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Atomphysik
Zusammenfassung
Fachbereich: Physik  
Woerter 2300
Kurzbeschreibung ATOMPHYSIK REFERAT 1. Einleitung Die Geschichte der Radioaktivität von Stoffen begann erst im Jahre 1896: Der französische Physiker Antoine-Henri Becquerel entdeckte eigentlich nur durch Zufall, daß das Element Uran radi...
 
 

Atomphysik


ATOMPHYSIK

REFERAT

1. Einleitung

Die Geschichte der Radioaktivität von Stoffenbegann erst im Jahre 1896: Der französische Physiker Antoine-HenriBecquerel entdeckte eigentlich nur durch Zufall, daß das Element Uranradioaktive Strahlung aussendet. Er legte einen Stein mit Uranspuren auf eineunbelichtete Fotoplatte, die nach dem Entwickeln allerdings einen starküberbelichteten Streifen aufwies, genau an der Stelle wo die Uranspuren amdichtesten waren. Er war sehr überrascht und entdeckte nun durchnähere Untersuchungen die Radioaktivität.
DerAtomkern
Atome bestehen aus einer Hülle und einemAtomkern, der wiederum aus vielen Bausteinen, den Nukleonen (Kernbausteinen)zusammengebaut ist. Die Nukleonenzahl wird gebildet aus der Summe der Z Protonenund N Neutronen in einem Kern.
Ein Proton hat eine höhere Masse als ein Elektronund trägt positive Ladung. Ein elektrisch neutrales Neutron die gleicheMasse wie ein Proton.
Die Ladung eines Kerns wird durch die Protonenbestimmt, deshalb nennt man die Protonenzahl auch Kernladungszahl. Damit einganzes Atom elektrisch neutral ist, muß die Kernladungszahl mit der Anzahlder Elektronen in der Hülle übereinstimmen.
Man hat sich zur rechnerischen Zusammensetzung einesAtomkerns folgende Schreibweise ausgedacht:

