Fusion: Stellarator (Wendelstein 7-X), Tokamak (ITER) & Andere

Hallo zusammen

Dieser Beitrag behandelt das Thema Kernfusion. Internationale und Nationale (Gross)Projekte. Gerade oder bald aktuell werdend-> "Wendelstein-7x"

Desweiteren sind auch Diskussionen über mögliche künftige andere Konzepte hier gerne gesehen, als auch nicht technischen Aspekte, wie politische/finanzielle Diskussionen zum Thema Fusion..ebenso interessante Artikel/News allgemein zum Thema Fusion hier verlinken, ist begrüssenswert.

Ich hoffe, Leute zu bewegen, sich für dieses Thema beginnend sich etwas tiefer zu interessieren, Neugierede geweckt wird, mehr als das was im Mainstream geschrieben wird erfahren möchten.

Kleine Alternativfusionsprojekte wie Lockheed Martin's "High Beta Fusion Reactor", Polywell, Focus Fusion (LPP), Tri Alpha (Geldgeber MS Gründer Paul Allen), 2-Laser Boron Fusion des franz. Teams, das Konzept von "General Fusion" aneutronic Fusion generell, sind zwar ebenfalls interessant, aber bitte nicht hier, sondern in diesem Threat besprechen Lockheed Martin kündet "High Beta Fusion Reactor" an
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Nach rund 14 Jahre Bauzeit und 1,6 Milliarden Euro Kosten, ist der Versuchs-Kernfusionsreaktor "Wendelstein 7X" in Greifswald nun fertig gebaut und soll noch dieses Jahr, sein erstes Plasma erzeugen. Das nachfolgende Video zeigt den Zusammenbau im Zeitraffer.

Im Zeitraffer: Zusammenbau von Wendelstein 7-X

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Das Zweite, grössete Europäische Projekt, der Tokamak "ITER" (International Thermonuclear Experimental Reactor) im südfranzösischen Kernforschungszentrum "Cadarache" erhielt anfangs 2015 einen neuen Chef. Bernard Bigot muss nun das Milliardenvorhaben wieder auf Kurs bringen. ITER ist mehere Jahre im Verzug, es heisst, dass erst nach 2020 die ersten Versuche starten können.

Die Laserfusion ist ein ein weiteres Kernfusionskonzept das bereits in Betrriebe ist. Das grösste steht in Livermore Californien, die National Ignition Facility (NIF). Hier jedoch steht nicht die Energiegewinnung im Mittelpunkt, sondern Grundlagenforschung allgemein, auch das US Militär ist masseblich daran beteiligt u.a. zur Erforschung/Weiterentwicklung von Lasern.

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FUSIONS BASICS
Alle die es interessiert; ich habe eine kurze Zusammenstellung gemacht. Angesprochen werden sollen primär an diejenigen welche sich ein wenig Basiswissen aneignen wollen.

Was sind Ionen?
Ionen sind Elektrisch nicht neutrale Atome (Moleküle). Atome haben im neutralen Zustand genau gleich viele Elektronen wie Protonen und lassen sich durch Magnetfelder auch nicht einschliessen. Ionenteilchen hingegen haben keine, weniger oder mehr Elektronen wie Protonen.

Was ist „Plasma“?
Von Plasma spricht man dann, wenn es ein gas ist, wo die Atomkerne von ihren Elektronen komplett getrennt wurden, Wikipedia: „Ein Gas, dessen Bestandteile teilweise oder vollständig in Ionen und Elektronen aufgeteilt sind." Bei einer Kernfusion verwenden wir immer Gas.

Wichtig! Plasma weist folgende Eigenschaften auf
-Geladen d.h. elektrisch nicht neutral, es leitet elektrischen Strom!
-Es kann selbst Strom erzeugen, wenn die Teilchen in Bewegung sind.
-Wo Elektrizität ist, entstehen auch immer Magnetfelder!
-Weil es elektrisch nicht neutral ist, lässt es sich durch Magnetfelder beinflussen d.h. einschliessen!

Soweit sogut, aber was genau ist nun eine "Fusion" und wqas sind die Bedingungen, damit es damit kommt? Diese Thema ein wenig komplexer, als dass ich es hier beschreiben möchte. An dieser Stelle sei auf einen Studenten verwiesen, ein Youtube Video, der zwar in seinem Vortrag ein paar Ungenauigkeiten/Fehler drinne hat, aber es ist dennoch super geeignet um auch Layen das Thema Kernfusion näher zu bringen!

Kern-Fusion / Trägheitseinschluss / Magnetischer Einschluss Part (1/5)

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Im Video wurde etwas sehr wichtiges erwähnt. Dreh und Angepunkt einer Kernfusion; damit diese gelingt, muss das Lawson Kiterium erfüllt werden

Eine Fusion wird aus einer Kombination von Temperatur, Druck und Einschlusszeit erreicht. Es ist aber nicht so, dass z.B. zwingend 100 Millionen Grad nötig sind z.B. bei ITER. Vorausgesetzt man geht mit der Teilchendichte hoch, wäre auch eine niedrigere Temperatur möglich (Bestes Bsp. dafür ist unsere Sonne!).

Teilchendichte
Kann bei einem Plasmagas auch mit "Druck" gleichgesetzt werden. Es handelt sich hier in einem Tokamak und auch anderen Konzepten um die Kompression des Gases in einem Magnetfeld.

Einschlusszeit
Wie lange das Gas bei einer Teilchendichte und einer Temperatur eingeschlossen bleibt.

Plasmatemperatur
Bei ITER ist das die oft erwähnte 100 Millionen Grad, erhitzt u.a. durch Mikrowellen.

