Kernspaltung und Fusion

Kernfusion und Kernspaltung sind verschiedene Arten von Reaktionen, die aufgrund des Vorhandenseins von starken Atombindungen zwischen Partikeln in einem Kern Energie freisetzen. Bei der Spaltung wird ein Atom in zwei oder mehr kleinere, leichtere Atome aufgeteilt. Im Gegensatz dazu tritt eine Fusion auf, wenn zwei oder mehr kleinere Atome miteinander verschmelzen und ein größeres, schwereres Atom bilden.

Vergleichstabelle

Vergleichstabelle Kernspaltung versus Kernfusion
Kernspaltung Kernfusion
DefinitionSpaltung ist die Aufspaltung eines großen Atoms in zwei oder mehr kleinere.Fusion ist die Verschmelzung von zwei oder mehr leichteren Atomen zu einem größeren.
Natürliches Auftreten des ProzessesEine Spaltreaktion tritt normalerweise in der Natur nicht auf.Fusion findet in Sternen wie der Sonne statt.
Nebenprodukte der ReaktionDie Spaltung erzeugt viele hochradioaktive Partikel.Durch Fusionsreaktion werden nur wenige radioaktive Partikel erzeugt, aber wenn ein Spalt- "Auslöser" verwendet wird, ergeben sich daraus radioaktive Partikel.
BedingungenKritische Masse der Substanz und Hochgeschwindigkeitsneutronen sind erforderlich.Eine Umgebung mit hoher Dichte und hoher Temperatur ist erforderlich.
EnergiebedarfBenötigt 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 Kernkräfte ihre elektrostatische Abstoßung überwinden.
Energie freigesetztDie durch Spaltung freigesetzte Energie ist millionenfach höher als die bei chemischen Reaktionen freigesetzte, jedoch niedriger als die durch Kernfusion freigesetzte Energie.Die durch Fusion freigesetzte Energie ist drei- bis viermal größer als die durch Spaltung freigesetzte Energie.
NuklearwaffeEine Klasse von Atomwaffen ist eine Spaltbombe, auch Atombombe oder Atombombe genannt.Eine Klasse von Atomwaffen ist die Wasserstoffbombe, die eine Spaltreaktion verwendet, um eine Fusionsreaktion "auszulösen".
Energie ProduktionDie Spaltung wird in Kernkraftwerken eingesetzt.Fusion ist eine experimentelle Technologie zur Stromerzeugung.
TreibstoffUran ist der Hauptbrennstoff in Kraftwerken.Wasserstoffisotope (Deuterium und Tritium) sind der Hauptbrennstoff für experimentelle Fusionskraftwerke.

Definitionen

Fusion von Deuterium mit Tritium unter Bildung von Helium-4, Freisetzung eines Neutrons und Freisetzung von 17, 59 MeV Energie.

Kernfusion ist die Reaktion, bei der sich zwei oder mehr Kerne verbinden und ein neues Element mit einer höheren Ordnungszahl bilden (mehr Protonen im Kern). Die bei der Fusion freigesetzte Energie hängt mit E = mc 2 (Einsteins berühmter Energie-Massen-Gleichung) zusammen. Auf der Erde ist die wahrscheinlichste Fusionsreaktion die Deuterium-Tritium-Reaktion. Deuterium und Tritium sind Isotope von Wasserstoff.

2 1 Deuterium + 3 1 Tritium = 4 2 He + 1 0 n + 17, 6 MeV

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

235 92 U + n = 236 92 U.

gefolgt von

236 92 U = 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 n + 177 MeV

Spaltung vs. Fusionsphysik

Atome werden von zwei der vier fundamentalen Kräfte der Natur zusammengehalten: den schwachen und starken nuklearen Bindungen. Die gesamte Energiemenge, die in den Bindungen der Atome enthalten ist, wird als Bindungsenergie bezeichnet. 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 Nukleon eines Eisenatoms ist das stabilste Nukleon in der Natur und fusioniert weder und spaltet sich nicht. Aus diesem Grund befindet sich Eisen an der Spitze der Bindungsenergiekurve. Für Atomkerne, die leichter als Eisen und Nickel sind, kann Energie gewonnen werden, indem Eisen- und Nickelkerne durch Kernfusion miteinander kombiniert werden . Im Gegensatz dazu kann bei Atomkernen, die schwerer als Eisen oder Nickel sind, Energie freigesetzt werden, indem die schweren Kerne durch Kernspaltung gespalten werden.