Der Atomkern X besteht aus A Nukleonen und Z Protonen.Die Kernladungszahl ist gleich der Anzahl der Protonen, also auch Z.
Da die Nukleonen alle Bausteine sind und jeder Kernaus nur zwei Bausteintypen besteht (Protonen Z und Neutronen N), kann man dieAnzahl der Neutronen schnell durch folgende Rechnung ermitteln: A-Z=N. DieNeutronenzahl ist die Differenz von Nukleonen undProtonen.
Die radioaktiveStrahlung
Radioaktive Strahlung ist eine natürlicheStoffeigenschaft, sie wird ohne Aktivierungsenergie oder sonstiges Zutun vonmanchen Stoffen ausgesendet. Eine solche Erscheinung nennt man natürlicheRadioaktivität (lat. radiare: Strahlen).
Wenn man radioaktive Strahlung durch ein Magnetfeldstrahlt, trennt sich die Gesamtstrahlung in vier verschiedene Teile: In dienegativeβ-Strahlung,die aus negativen Elektronen besteht, in die positiveα-Strahlung,die aus positiven Ionen besteht, und in die neutraleγ-Strahlung,die aus elektromagnetischen Impulsen besteht.
Außerdem gibt es noch die, ebenfalls elektrischneutrale, energiereiche Neutronenstrahlung, die bei Kernspaltungenentsteht.
Radioaktivität läßt sich abschirmen,doch hier muß man die unterschiedlichen Strahlungsartenberücksichtigen. Die Flugweite eines Teilchens bestimmt jeweils dieReichweite der jeweiligen Strahlung.
Die Reichweite vonα-Strahlungist in Luft relativ gering, die positiven Ionen “fliegen“ nur wenigeZentimeter weit.α-Strahlungläßt sich somit praktisch schon von einem Stück Papier oderdünnem Kunststoff abschirmen.
Die Teilchen der negativenβ-Strahlunghaben eine höhere Reichweite. Einige Meter von der Strahlungsquelleentfernt lassen sich diese Teilchen noch feststellen. Zum vollständigenAbschirmen sind hier bereits Materialien wie 1cm dickes Aluminiumerforderlich.
Die Reichweite der energiereichen, elektrischneutralenγ-Strahlungist enorm hoch. Zum Abschirmen dieser Strahlung sind Metallplatten mit einerDicke von 25cm oder meterdicker Beton nötig. In Frage kommen hier nurMaterialien mit sehr hoher Dichte, die die Teilchen bremsen undzurückhalten.
Der α-ZerfallAls Beispiel dient hier das chemische Element Radium:Der instabile Atomkern dieses Elements strahlt ein Teilchen ab, das aus 2Protonen und 2 Neutronen besteht. Es handelt sich also um einen Atomkern deschemischen Elements Helium, der in dieser Form bei diesem Vorgang kurz alsAlphateilchen bezeichnet wird. Durch die Abgabe des Alphateilchens verwandeltsich der Radiumkern: Es entsteht ein Atomkern des chemischen Elements Radon.
Der β-ZerfallDer Vorgang desβ-Zerfallskann gut man Beispiel eines Cäsiumkerns mit der Nukleonenzahl 137erklärt werden. Aus einem Neutron entstehen ein positiv geladenes Protonund ein negativ geladenes Elektron. Das Proton bleibt im Kern und erhöhtsomit die Kernladungszahl um 1, weil das Elektron als Betateilchen den Kernverläßt. So entsteht aus dem Cäsiumkern ein Atomkern deschemischen Elements Barium.
Die NeutronenstrahlungDie Neutronenstrahlung besteht aus freien Neutronen,die keine elektrische Ladung besitzen und sich deswegen elektrisch Neutralverhalten.
Diese Strahlungsart entwickelt sich beipielsweisewährend der Kernspaltung eines Urankerns mit der Nukleonenzahl 235. DerUrankern teilt sich auf in zwei Kerneanderer Elemente (in diesem Fall Bariummit Nukleonenzahl 144 und Krypton mit Nukleonenzahl 89); außerdem werdenhierbei aber auch noch zusätzlich zwei oder drei Neutronen freigesetzt. Siehaben eine relativ hohe Geschwindigkeit und sind in diesemZustand eine sehrenergiereiche Neutronenstrahlung.
Eine Kernspaltung eines Kerns wird immer dannausgelöst, wenn der Kern von einem Neutron getroffen wird. Der Kern sendetdann bei der Spaltung wieder Neutronen frei, die ihrerseits wieder Kerne spaltenkönnen. So kann eine Kettenreaktion entstehen.
Die γ-StrahlungAlpha-, Beta- und Neutronenstrahlung gehören zursogenannten “Korpuskularstrahlung“ (lat. corpus: der Körper,Gegenstand), die aus kleinsten Materieteilchenbesteht.
Bei der Gammastrahlung hingegen handelt es sich umkeine Strahlung, die aus kleinsten Teilchen o.ä. besteht. Vielmehr handeltes sich hierbei um elektromagnetische Wellenimpulse, die von energiereichenAtomkernen abgegeben werden können. Die Impulse verlassen den Kern mitLichtgeschwindigkeit als sogenannte Gammaquanten und haben ähnlich denRöntgenstrahlen eine äußerst hohe Durchdringfähigkeit,deswegen läßt sichγ-Strahlungnur durch großenAufwand abschirmen.
Die Halbwertszeit eines Stoffes bestimmt denZeitraum, in dem jeweils die Hälfte des Stoffes zerfällt. Währenddieser Zeit sinkt auch die Zahl der Zerfälle in einerSekunde.
Jede Kernart besitzt eine andere, charakteristischeHalbwertszeit.
3. Die Maßeinheiten in der AtomphysikDas Messen von Radioaktiver StrahlungKein Lebewesen hat mit seinen Sinnesorganen dieFähigkeit, radioaktive Strahlung wahrzunehmen.
Radioaktivität kann nur mit Meßgerätennachgewiesen werden. Es gibt mehrere mehr oder weniger gute Verfahren, daßbekannteste und meist auch genaueste Gerät zur sicheren Bestimmung vonRadioaktivität ist das Geiger-Müller-Zählrohr (oder kurzGeigerzähler).
Mit diesem Gerät läßt sich die Anzahlvon Strahlungsimpulsen in einer bestimmten Zeiteinheit messen. Entsprechend gutgeeichte Geräte sind auch in der Lage, ganz geringe Strahlungsdosen imAlltag aufzunehmen und zu bestimmen.
Die Einheit BECQUERELDie Maßeinheit für die Aktivität einesStoffes ist das Becquerel (Bq), daß nach dem Entdecker derRadioaktivität benannt worden ist.
Unter der Aktivität eines Stoffes verstehtmandie Anzahl der Kerne, die sich in einer Sekunde umwandeln und dadurch einenStrahlungsimpuls abgeben.
Formel: Beispiel:
Anzahl der Umwandlungen10 Kernumwandlungen
Aktivität Bq=-------------------------------------- --------------------------------=8Bq Zeit 1s