Wie ersichtlich, kann mit den Grössen der drei Faktoren 'gespielt' werden, es ist das Produkt deren Summe grösser sein muss, als das was rechts von der Gleichung steht. Ist dies der Fall, dann sind Fusionsbedingungen erreicht.

Hier der aktuelle Stand der Fusionsforschung mit verschiedenen Experimenten:

Nachfolgendes Diagram zeigt auf der Y-Achse die Fusionsrate der Teilchen und auf der X-Achse die Temperatur. Iter wie auch Wendelstein verwenden ein Deuterium+Tritium Gemisch. Grund dafür ist die energiereiche Reaktion sowie relativ hohe Reaktionen bei geringerer Temperatur, gegenüber einer Deuterium-Deuterium oder Deuterium+Helium-3 Fusion, wie an der blauen Kurve zu sehen ist. Es ist deswegen einfacher mit DT Netto Energie zu gewinnen als mit anderen schwereren Elementen.

Bild:1


Bei einer DT-Fusion, werden Deuterium Atome mit Tritium Atomen "verschmolzen" d.h. es bildet sich ein neues Element ->Helium-4. Da HE-4 mit einem Neutron mehr nicht stabil wäre, bleibt bei der Fusion ein Neutron überig und das ist es auch was hier die meiste Energie trägt. Das Neutron ist mit 17.6 MegaElektronVolt sehr energiereich/schnell.

Bild:2

Hier noch der Blog von Alf Köhn der regelmässig über die Kernfusion berichtet:

http://www.scilogs.de/formbar/author/koehn/

und sein letzter Beitrag zu W7-X:

http://www.scilogs.de/formbar/wendelstein-w7-x-das-magnetfeld-2/

mayday schrieb:Die Laserfusion ist ein ein weiteres Kernfusionskonzept das bereits in Betrriebe ist. Das grösste steht in Livermore Californien, die National Ignition Facility (NIF). Hier jedoch steht nicht die Energiegewinnung im Mittelpunkt, sondern Grundlagenforschung allgemein, auch das US Militär ist masseblich daran beteiligt u.a. zur Erforschung/Weiterentwicklung von Lasern.

Das ist kurz gefasst. Ich will es mal ein wenig präzisieren. Die amerikanische National Ignition Facility (NIF) oder die französische Laser Megajoule (LMJ) dienen hauptsächlich der Erforschung von Atomwaffen, genauer die Erforschung von thermonuklearen Waffen.
Die Aussichten auf eine zivile Nutzung in Form eines gepulsten Kernfusionsreaktors sind eine Verharmlosung des militärischen Hintergrundes.

Ich finde es bemerkenswert das sich niemand daran stört das diese Forschungsrichtung noch stärkere Atomwaffen ermöglichen können.
Der Rückbau der Atomwaffen wird damit auch relativiert.

lukistar schrieb:Die Aussichten auf eine zivile Nutzung in Form eines gepulsten Kernfusionsreaktors sind eine Verharmlosung des militärischen Hintergrundes.

Selbst wenn. Was aus Grundlagenforschung eines Tages wird, kann niemand wissen. Egal welcher Hintergrund ursprünglich mal dafür vorgesehen war. Siehe V2 Rakete.

Es ist nicht richtig das die USA und Frankreich an Methoden arbeiten um noch stärkere Massenvernichtungswaffen bauen zu können.
Was man von der Welt erwartet müssen sie selber einhalten.

@lukistar
Kannst du das mal übersetzen?

@Celladoor

Was gibt es da nicht zu verstehen. Die genannten Forschungseinrichtungen dienen der Weiterentwicklung von Atomwaffen.
Im Schatten der friedlichen Fusionsforschung kriegen die Leute das nicht richtig mit.

lukistar schrieb: Die genannten Forschungseinrichtungen dienen der Weiterentwicklung von Atomwaffen.

Wie gesagt. Selbst wenn.

@Celladoor

Ich weiß nicht wieso du von "selbst wenn" sprichst, wenn jedem bekannt ist dass diese Einrichtungen der Waffenforschung dienen. Sie ersetzen frühere Atomwaffentests.
Und du kannst die Bedrohung durch Weiterentwicklung von Atomwaffen in einigen Ländern nicht damit legitimieren das man dem was ziviles abgewinnen könnte.

lukistar schrieb:Und du kannst die Bedrohung durch Weiterentwicklung von Atomwaffen in einigen Ländern nicht damit legitimieren das man dem was ziviles abgewinnen könnte.

Legitimieren ist das falsche Wort. Ich wollte damit sagen, dass vielleicht auch etwas gutes dabei abfällt.

@lukistar
@Celladoor
In NIF und LMJ werden sie die Fusionsprozesse studieren. Grundlagenforschung die so nicht kritikwürdig wäre, denn das kann durchaus im zivilen Bereich helfen. Da aber der Hintergedanke auch 'Atomwaffen optimieren' ist, kann ich diese Kritik nachvollziehen und ich wünschte dem wäre nicht so!

Eine Kernfusionsbombe mit Deuterium d.h. die Wasserstoffbombe, deren "Zünder" eine Kernspaltungsbombe ist, wurde bereits erfunden d.h. auch ohne diese Forschung wäre wir heute in der Lage, eine Wassertoffbombe z.B. mit der Sprengkraft einer Gigatonne zu bauen um z.B. den halben Nordpol in die Luft jagen um eine giagntische Flutwelle auszulösen, oder ein ganzes Land wegzubomben. Zum Glück haben auch die radikalsten Militärköpfe und Regierung der USA und Russland eingesehen, dass einer solcher vernichtungskrieg Wahnsinnig und sinnlos wäre, deswegen wird in diese Richtung auch nix gebaut.