Die Idee, das Atom zu spalten, entstand aus der Arbeit des in Neuseeland geborenen britischen Physikers Ernest Rutherford, die auch zur Entdeckung des Protons führte.

Bedingungen für Spaltung und Fusion

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

Die Bedingungen müssen stimmen, damit eine Spaltreaktion auftritt. Damit sich die Spaltung selbst trägt, muss der Stoff die kritische Masse erreichen, die erforderliche Mindestmasse. Das Unterschreiten der kritischen Masse begrenzt die Reaktionslänge auf nur Mikrosekunden. Wenn die kritische Masse zu schnell erreicht wird, was bedeutet, dass in Nanosekunden zu viele Neutronen freigesetzt werden, wird die Reaktion rein explosiv und es tritt keine starke Energiefreisetzung auf.

Kernreaktoren sind meist kontrollierte Spaltungssysteme, die Magnetfelder verwenden, um streunende Neutronen zu enthalten. Dies erzeugt ein Verhältnis der Neutronenfreisetzung von ungefähr 1: 1, was bedeutet, dass ein Neutron aus dem Einfluss eines Neutrons hervorgeht. Da diese Zahl in mathematischen Anteilen variiert, muss unter der sogenannten Gaußschen Verteilung das Magnetfeld aufrechterhalten werden, damit der Reaktor funktioniert, und Steuerstäbe müssen verwendet werden, um die Neutronenaktivität zu verlangsamen oder zu beschleunigen.

Die Fusion findet statt, wenn zwei leichtere Elemente durch enorme Energie (Druck und Wärme) zusammengedrückt werden, bis sie zu einem anderen Isotop verschmelzen und Energie freisetzen. Die Energie, die zum Starten einer Fusionsreaktion benötigt wird, ist so groß, dass eine atomare Explosion erforderlich ist, um diese Reaktion zu erzeugen. Sobald die Fusion beginnt, kann sie theoretisch weiterhin Energie produzieren, solange sie kontrolliert wird und die grundlegenden Schmelzisotope zugeführt werden.

Die häufigste Form der Fusion, die in Sternen auftritt, wird als "DT-Fusion" bezeichnet und bezieht sich auf zwei Wasserstoffisotope: Deuterium und Tritium. Deuterium hat 2 Neutronen und Tritium hat 3, mehr als das eine Proton Wasserstoff. Dies erleichtert den Fusionsprozess, da nur die Ladung zwischen zwei Protonen überwunden werden muss, da für die Fusion der Neutronen und des Protons die natürliche Abstoßungskraft gleich geladener Teilchen überwunden werden muss (Protonen haben eine positive Ladung im Vergleich zum Mangel an Ladung der Neutronen) ) und für einen Moment eine Temperatur von fast 81 Millionen Grad Fahrenheit für die DT-Fusion (45 Millionen Kelvin oder etwas weniger in Celsius). Zum Vergleich: Die Kerntemperatur der Sonne beträgt ungefähr 15 Millionen ° C. [1]

Sobald diese Temperatur erreicht ist, muss die resultierende Fusion lange genug enthalten sein, um Plasma, einen der vier Materiezustände, zu erzeugen. Das Ergebnis einer solchen Eindämmung ist eine Freisetzung von Energie aus der DT-Reaktion, die Helium (ein Edelgas, das für jede Reaktion inert ist) und Ersatzneutronen erzeugt, als Wasserstoff für mehr Fusionsreaktionen "aussäen" kann. Gegenwärtig gibt es keine sicheren Wege, um die anfängliche Fusionstemperatur zu induzieren oder die Schmelzreaktion einzudämmen, um einen stabilen Plasmazustand zu erreichen, aber die Bemühungen dauern an.