Die Einheit SIEVERTDie Aktivität eines Stoffes erlaubt kaumRückschlüsse auf die Wirkung der Radioaktivität auf Mensch undTier zu machen.
Um die sogenannte biologische Wirksamkeit vonradioaktiver Strahlung zu ermitteln, muß die Masse des betroffenenbiologischen Objekt (Mensch, Tier, Pflanze) in Bezug zu der tatsächlichaufgenommenen Energie gesetzt werden; außerdem istdie Art derhauptsächlich wirksam gewordenen Strahlung ein wesentlicher Faktor(α-Strahlungschädigt die Zellstruktur am meisten). Maßeinheit für die so zuerrechnende Äquivalentdosis ist das Sievert (Sv).
Anmerkung: Die früher oft verwendete Einheit remist seit dem Unfall von Tschernobyl von der Einheit Sievert abgelöstworden, da es sich beim rem um den hundertsten Teil der Maßeinheit Sieverthandelt. Um die hohen Dosen der Personen im heutigen Sperrgebiet besserbeschreiben zu können, eignet sich die “modernere“ Einheitbesser, zumal diese auch international verständlich ist.
Übrigens: Mit der Angabe der reinenÄquivalentdosis – also der aufgenommenen Strahlenart und Strahlenart– kann die biologische Wirksamkeit der Strahlung auf das lebende Gewebenoch nicht völlig erfaßt werden. Selbstverständlich mußauch der Faktor Zeit berücksichtigt werden: Es macht doch einenUnterschied, ob die gleiche Dosis in einem länger oder kürzerandauernden Zeitraum zur Wirkung kommt. Beispiel: Wenn man sich im Urlaub jedenTag 10 Minuten in der Sonne aufhält ist das unschädlich. Sollte man 8Stunden in der Sonne verweilen, ist die Wirkung derSonne (die ja übrigensauf die Haut eine ähnlich zellschädigende Wirkung hat) vielgrößer: Der Sonnenbrand ist da.
Energiegewinnung imAtomkraftwerk
Atom- oder Kernkraftwerke (ab jetzt AKW genannt)arbeiten im wesentlichen wie “normale“ Wärmekraftwerke (Kohl,Öl, Gas): Hochdruck-Wasserdampf treibt eine Turbine, deren Rotationsenergieim angekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandeltwird.
Der Unterschied liegt in der Art des verwendetenBrennstoffs, aus dem die Wärmeenergie zur Erzeugung des heißenDampfes entsteht.
In den Leistungsgeneratoren (also den Kraftwerken) derheutigen Zeit (sogenannte LWR: Leichtwasserreaktoren, das heißtgewöhnliches “leichtes“ Wasser als Kühlmittel) wird alsBrennstoff vorwiegend das Element Uran verwendet, bei dessen Kernspaltungerhebliche Mengen an Wärmeenergie frei werden.
Der Brennstoff befindet sich in langen, relativdünnen Brennstäben aus Metall,die bündelweise zu Brennelementenzusammengefaßt sind. Zwischen den Brennelementen ist Raum für dieSteuervorrichtung. Diese Steuervorrichtungen sind Regel- oder Steuerstäbe,die aus einem speziellen Material bestehen (in der BRD immer Borcabid), das dieEigenschaft hat, freie Neutronen einzufangen und zu absorbieren. Durch Ein- undAusfahren der Regelstäbe läßt sich die Leistung eines Reaktorskontinuierlich regulieren. Zum Abschalten eines Reaktors werden einfach alleRegelstäbe vollständig in den Reaktorkern eingefahren, so daßdie Kettenreaktion im Brennstoff zum Erliegen kommt.
Die Brennelemente sind von Wasser (H2O)umgeben, daß in den Reaktoren dieser Art zwei wichtige Aufgaben auf einmalerfüllt:
Das Wasser dient als Kühlmittel. DasKühlmittel übernimmt die entstehende Wärmeenergie und führtsie aus dem Reaktorkern heraus.Das Wasser dient als Moderator. Der Moderator im AKWbremst die Geschwindigkeit der Neutronen, die bei der Kernspaltung freiwerden.Die Moderatorfunktion istfür den Betrieb eines Reaktors physikalisch unerläßlich, da dieentstehenden Neutronen viel zu schnell sind, um eine Kettenreaktion verursachenzu können. Das Wasser bremst diese Neutronen, denn erst mit einer erheblichverringerten Geschwindigkeit sind sie in der Lage, in die Atomkerne desBrennstoffs einzudringen und deren Spaltung zu bewirken.
Der Reaktorkern befindet sich im stählernenReaktordruckgefäß. Esist von einer Betonkammer (dem sogenanntenContainment) umgeben, durch deren ca. zwei Meter dicke Wände dieradioaktive Strahlung abgeschirmt wird. Dies verhindert das einerseits dieUmwelt Schaden nimmt und andererseits das die für den Reaktorlebenswichtigen Neutronen verloren gehen.
Die unterschiedlichenKraftwerkstypen
Der Siedewasserreaktor (SWR) arbeitettheoretisch wie ein Topf mit kochendem Wasser: Die Brennstäbe erhitzensich, so daß das Wasser zu sieden beginntund teilweise in dendampfförmigen Zustand übergeht.
Die Dampftemperatur beträgt im SWR etwa 290°Celsius; der Druck liegt um die 70 bar. Dieser Hochdruck-Wasserdampf wird ausdem Reaktorbehälter hinausgeführt und direkt in dieangeschlossene Turbine geleitet. Nachdem die Turbine durchströmt ist, hatder “verbrauchte“ Dampf nur noch wenig Wärmeenergie, der Druckist auf unter 2 bar herabgesunken. Im Kondensator wird der Dampf durch weitereKühlung wieder verflüssigt. Das nun zurückgewonnene Wassergelangt erneut in den Reaktorkreislauf.
Beim Druckwasserreaktor (DWR) ist derBetriebsdruck, der im Reaktorbehälter herrscht, mehr als doppelt so hochwie im Siedewasserreaktor: ca. 150 bar. Hierdurch wird erreicht, daß sichder Siedepunkt des Wassers wesentlich erhöht – sogar bei Temperaturenvon über 300° Celsius bleibt es in flüssigemZustand.
Das hocherhitzte Wasser fließt vomReaktorbehälterin einen Wärmeaustauscher, wo ein Teil derWärmeenergie durch metallene Rohre an einen zweitenSekundärwasserkreislauf gegeben wird, dessen Betriebsdruck geringer ist, sodaß sich im Wärmeaustauscher (“Dampferzeuger“)Wasserdampf bilden kann. Dessen Temperatur und Druck (etwa 280°C. und 50bar) reichen aus, um die Turbine anzutreiben. Der weitere Kreislaufverläuft wie beim Siedewasserreaktor.
Druckwasserreaktoren haben den Vorteil, daß dieAnlagen des Sekundärkreislaufs nicht radioaktiv kontaminiert sin