Aus militärischer Sicht dienen NIF und LMJ wohl dazu, taktische Fusionsbomben weiter zu entwicklen, sie kleiner und effizienter zu machen. Das ist verferflich, da derene Einsatz hoffentlich niemals statt finden wird, aber wenigstens geht es nicht darum wie die Welt wegbombt wird d.h. dass mit allen Atomwaffen auf der Welt die Menscheit nahezu ausgelöscht werden könnte, das existiert auch ohne diese Forschung bereits heute.

Aber die Laserfusion kostet den Streuerzahler Milliarden. Projekte die für eine anhaltende Kernfusion zur Energieerzeugung nix taugt! Das ist eine weiterer Kritikpunkt, die Bevölkerung glauben zu lassen das Geld sei gut investiert und man könne damit dann irgendwann ein Kraftwerk auf diesem Prinzip bauen..Dieses Geld liese sich in andere zivile Fusionsprojekte stecken..also da wird die Allgemeinheit schon verarscht.

mayday schrieb:ine Kernfusionsbombe mit Deuterium

Selbstkorrektur, für Wasserstoffbomben wird Tritium verwendet. Ich kann mir nicht vorstellen, dass jemals mit Laser in einer Bombe ein Fusionsprozess eingeleitet wird, denn die NIF Laseranlage ist riesig und das lässt sich nicht auf Bomebngrösse schrumpfen..d.h. egal wie viel geforscht wird, für eine Wassertoffbombe wird wohl immer eine Plutoniumbombe als Zünder benötigt werden.

@lukistar
Wäre allerdings etwas sinnbefreit. Wer die Energieerzeugung kontrolliert, kontrolliert die Wirtschaft. Über "wer hat die größte Wumme" sind wir längst hinaus. Mehrere Länder könnten mit einem Knopfdruck die gesamte Bevölkerung der Erde mehrfach unter die Erde bringen. Ob man jetzt genug Sprengkraft hat um dafür 20 oder 50 Raketen zu benötigen oder ob man genug Kraft hat um alle 10 oder 20 mal auszulöschen ist relativ egal. Dann könnte man auch argumentieren, wir sollten keine Heilmittel für Krankheiten mehr erforschen, da sich aus den Ergebnissen vllt neue biologische Kampfstoffe entwickeln könnte... was genauso unnötig ist wie stärkere Bombem. In diesen Bereichen sind wir über den Overkill schon sowas von hinaus.

Kurzer Theorieteil "Chemie"

Hoffentlich leicht für alle verständlich. Manch einer wird sich langweilen, es richtet sich an alle die sich mit dieser Materie wenig bis nicht auskennen.

Nachfolgendes hat nichts mit Kernfusion zu tun, aber es erscheint mir als Basiswissen wichtig. Im Zusammenhang der Kernfusions sehe ich dies um den Unterschied von atomaren Reaktionen und chemischen Vorgängen auseinander halten zu können..das hier soll das auf simple Weise (geht nicht in die Tiefe) näher bringen. Vorerst nur der Teil "Chemie", Teil Kernspaltungs und Kernfusions Reaktionen folgen (falls Interesse besteht)

Was sind „Moleküle“?
Ein Molekül ist ein Zusammenschluss aus mehreren Atomkernen an der Electronenhülle.

Wie sieht die Verbindung zwischen Atomen aus, was hält Moleküle zusammen?
Die Hauptrolle spielen die Elektronen. Atome versuchen immer einen energetisch niedrigen und stabilen Zustand zu erreichen, das tun sie indem sie Elektronen einfangen oder abgeben. Hat ein Atom zu wenige Elektronen, also einen Mangel, versucht es welche zu kriegen. Verbinden sich zwei oder mehrere Atome an der Elektronenhülle, wird von einem "Molekül" gesprochen.

Beispiel
Nehmen wir an, wir haben 2 Wasserstoffatome und 1 Sauerstoffatom. Können diese Atome chemisch, also an den Elektronenhüllen miteinander verbunden werden und was ergibt sich daraus? --> Ja, ein Wassermolekül! H2+O --> H2O

Bild3: Zwei Wasserstoffatome (links) und ein Sauerstoffatom sind voneinander losgelöst einzelene Elemente..dann gehen sie eine Verbindung ein (rechts) d.h. ab diesem Moment bezeichnet man das Ganze als ein Molekül.


Ein Molekül kann aus mehreren gleichen Atomkernen (gleiche Protonen-Neutronenazahl) oder aus verschiedenen Atomkernen (Bsp. H2O) bestehen. Durch das Teilen, den gemeinsamen Elektronen an der Elektronenhülle, sind sie durch eine Kraft (=Bindungskraft!) miteinander verbunden d.h. man könnte (gedanklich) daran ziehen d.h. Kraft aufwenden, um sie wieder zu trennen.

Welche Atome mit welchen anderen Atomen zusammen gehen und welche sich wie und wann trennen, ist der Grundstein der Chemie. Wenn wir also aus zwei H-Atomen und einem O-Atom ein Wassermolekül H2O basteln, hat das nichts mit Kernfusion oder Kernspaltung zu tun, dieser Vorgang wird nicht als atomare Reaktion bezeichnet, denn wir verändern die Atomkerne nicht, wir bewegen uns da immer im Bereich der Chemie. Solche Vorgänge werden in der Chemie in der "Bindungslehere" behandelt; welche Elemente wie mit wem reagiert, was für Moleküle entstehen, Basiswissen der Chemie.

Spielen mit der Chemie
Zerlegen eines Riesenmoleküls in einzelne Atome (=zerlegen in Elemente des Periodensystems).