Ein dritter Reaktortyp wird als Brutreaktor bezeichnet. Durch Spaltung entsteht Plutonium, das andere Reaktoren säen oder als Brennstoff dienen kann. Züchterreaktoren werden in Frankreich häufig eingesetzt, sind jedoch unerschwinglich teuer und erfordern erhebliche Sicherheitsmaßnahmen, da die Leistung dieser Reaktoren auch zur Herstellung von Atomwaffen verwendet werden kann.

Kettenreaktion

Spalt- und Fusionskernreaktionen sind Kettenreaktionen, was bedeutet, dass ein Kernereignis mindestens eine andere Kernreaktion verursacht und typischerweise mehr. Das Ergebnis ist ein zunehmender Reaktionszyklus, der schnell unkontrolliert werden kann. Diese Art der Kernreaktion kann eine Mehrfachspaltung schwerer Isotope (z. B. 235 U) oder die Verschmelzung leichter Isotope (z. B. 2H und 3H) sein.

Spaltkettenreaktionen treten auf, wenn Neutronen instabile Isotope bombardieren. Diese Art von "Aufprall- und Streuprozess" 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 freigesetzte Energie stabil bleiben. Sowohl die Anfangsbedingungen als auch die Stabilisierungsfelder sind mit der gegenwärtigen Technologie sehr schwierig durchzuführen.

Energieverhältnisse

Fusionsreaktionen setzen 3-4 mal mehr Energie frei als Spaltreaktionen. Obwohl es keine erdbasierten Fusionssysteme gibt, ist die Sonnenleistung für die Erzeugung von Fusionsenergie insofern typisch, als sie Wasserstoffisotope ständig in Helium umwandelt und dabei Licht- und Wärmespektren emittiert. Die Spaltung erzeugt ihre Energie, indem sie eine Kernkraft (die starke) abbaut und enorme Wärmemengen freisetzt, die zum Erhitzen von Wasser (in einem Reaktor) verwendet werden, um dann Energie (Elektrizität) zu erzeugen. Die Fusion überwindet zwei Kernkräfte (stark und schwach), und die freigesetzte Energie kann direkt zum Antrieb eines Generators verwendet werden. Dadurch wird nicht nur mehr Energie freigesetzt, sondern es kann auch für eine direktere Anwendung genutzt werden.

Nutzung der Kernenergie

Der erste experimentelle Kernreaktor zur Energieerzeugung wurde 1947 in Chalk River, Ontario, in Betrieb genommen. Die erste Kernenergieanlage in den USA, der Experimental Breeder Reactor-1, wurde kurz darauf 1951 in Betrieb genommen. es könnte 4 Glühbirnen anzünden. Drei Jahre später, 1954, starteten die USA in Obninsk ihr erstes Atom-U-Boot, die USS Nautilus, während die UdSSR den weltweit ersten Atomreaktor zur Stromerzeugung in großem Maßstab startete. Ein Jahr später weihten die USA ihre Kernkraftanlage ein und beleuchteten Arco, Idaho (1.000 Einwohner).

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

Das erste große US-Atomkraftwerk wurde 1957 in Shippingport, Pennsylvania, eröffnet. Zwischen 1956 und 1973 wurden in den USA fast 40 Kernreaktoren zur Stromerzeugung in Betrieb genommen Leistung von 1.155 Megawatt. Seitdem sind keine weiteren bestellten Reaktoren online gegangen, andere wurden jedoch nach 1973 in Betrieb genommen.

Die Franzosen starteten 1973 ihren ersten Kernreaktor, den Phénix, der 250 Megawatt Strom erzeugen kann. Der leistungsstärkste Energieerzeuger in den USA (1.315 MW) wurde 1976 im Trojanischen Kraftwerk in Oregon eröffnet. Bis 1977 hatten die USA 63 Kernkraftwerke in Betrieb, die 3% des Energiebedarfs des Landes decken. Weitere 70 sollten bis 1990 online gehen.

