwenden, um Energie zu erzeugen. Die Spaltung wird jedoch verwendet, da für das Aufteilen von zwei Atomen weniger Energie erforderlich ist als für das Verschmelzen von zwei Atomen. Auch die technischen Herausforderungen bei der Kontrolle von Fusionsreaktionen sind noch nicht überwunden.

Einsatz von Kernwaffen

Alle Atomwaffen erfordern eine Kernspaltungsreaktion, um zu funktionieren, aber "reine" Spaltbomben, die nur eine Spaltreaktion verwenden, werden als Atombomben oder Atombomben bezeichnet. Atombomben wurden zum ersten Mal 1945 in New Mexico während des Zweiten Weltkrieges getestet. Im selben Jahr benutzten die Vereinigten Staaten sie als Waffe in Hiroshima und Nagasaki, Japan.

Seit der Atombombe haben die meisten der vorgeschlagenen und / oder konstruierten Nuklearwaffen auf eine oder andere Weise eine oder mehrere Spaltreaktionen durchgeführt (siehe z. B. verstärkte Spaltwaffen, radiologische Bomben und Neutronenbomben). Thermonukleare Waffen - eine Waffe, die beide Spaltungen verwendet und Wasserstoff-basierte Fusion - ist eine der bekannteren Waffenentwicklungen. Obwohl bereits 1941 die Idee einer thermonuklearen Waffe vorgeschlagen wurde, wurde die Wasserstoffbombe (H-Bombe) erst Anfang der fünfziger Jahre getestet. Im Gegensatz zu Atombomben haben Wasserstoffbomben nicht wurde in der Kriegsführung verwendet, nur getestet (siehe z. B. Zar Bomba).

Bislang nutzt keine Atomwaffe allein die Kernfusion, obwohl die Verteidigungsprogramme der Regierung umfangreiche Untersuchungen dieser Möglichkeiten angestellt haben.

Kosten

Die Spaltung ist eine mächtige Form der Energieerzeugung, jedoch mit eingebauten Ineffizienzen. Der Kernbrennstoff, üblicherweise Uran-235, ist teuer in der Förderung und Reinigung. Die Spaltreaktion erzeugt Wärme, die zum Kochen von Wasser für Dampf verwendet wird, um eine Turbine zu erzeugen, die Strom erzeugt. Diese Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie ist umständlich und teuer. Eine dritte Ursache für Ineffizienz ist, dass die Reinigung und Lagerung von Atommüll sehr teuer ist. Abfall ist radioaktiv und muss ordnungsgemäß entsorgt werden, und die Sicherheit muss eng sein, um die öffentliche Sicherheit zu gewährleisten.

Damit eine Fusion stattfinden kann, müssen die Atome im Magnetfeld eingeschlossen und auf eine Temperatur von 100 Millionen Kelvin oder mehr erhöht werden. Dies erfordert eine enorme Menge an Energie, um die Fusion einzuleiten (man nimmt an, dass Atombomben und Laser diesen "Funken" liefern), aber es besteht auch die Notwendigkeit, das Plasmafeld für eine langfristige Energieerzeugung ordnungsgemäß zu unterdrücken. Die Forscher versuchen immer noch, diese Herausforderungen zu überwinden, da die Fusion ein sichereres und leistungsfähigeres Energieerzeugungssystem ist als die Spaltung, was letztendlich weniger kostet als die Spaltung.

Verweise

• Spaltung und Fusion - Brian Swarthout auf YouTube
• Zeitleiste der Nukleargeschichte - Bildungsdatenbank Online
• Kernstabilität und magische Zahlen - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: Kernfusion
• Wikipedia: Kernspaltung