Kunstoffe sind grosse Moleküle. Betrachten wir z.B. den Kunstoff PVC. PVC steht für "Polyvinylchlorid" was aber keine chemische Bezeichnung, sondern ein Kunstname ist! Aus was besteht PVC? Die chemische Bezeichnung von PVC lautet: CH2CHCl

Man könnte vereinfacht sagen, "CH2CHCl" ist der Name des Moleküls!..damit lässt sich nun arbeiten. Was bedeutet dieser Term? Nehmen wir das Molekül auseinander
CH2CHCl --> C + H + H + C + H + Cl

Das PVC Molekül besteht also total aus 6 Atomen, die an der Elektronenhülle eine Bindung eingegangen sind.

All diese Atome sind im Periodensystem zu finden!
C= Kohlenstoff (6 Protons + 6 Neutrons)
H= Wasserstoff (1 Proton)
Cl= Chlor (17 Protons + 18 Neutrons)

Bild4: Periodensystem. Ordungszahl=Protonenanzahl, Atommasse=Protonenanzahl+Neutronenanzahl(vereinfacht)


Wird Energie frei?
Wenn im obigen Bsp. sich "C + H + H + C + H + Cl" zu "CH2CHCl" verbindet, wird Energie frei! Wenn du aber "CH2CHCl" umgekehrt wieder in die Bestandteile "C + H + H + C + H + Cl" zerlegen möchtest, muss mindestens dieselbe Menge an Energie investiert werden, wie diejenige welche frei wurde, als sich "CH2CHCl" bildete!

Das ist das grobe Prinzip und erscheint als sehr einfach, oder nicht? War auch Sinn und Zweck, ohne Formeln, easygoing, so dass es jeder versteht. Nur an der Oberfläche gekratzt, natürlich im Detail ist es weitaus komplizierter, Dinge wie Spin der Elektronen auf welcher Hüllenebene usw.

In diesem Sinne noch etwas kurioses zum Thema Plasma: Die Plasmatoilette aka vllt. die Toilette der Zukunft:
http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=37072

Kettenreaktionen-Atombomben-Kernspaltungskraftwerke

Bevor Kernfusion näher betrachtet wird, scheint es mir sinnvoll, wenn die bisherige Technologien etwas näher betrachtet werden. Ich wünsche viel Spass beim Lesen.
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Eine Kernspaltung findet statt, wenn ein schwerer Atomkern, wie z.B. ein Urankern, unter Freisetzung von Energie in zwei oder mehrere Teile zerfällt. Durch diesen Prozess wird ein Teil der ursprünglichen Masse in Energie umgewandelt, - in Übereinstimmung mit der Gleichung E = mc2.

Die Idee, dass es vielleicht einen Weg geben könnte die Energie welche in einem Atom eingeschlossen ist, freizusetzen benötigte Zeit bis sie akzeptiert wurde. Einstein selbst war der Meinung das dies niemals geschehen würde und der bedeutende Atomphysiker und Entdecker des Atomkernes, Ernest Rutherford, sagte in einer Rede in England im Jahre 1933:

Die Energie welche beim Spalten eines Atoms freigesetzt wird ist eher armselig! Jedermann der sich aus dieser Umwandlung der Atome eine Energiequelle verspricht redet Blödsinn.

Ernest Rutherford (1871-1937)


Jedoch, innerhalb von nur 10 Jahren wurde der erste Kernreaktor der Welt gebaut und Mitte der 1950er Jahre begannen Kernkraftwerke damit Elektrizität für die industrielle und häusliche Nutzung zu liefern.

Die Kernspaltung ist mit vielen verschiedenen sogenannten schweren Elementen machbar, aber diese Seite befasst sich ausschließlich mit Uran als Beispiel. Die Erklärung beginnt, wie die Spaltung stattfindet und danach sehen wir uns einige Beispiele für die Anwendung an.

Wie wir bereits wissen, wird ein Element bestimmt wird durch die Anzahl der Protonen in seinem Kern (siehe Periodensystem) Kohlenstoff enthält 6 Protonen, aber es kann durchaus eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen besitzen. Wenn wir die Anzahl der Protonen und der Neutronen addieren erhalten wir die die Isotope, z.B. Carbon-11 oder Carbon-14 (Carbon = Kohlenstoff). Jedoch auf jeden Fall hat Kohlenstoff immer exakt 6 Protonen!

Ebenso wie unterschiedliche Kohlenstoffisotope gibt es auch unterschiedliche Isotope des Urans. Die am häufigsten vorkommenden Uran-Isotope sind Uran-238 (99,3%) und Uran-235 (0,7%) In beiden Fällen haben wir 92 Protonen im Kern und das Gros des Isotops besteht aus Neutronen. Uran-238 ist ein sog. stabiles Isotop d.h. ein radioaktiver Zerfall tritt nur sehr selten auf. Uran-235 zählt ebenso zu den stabilen Isotopen, jedoch kommt es hierbei etwas regelmäßiger zu einem radioaktiven Zerfall.

Isotop? Ich verstehe das nicht!