Die zweite Einheit auf Three Mile Island erlitt einen teilweisen Zusammenbruch und setzte Inertgase (Xenon und Krypton) in die Umwelt frei. Die Anti-Atom-Bewegung gewann an Stärke durch die Befürchtungen, die der Vorfall verursachte. Die Befürchtungen wurden 1986 noch verstärkt, als Block 4 im Werk Tschernobyl in der Ukraine eine außer Kontrolle geratene Kernreaktion erlitt, die die Anlage explodierte und radioaktives Material in der gesamten Region und in weiten Teilen Europas verbreitete. In den neunziger Jahren erweiterten Deutschland und insbesondere Frankreich ihre Kernkraftwerke und konzentrierten sich auf kleinere und damit besser steuerbare Reaktoren. China startete 2007 seine ersten beiden Nuklearanlagen mit einer Gesamtleistung von 1.866 MW.

Obwohl die Kernenergie in Bezug auf die weltweit produzierte Leistung an dritter Stelle hinter Kohle und Wasserkraft steht, hat der Vorstoß zur Schließung von Kernkraftwerken in Verbindung mit den steigenden Kosten für den Bau und Betrieb solcher Anlagen zu einem Rückgang der Nutzung der Kernenergie für die Stromversorgung geführt. Frankreich ist weltweit führend in Prozent des von Kernreaktoren erzeugten Stroms, aber in Deutschland hat Solar als Energieerzeuger die Atomkraft überholt.

Die USA haben immer noch über 60 Nuklearanlagen in Betrieb, aber Wahlinitiativen und Reaktoralter haben Werke in Oregon und Washington geschlossen, während Dutzende weitere von Demonstranten und Umweltschutzgruppen ins Visier genommen werden. Derzeit scheint nur China seine Anzahl an Kernkraftwerken zu erhöhen, da es versucht, seine starke Abhängigkeit von Kohle (der Hauptfaktor für seine extrem hohe Verschmutzungsrate) zu verringern und eine Alternative zum Import von Öl zu suchen.

Bedenken

Die Angst vor der Kernenergie kommt von ihren Extremen, sowohl als Waffe als auch als Energiequelle. Durch die Spaltung eines Reaktors entsteht Abfallmaterial, das von Natur aus gefährlich ist (siehe unten) und für schmutzige Bomben geeignet sein könnte. Obwohl einige Länder wie Deutschland und Frankreich mit ihren Nuklearanlagen hervorragende Erfolge vorweisen können, haben andere weniger positive Beispiele, wie die auf Three Mile Island, Tschernobyl und Fukushima, viele dazu veranlasst, die Kernenergie nur ungern zu akzeptieren, obwohl dies der Fall ist ist viel sicherer als fossile Brennstoffe. Fusionsreaktoren könnten eines Tages die erschwingliche, reichlich vorhandene Energiequelle sein, die benötigt wird, aber nur, wenn die extremen Bedingungen, die für die Erstellung und Verwaltung der Fusion erforderlich sind, gelöst werden können.

Atommüll

Das Nebenprodukt der Spaltung sind radioaktive Abfälle, die Tausende von Jahren brauchen, um ihre gefährlichen Strahlungswerte zu verlieren. Dies bedeutet, dass Kernspaltungsreaktoren auch Schutzmaßnahmen für diese Abfälle und ihren Transport zu unbewohnten Lager- oder Deponien haben müssen. Weitere Informationen hierzu finden Sie in der Entsorgung radioaktiver Abfälle.

Natürliches Vorkommen

In der Natur findet die Fusion in Sternen wie der Sonne statt. Auf der Erde wurde die Kernfusion erstmals bei der Schaffung der Wasserstoffbombe erreicht. Fusion wurde auch in verschiedenen experimentellen Geräten eingesetzt, oft in der Hoffnung, Energie auf kontrollierte Weise zu erzeugen.