Lasst euch nicht verwirren, es ist ganz simpel: Isotope werden auch als Nuklide bezeichnet, es sind Elemente die mehr oder weniger Neutronen enthalten als im Urzustand! Es geht hier nur um die Neutronenanzahl, an den Protonen ändert sich ja nichts. Die Ordnungszahl im Periodensystem bleibt identisch und die Protonenanzahl ist massgeblich um welches Element es sich handelt, aber die Masse kann sich verändern wenn ein Element mehr oder weniger Neutronen enthält wwie Protonen und somit als Isotop bezeichnet wird. Fast jedes Element im Periodensystem kann zu einem oder mehreren Isotop werden und es gibt stabilere und weniger stabilere Isotope. Instabile zerfallen nach einer gewissen Zeit in andere Elemente. Es gibt hierzu einen verständlichen Wikipediaeintrag Wikipedia: Isotop

Alle Atome zerfallen. Manche unglaublich schnell (in weniger als einer Milliardstel Sekunde!), andere brauchen sehr, sehr lange (1031 Jahre für Wasserstoff). Wir können nicht genau sagen wann ein bestimmtes Atom zerfällt. Wir können jedoch statistische Methoden benutzen um vorherzusagen wie lange es dauert bis eine bestimmte Menge an Atomen eines bestimmten Typs zur Hälfte seiner ursprünglichen Menge zerfallen ist. Das ist sie sogenannte "Halbwertzeit" eines Elementes.

So hat zum Beispiel Carbon-14 eine Halbwertzeit von 5‘730 Jahren. Das bedeutet wenn wir einen Kanister voll mit Carbon-14 hätten und diesen für 5‘730 Jahre im Regal stehen lassen würden wäre nach dieser Zeit die Hälfte davon in ein anderes Element (Stickstoff-14) zerfallen. Uns würde also nur noch die Hälfte der ursprünglichen Menge an Carbon-14 zur Verfügung stehen. Nach weiteren 5‘730 Jahren hätte sich diese Übrige Menge an Carbon-14 wiederum halbiert und so weiter und soweiter..

Offtopic: Habt ihr gewusst, dass organische Moleküle, lässt man das Wasser weg, was den grössten Anteil ausmacht, zu einem grossen Teil aus Kohlenstoff-Atomen bestehen? Lustiges; in einer Star Trek folge hat eine fremde Spezies die Menschen als "Kohlenstoffeinheiten" bezeichnet, das trifft es ziemlich genau ;)

Kernspaltung von Uran
Uran-235 ist weniger stabil wie Uran-238, aber immer noch ein ziemlich stabiles Atom, wenn man es in Ruhe lässt beträgt seine Halbwertzeit 7,1 x 108 Jahre. Jedoch, wenn ein Atom Uran-235 von einem Neutron (Symbol n) getroffen wird dann verbindet sich dieses Neutron zuerst mit dem Atom und wandelt Uran-235 somit in Uran-236. Uran-236 ist ein sehr instabiles Isotop und zerfällt rasch in leichtere Atome und Teilchen. Diesen Vorgang nennt man "induzierte Kernspaltung". Es gibt viele "Kanäle" durch welche Uran235 zerfallen kann. In anderen Worten - es können viele verschiedene Partikel bei diesem Zerfall entstehen. Wir sehen uns hier den häufigsten Fall an, nämlich den Zerfall von Uran-235 in Barium, Krypton und drei Neutronen.

Zuerst schießen wir ein Neutron auf das Uran-235 (U-235) Atom so das es sich mit dem Atom verbindet. Binnen kürzester Frist zerfällt das Uran-235 in ein Atom Barium-141 (Ba-141), ein Atom Krypton-92 (Kr-92) sowie drei Neutronen.

Wir können diesen Vorgang schematisch darstellen. Zuerst trifft das Neutron das Uran-235 Atom um ein Uran-236 Atom zu bilden


Im zweiten Schritt zerfällt das neugebildete Uran-236 Atom rasch in ein Atom Barium-141 (Ba-141), ein Atom Krypton-92 (Kr-92) sowie drei Neutronen.


Die neu entstehenden Atome und Partikel verfügen alle über kinetische Energie. Diese Energie stammt aus der Umwandlung von einem Teil der ursprünglichen Atommasse in Energie und kann mit Hilfe der Gleichung E = mc2 gemessen werden. Die Energiemenge die typischerweise durch den Zerfall eines U-235 Atoms freigesetzt wird beträgt ca. 200 MeV (MeV = Megaelektronenvolt), das entspricht 0.00000000003204 Joule. Das, so scheint es, ist nur eine winzige Menge an Energie. Jedoch ist das immerhin ungefähr eine Million mal mehr Energie als wenn ich ein Benzinmolekül in einem Motor verbrenne. Angenommen ein Tank Benzin reicht mir ca. eine Woche, aber ich könnte nun anstelle von Benzin die Zerfallsenergie aus einem Tank U-235 nutzen, - dann bräuchte ich die nächsten 19'000 Jahre nicht mehr zu tanken!

Die Kettenreaktion
Wir haben gesehen das wir ein Uran-235 Atom durch Beschuss mit einem Neutron dazu bringen können zu zerfallen. Bedeutet da nun das wir diese Atome beständig mit Neutronen beschießen müssen um Nutzbare Energie zu erhalten? Nein - wir lassen einfach das Uran die Arbeit für uns machen. In der vorherigen Sektion haben wir gesehen das bei einem Zerfall eines Uran-235 Atoms neben Barium und Krypton auch 3 Neutronen freigesetzt wurden. Diese Neutronen treffen auf andere Uran-235 Atome und regen diese zum Zerfall an, wodurch wiederum je 3 Neutronen freigesetzt werden. Diesen Vorgang nennt man "Kettenreaktion"


Alles was wir tun müssen ist genug Uran-235 zusammenzubringen. In diesem Fall müssen wir noch nicht einmal das erste "Zündungs-Neutron" liefern. Denn obwohl U-235 eine sehr lange Halbwertzeit hat, - wenn wir genug dieser Atome auf einem Haufen haben ist die Wahrscheinlichkeit sehr groß das eines dieser Atome spontan zerfällt und damit die Kettenreaktion in Gang setzt. Dieses wurde erstmalig im Jahre 1942 erreicht, und zwar auf einer ungenutzten Squash-Anlage in den Kellerräumen des Stagg Field Stadions an der Universität Chicago.

Graphitziegel, welche U-235 enthielten, wurden kistenförmig aufgestapelt und ein einzelner Graphitziegel wurde langsam in den Hohlraum der "Kiste" eingebracht Dieser einzelne Ziegel war ausreichend um die Kettenreaktion in Gang zu setzen. Mehr und mehr Neutronen wurden als Ergebnis der Kernspaltung freigesetzt. Wenn wir dieses Experiment aus heutiger Sicht betrachten ist es absolut unglaublich das es so überhaupt stattfinden durfte. Jedoch, zur damaligen Zeit wusste man nur wenig über die gesundheitlichen Auswirkungen der Strahlung.

Mit dem tobenden zweiten Weltkrieg im Hintergrund, war damals die individuelle Unversehrtheit nur zweitrangig gegenüber der Durchführung von solch entscheidenden Experimenten. Die damaligen Wissenschaftler unter der Leitung des brillianten Italienischen (später von den USA eingebürgerten) Physikers Enrico Fermi hatten nicht nur den ersten selbsterhaltenden Kernreaktor geschaffen, sondern wären - falls der einzelne Graphitziegel in den "Haufen" hineingefallen wäre - auch Zeugen der ersten unkontrollierbaren atomaren "Kernschmelze" geworden!

Atombomben
Die zerstlreriste Waffe welche die Menschheit je enteickelte. Es lässt sich nun darpber diskutieren wie unglaublich dumm wir waren solche Waffe zu entwickeln und bauen, aber hier geht es rein um den technischen Aspekt.

Am Ende des vorherigen Abschnittes steht das Wort "Kernschmelze". Eine Kernschmelze ist nichts anderes als eine außer Kontrolle geratene Kettenreaktion. Es werden mehr und mehr Neutronen freigesetzt welche mehr und mehr U-235 Atome treffen und zum Zerfall bringen. Dabei entsteht eine ungeheure Hitze welche alles um das Uran herum schmelzen lässt. Eine Atombombe kann man sich als eine blitzschnell ablaufende Kernschmelze vorstellen.

Die Idee einer Atombombe ist eigentlich recht einfach. Sorge dafür das große Mengen von U-235 mit hoher Geschwindigkeit aufeinanderprallen so das eine rasante Kernspaltung eintritt. Dieses kann auf verschiedene Arten erreicht werden., z.B. indem man eine hochverdichtete Menge U-235 im Zentrum einer konventionellen Explosion platziert. Dies verursacht eine "Implosion", d.h. das Uran-235 wird schlagartig extrem zusammengepresst bis zu dem Punkt an dem eine unkontrollierte, rapide Kernspaltung eintritt.

Die ungeheure Anzahl der freigesetzten Partikel bahnt sich Ihren Weg in einer gigantischen Explosion, zusammen mit einer Menge Hitze und Licht, welche ebenso durch den Zerfallsprozess freigesetzt werden.
Während des Zweiten Weltkrieges waren konventionelle Bomben mit einer Abart des Explosivstoffes TNT (Trinitotuluol) gefüllt. Das damalige Standardgewicht einer schweren Bombe betrug ca. 450 kg. Die Explosivkraft der beiden im zweiten Weltkrieg eingesetzten Atombomben entsprach hingegen ca. 20 Kilotonnen (20.000 Tonnen) TNT, also grob gesagt, 40.000 konventionellen Bomben auf einen Schlag! Es ist ernüchternd wenn man betrachtet das diese ungeheure Menge an Explosivenergie aus einer Menge an Uran-235 gewonnen wurde, die so gering war das sie in eine Kaffeetasse gepasst hätte.

Kernspaltungskraftwerke
Atomkraftwerke - ebenso wie moderne Atombomben - können enfalls Plutonium als Brennstoff nutzen. Dieses Element ist etwas schwerer als Uran und wird künstlich hergestellt da es in der Natur nicht in den benötigten Mengen vorhanden ist. Plutonium wird hergestellt in dem man Uran-238 mit Neutronen beschießt. Auf diese Art und Weise kann man ca. 99,3% des abgebauten Urans zur Energiegewinnung nutzen. Die Umwandlung von Uran in Plutonium wird oft auch als "brüten" bezeichnet und es werden dafür spezielle Rektoren vom Typ "schneller Brüter" benutzt.

Ein Atomkraftwerk arbeitet vom Prinzip genau so wie jedes andere Kraftwerk auch, nur die Energiequelle ist eine andere. Im allgemeinen werden Stäbe aus spaltbarem Material Plutonium oder Uran ineinander geschoben bis eine kontrollierte Kernspaltung und damit auch Hitzeentwicklung eintritt. Diese Hitze wird zur Erzeugung von Dampf genutzt welcher wiederum Hochdruckturbinen antreibt. Diese Turbinen sind mit den Generatoren verbunden in denen letztendlich der Strom erzeugt wird.

In den 1950er Jahren ging man davon aus das - sofern man Kernenergie benutzen würde - Elektrizität so billig zu produzieren wäre das man sie umsonst zur Verfügung stellen könnte! In der Tat ist die eigentliche Produktion von Elektrizität in großem Maßstab durch Verwendung von Kernenergie entsprechend E = mc2 immer noch preiswert.

Jedoch hat sich herausgestellt, das andere Aspekte dieses Unternehmens sehr teuer sind. Atomkraftwerke haben besondere Probleme die andere - konventionelle - Kraftwerke nicht haben, z. b. extrem hohe Aufwendungen für Sicherheitssysteme oder die unglaublichen Folgekosten bei der Außerbetriebsetzung eines Atomkraftwerks, um nur einige zu nennen. Andererseits haben auch die konventionellen Kraftwerke Ihre spezifischen Probleme, z.B. die hohen Werte an Emissionen. Die wichtigsten zwei Argumente welche gegen AKW sprechen sind meiner Meinung die Sicherheit und die Jahrtausend lange Endlagerung der ausgebrannten Brennelemente.