Andererseits ist die Spaltung ein Kernprozess, der normalerweise in der Natur nicht stattfindet, da er eine große Masse und ein einfallendes Neutron erfordert. Trotzdem gab es Beispiele für Kernspaltungen in natürlichen Reaktoren. Dies wurde 1972 entdeckt, als festgestellt wurde, dass Uranvorkommen aus einer Oklo-Mine in Gabun vor etwa 2 Milliarden Jahren eine natürliche Spaltreaktion 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. Solche Explosionen oder Kernschmelzen setzen Tonnen radioaktiver Partikel in die Luft und in benachbarte Oberflächen (Land oder Wasser) frei und verunreinigen diese jede Minute, in der die Reaktion fortgesetzt wird. Im Gegensatz dazu verlangsamt sich eine Fusionsreaktion, die die Kontrolle verliert (aus dem Gleichgewicht gerät) und senkt die Temperatur, bis sie stoppt. Dies passiert mit Sternen, wenn sie ihren Wasserstoff zu Helium verbrennen und diese Elemente über Tausende von Jahrhunderten der Vertreibung verlieren. Die Fusion produziert wenig radioaktiven Abfall. Wenn es irgendwelche Schäden gibt, passiert dies in der unmittelbaren Umgebung des Fusionsreaktors und sonst wenig.

Es ist weitaus sicherer, Fusion zur Stromerzeugung zu verwenden, aber Spaltung wird verwendet, weil weniger Energie benötigt wird, um zwei Atome zu spalten, als um zwei Atome zu fusionieren. Auch die technischen Herausforderungen bei der Steuerung von Fusionsreaktionen wurden noch nicht bewältigt.

Einsatz von Atomwaffen

Alle Atomwaffen erfordern eine Kernspaltungsreaktion, um zu funktionieren, aber "reine" Spaltbomben, die nur eine Spaltreaktion verwenden, werden als Atombomben oder Atombomben bezeichnet. Atombomben wurden erstmals 1945 in New Mexico auf dem Höhepunkt des Zweiten Weltkriegs getestet. Im selben Jahr verwendeten die Vereinigten Staaten sie in Hiroshima und Nagasaki, Japan, als Waffe.

Seit der Atombombe haben die meisten der vorgeschlagenen und / oder konstruierten Atomwaffen die Spaltreaktion (en) auf die eine oder andere Weise verstärkt (siehe z. B. verstärkte Spaltwaffe, radiologische Bomben und Neutronenbomben). Thermonukleare Waffen - eine Waffe, die sowohl Spaltung als auch Fusion auf Wasserstoffbasis verwendet - sind eine der bekannteren Waffenverbesserungen. Obwohl bereits 1941 die Idee einer thermonuklearen Waffe vorgeschlagen wurde, wurde die Wasserstoffbombe (H-Bombe) erst Anfang der 1950er Jahre erstmals getestet. Im Gegensatz zu Atombomben wurden Wasserstoffbomben nicht in der Kriegsführung eingesetzt, sondern nur getestet (siehe z. B. Zar Bomba).

Bisher nutzt keine Atomwaffe allein die Kernfusion, obwohl staatliche Verteidigungsprogramme eine solche Möglichkeit eingehend untersucht haben.

Kosten

Die Spaltung ist eine leistungsstarke Form der Energieerzeugung, die jedoch mit eingebauten Ineffizienzen verbunden ist. Der Kernbrennstoff, normalerweise Uran-235, ist teuer in der Gewinnung und Reinigung. Die Spaltreaktion erzeugt Wärme, die zum Kochen von Wasser für Dampf verwendet wird, um eine Turbine zu drehen, 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. Abfälle sind radioaktiv und müssen ordnungsgemäß entsorgt werden. Die Sicherheit muss streng 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 Energiemenge, um die Fusion zu initiieren (Atombomben und Laser sollen diesen "Funken" liefern), aber es besteht auch die Notwendigkeit, das Plasmafeld für eine langfristige Energieerzeugung ordnungsgemäß einzudämmen. Die Forscher versuchen immer noch, diese Herausforderungen zu bewältigen, da die Fusion ein sichereres und leistungsfähigeres Energieerzeugungssystem als die Spaltung darstellt, was bedeutet, dass es letztendlich weniger kosten würde als die Spaltung.

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