Unsicherheit liegt am Konzept - Fukushima
In Fukushima waren die Reaktoren "abgeschaltet", als das Meerwasser die Kraftwerksareale überflutete. Wie kann ein "abgeschalteter" Reaktor ausser Kontrolle geraten und eine Kernschmelze eintreten?

In grossen Reaktorkern befinden sich über 1000 Brennstäbe, Reihe an Reihe. die Distanz dazwischen ist so gering gewählt, dass durch den Zerfall von Uran oder Plutionium, die frei werdenden Neutronen, nahe Brennstäbe treffen, was wiederum Spaltreaktionen auslöst. Die Brnnstäbe sind im Wasser, was zu Dampf wird und Turbinen antreibt.

Abgeschaltet wird ein Reaktor, indem Steuerstäbe sog. Moderatoren, zwischen die Brennelemente geschoben werden. Diese Steuerstäbe absorbieren Neutronen und damit sinkt die Kernspalungsreaktion. Angenommen die Stäbe sitzen fest und lassen sich nicht mehr einfahren, wäre eine Katastrophe programmiert..oder wie im Fall Fukushima, das Kontrollzentrum sitzt ohne Strom da und weis nicht wie es um die Reaktoren steht. Obohl die Steuerstäbe ganz eingefahren waren, muss ein Kernreaktor stetig mit Wasser gekühlt werden, die Wasserpumpen müssen laufen und den Reaktor immer kühlen.

In Fukushima ist das Wasser im Reaktor verdampft, der Wasserspiegel stetig gesunken, bis die Brennstäbe frei lagen. Wasser zwischen den Brennstäben kühlt die Brennelemente und Brennelmente die überhitzen setzen immer stärkere Kettenreaktionen frei, Hitze und Strahlung nehmen zu.

Alternative?
Meiner Meinung nach liegt das Problem der Kernkraftwerke, wie wir sie heute betreiben, am 50 Jahre alten Konzept, das insich unsicher ist. Angenommen man könnte ein Reaktordesign aber so gestalten, dass auch bei einem komplettausfall aller Systeme und ohne Kühlung, rein physikalisch keine unkontrollierte Kernspaltung ablaufen kann, wäre dieses Haiptproblem der sicherheit gelöst.

Es gibt Konzepte, aber angesichts der hohen Entwicklungskosten und politischen Lage, ist eher unwahrscheinlich, dass wir solche Reaktoren bauen werden. Wer sich dafür interessiert, eines dieser Konzepte ist der DualFluid Reaktor der Uni für Festkörper Physik in Berlin http://dual-fluid-reaktor.de

Thorium
Thorium hat seinen Namen vom germanischen Gott Thor. Was ist dieses schon fast geheimnisvolle Element? Nachfolgendes stammt viel aus Wikipedia und am Ende Material was ich zusammengetragen habe.

Thorium ist etwas leichter wie Uran oder Plutionium, hat die Ordnungszahl 90 im Periodensystem und kommt in der Erdkruste in Mengen zwischen 7 und 13 mg Thorium pro kg vor; damit ist es etwa doppelt bis dreimal so häufig wie Uran. Generell ist das Element in geringen Mengen in fast allen silikatischen Gesteinen vertreten.

Die weltweit jährlich für die Stromerzeugung verwendete Kohle enthält unter anderem etwa 10.000 Tonnen Uran und 25.000 Tonnen Thorium, die entweder in die Umwelt gelangen oder sich in Kraftwerksasche und Filterstäuben anreichern.

Reines Thorium ist ein silberweißes Metall, das an der Luft bei Raumtemperatur stabil ist und seinen Glanz für einige Monate behält. Ist es mit seinem Oxid verschmutzt, läuft es langsam an der Luft an und wird grau und schließlich schwarz.

Reines Thorium ist weich und sehr dehnbar, es kann kalt gewalzt und gezogen werden. Thorium ist polymorph mit zwei bekannten Modifikationen. Bei über 1400 Grad Celsius wandelt es sich von einer kubisch flächenzentrierten zu einer kubisch raumzentrierten Struktur um.

Habe mich noch gefragt wie der Zerfall von Thorium aussieht. In der Natur findet man primär Thorium232, es hat eine enorme Halbwertszeit, deswegen strahlt es auch nicht stark ab, es sei denn man hilft nach. "Billion" heisst auf Deutsch "Milliarden"

Es zerfällt u.a. in das radioaktive Gas Radium und sekundäres Zerfallsprodukt ist Actinium und Thorium228, danach geht es verdammt schnell weiter, mit kurzen Zerfallsraten und bei Blei208 ist endgültig Schluss. Pb208 zerfällt nicht weiter, weil es nicht radioaktiv ist.


In dieser Decayfolge ist auch Polinium-216 zu finden. Manche von euch sagt Polonium möglicherweise etwas im Zusammenhang mit dem Mord an "Alexander Litwinenko" http://www.spiegel.de/jahreschronik/a-453552.html

Wie hier zu sehen ist, ist die Halbwertszeit von Polonium-216 mit 0.14 Sekunden unglaublich kurz. Alexander Litwinenko aber soll damals mit Polonium-210 verstrahlt/vergiftet worden sein und dieses stammt nicht aus der dieser Zerfallsreihe, sondern aus dem Zerfall der Uran-Reihe. Uran zerfällt zwar auch in Thorium aber in Thorium-230 udn in der natur kommt fast ausschliesslich Thorium-232 vor.

Bis hin zu Polonium-210 wird hier Strahlung durch den Zerfall frei gesetzt, umso kürzer die Halbwertszeit, desto mehr Strahlung pro Zeit. Man könnte sagen, dass wenn jemand nicht an den Strahlenschäden stirbt, dann vielleicht an einer Bleivergiftung, weil das bleibt am Ende bei einer verabreichten Polomiundosis überig.

Die Uran-Polonium Zerfallsreihe sieht wie folgt aus

@mayday

Ist die Überschrift vielleicht falsch gewählt? Du hast zwar mit Kernfusion begonnen, jetzt scheint dieser Thread aber zunehmend allgemein kernphysikalische Gebiete zu thematisieren. Vielleicht solltest du den Threadnamen ändern lassen, denn mit Kernfusion hat die Kernspaltung nur am Rande, Chemie praktisch gar nichts zu tun.

mayday schrieb:Hat ein Atom zu wenige Elektronen, also einen Mangel, versucht es welche zu kriegen.

Was genau meinst du damit, wie kann ein Atom "zuwenig" Elektronen haben. Ein Atom hat schließlich immer soviele Elektronen in der Hülle wie Protonen im Kern. Was genau bewirkt, das eine Bindung favorisiert wird?

mayday schrieb:Bild3: Zwei Wasserstoffatome (links) und ein Sauerstoffatom sind voneinander losgelöst einzelene Elemente..dann gehen sie eine Verbindung ein (rechts) d.h. ab diesem Moment bezeichnet man das Ganze als ein Molekül.

Aus dem Bild geht hervor, dass Wasserstoff anfangs ein Elektron hat, Sauerstoff hingegen sechs, von denen 2x2 in Paaren und zwei einzelne sind. Nach der Verbindung haben sich die Elektronen des Wasserstoffs zu den einzelnen Elektronen des Sauerstoffs gesellt. Der Wasserstoff verfügt nun gewissermaßen über 2 Elektronen, der Sauerstoff über acht Elektronen. Was bestimmt denn, wieviele Elektronen das sind?

mayday schrieb:Die chemische Bezeichnung von PVC lautet: CH2CHCl

Das ist nur die Summenformel des Monomers, Vinylchlorid. Die Summenformel eines Polymers zu nennen könnte sich als schwierig erweisen.

mayday schrieb:Wenn im obigen Bsp. sich "C + H + H + C + H + Cl" zu "CH2CHCl" verbindet, wird Energie frei! Wenn du aber "CH2CHCl" umgekehrt wieder in die Bestandteile "C + H + H + C + H + Cl" zerlegen möchtest, muss mindestens dieselbe Menge an Energie investiert werden, wie diejenige welche frei wurde, als sich "CH2CHCl" bildete!

Wird grundsätzlich Energie frei, wenn sich Atome zu Molekülen zusammenlagern? Oder nur in bestimmten Konstellationen?

mayday schrieb: Durch diesen Prozess wird ein Teil der ursprünglichen Masse in Energie umgewandelt, - in Übereinstimmung mit der Gleichung E = mc2.

Alt Gr + 2 = ²

Alt Gr + 3 = ³

mayday schrieb:Alle Atome zerfallen. Manche unglaublich schnell (in weniger als einer Milliardstel Sekunde!), andere brauchen sehr, sehr lange (1031 Jahre für Wasserstoff).

Wenn überhaupt sind es 10^31 Jahre, nicht 1031. Bitte nicht so plump kopieren. Davon allerdings abgesehen ist der Protonenzerfall keineswegs nachgewiesen. Die Behauptung, dass alle Atome zerfallen ist damit nicht stichhaltig.

mayday schrieb:Uran-235 ist weniger stabil wie Uran-238, aber immer noch ein ziemlich stabiles Atom, wenn man es in Ruhe lässt beträgt seine Halbwertzeit 7,1 x 108 Jahre. Jedoch, wenn ein Atom Uran-235 von einem Neutron (Symbol n) getroffen wird dann verbindet sich dieses Neutron zuerst mit dem Atom und wandelt Uran-235 somit in Uran-236. Uran-236 ist ein sehr instabiles Isotop und zerfällt rasch in leichtere Atome und Teilchen.

Bei Dingen, die sich unterscheiden wählt man als, bei Dingen die gleich sind wie. Kleiner, größer, besser, schlechter dümmer, klüger als jemand oder etwas anderes, aber genauso wie etwas anders. Inhaltlich war die Aussage ebenfalls nicht geglückt. Weder sind U-235 und U-238 stabil, noch ist U-236 wesentlich instabiler als U-235. Davon abgesehen ist neutroneninduzierte Kernspaltung nicht mit radioaktivem Zerfall gleichzusetzen, auch wenn beides themenverwandt ist.

Der eigentliche Grund warum das U-236 zerfällt ist der, dass es sich durch das eingefangene Neutron in einem angeregten Zustand befindet.

mayday schrieb:Am Ende des vorherigen Abschnittes steht das Wort "Kernschmelze". Eine Kernschmelze ist nichts anderes als eine außer Kontrolle geratene Kettenreaktion

Eine Kernschmelze ist das Schmelzen eines Reaktorkerns. Ohne einen Kernreaktor kann also keine Kernschmelze stattfinden. Eine unkontrollierte Kettenreaktion ist also keine Kernschmelze.

mayday schrieb:Es zerfällt u.a. in das radioaktive Gas Radium

Radium ist kein Gas sondern ein Erdalkalimetall.

mayday schrieb:In dieser Decayfolge ist auch Polinium-216 zu finden.

Das deutsche Wort ist Zerfallsreihe.