ATOMPHYSIK

REFERAT

1. Einleitung

Die Geschichte der Radioaktivität von Stoffenbegann erst im Jahre 1896: Der französische Physiker Antoine-HenriBecquerel entdeckte eigentlich nur durch Zufall, daß das Element Uranradioaktive Strahlung aussendet. Er legte einen Stein mit Uranspuren auf eineunbelichtete Fotoplatte, die nach dem Entwickeln allerdings einen starküberbelichteten Streifen aufwies, genau an der Stelle wo die Uranspuren amdichtesten waren. Er war sehr überrascht und entdeckte nun durchnähere Untersuchungen die Radioaktivität.
DerAtomkern
Atome bestehen aus einer Hülle und einemAtomkern, der wiederum aus vielen Bausteinen, den Nukleonen (Kernbausteinen)zusammengebaut ist. Die Nukleonenzahl wird gebildet aus der Summe der Z Protonenund N Neutronen in einem Kern.
Ein Proton hat eine höhere Masse als ein Elektronund trägt positive Ladung. Ein elektrisch neutrales Neutron die gleicheMasse wie ein Proton.
Die Ladung eines Kerns wird durch die Protonenbestimmt, deshalb nennt man die Protonenzahl auch Kernladungszahl. Damit einganzes Atom elektrisch neutral ist, muß die Kernladungszahl mit der Anzahlder Elektronen in der Hülle übereinstimmen.
Man hat sich zur rechnerischen Zusammensetzung einesAtomkerns folgende Schreibweise ausgedacht:

Der Atomkern X besteht aus A Nukleonen und Z Protonen.Die Kernladungszahl ist gleich der Anzahl der Protonen, also auch Z.
Da die Nukleonen alle Bausteine sind und jeder Kernaus nur zwei Bausteintypen besteht (Protonen Z und Neutronen N), kann man dieAnzahl der Neutronen schnell durch folgende Rechnung ermitteln: A-Z=N. DieNeutronenzahl ist die Differenz von Nukleonen undProtonen.
Die radioaktiveStrahlung
Radioaktive Strahlung ist eine natürlicheStoffeigenschaft, sie wird ohne Aktivierungsenergie oder sonstiges Zutun vonmanchen Stoffen ausgesendet. Eine solche Erscheinung nennt man natürlicheRadioaktivität (lat. radiare: Strahlen).
Wenn man radioaktive Strahlung durch ein Magnetfeldstrahlt, trennt sich die Gesamtstrahlung in vier verschiedene Teile: In dienegativeβ-Strahlung,die aus negativen Elektronen besteht, in die positiveα-Strahlung,die aus positiven Ionen besteht, und in die neutraleγ-Strahlung,die aus elektromagnetischen Impulsen besteht.
Außerdem gibt es noch die, ebenfalls elektrischneutrale, energiereiche Neutronenstrahlung, die bei Kernspaltungenentsteht.
Radioaktivität läßt sich abschirmen,doch hier muß man die unterschiedlichen Strahlungsartenberücksichtigen. Die Flugweite eines Teilchens bestimmt jeweils dieReichweite der jeweiligen Strahlung.
Die Reichweite vonα-Strahlungist in Luft relativ gering, die positiven Ionen “fliegen“ nur wenigeZentimeter weit.α-Strahlungläßt sich somit praktisch schon von einem Stück Papier oderdünnem Kunststoff abschirmen.
Die Teilchen der negativenβ-Strahlunghaben eine höhere Reichweite. Einige Meter von der Strahlungsquelleentfernt lassen sich diese Teilchen noch feststellen. Zum vollständigenAbschirmen sind hier bereits Materialien wie 1cm dickes Aluminiumerforderlich.
Die Reichweite der energiereichen, elektrischneutralenγ-Strahlungist enorm hoch. Zum Abschirmen dieser Strahlung sind Metallplatten mit einerDicke von 25cm oder meterdicker Beton nötig. In Frage kommen hier nurMaterialien mit sehr hoher Dichte, die die Teilchen bremsen undzurückhalten.
Der α-ZerfallAls Beispiel dient hier das chemische Element Radium:Der instabile Atomkern dieses Elements strahlt ein Teilchen ab, das aus 2Protonen und 2 Neutronen besteht. Es handelt sich also um einen Atomkern deschemischen Elements Helium, der in dieser Form bei diesem Vorgang kurz alsAlphateilchen bezeichnet wird. Durch die Abgabe des Alphateilchens verwandeltsich der Radiumkern: Es entsteht ein Atomkern des chemischen Elements Radon.
Der β-ZerfallDer Vorgang desβ-Zerfallskann gut man Beispiel eines Cäsiumkerns mit der Nukleonenzahl 137erklärt werden. Aus einem Neutron entstehen ein positiv geladenes Protonund ein negativ geladenes Elektron. Das Proton bleibt im Kern und erhöhtsomit die Kernladungszahl um 1, weil das Elektron als Betateilchen den Kernverläßt. So entsteht aus dem Cäsiumkern ein Atomkern deschemischen Elements Barium.
Die NeutronenstrahlungDie Neutronenstrahlung besteht aus freien Neutronen,die keine elektrische Ladung besitzen und sich deswegen elektrisch Neutralverhalten.
Diese Strahlungsart entwickelt sich beipielsweisewährend der Kernspaltung eines Urankerns mit der Nukleonenzahl 235. DerUrankern teilt sich auf in zwei Kerneanderer Elemente (in diesem Fall Bariummit Nukleonenzahl 144 und Krypton mit Nukleonenzahl 89); außerdem werdenhierbei aber auch noch zusätzlich zwei oder drei Neutronen freigesetzt. Siehaben eine relativ hohe Geschwindigkeit und sind in diesemZustand eine sehrenergiereiche Neutronenstrahlung.
Eine Kernspaltung eines Kerns wird immer dannausgelöst, wenn der Kern von einem Neutron getroffen wird. Der Kern sendetdann bei der Spaltung wieder Neutronen frei, die ihrerseits wieder Kerne spaltenkönnen. So kann eine Kettenreaktion entstehen.
Die γ-StrahlungAlpha-, Beta- und Neutronenstrahlung gehören zursogenannten “Korpuskularstrahlung“ (lat. corpus: der Körper,Gegenstand), die aus kleinsten Materieteilchenbesteht.
Bei der Gammastrahlung hingegen handelt es sich umkeine Strahlung, die aus kleinsten Teilchen o.ä. besteht. Vielmehr handeltes sich hierbei um elektromagnetische Wellenimpulse, die von energiereichenAtomkernen abgegeben werden können. Die Impulse verlassen den Kern mitLichtgeschwindigkeit als sogenannte Gammaquanten und haben ähnlich denRöntgenstrahlen eine äußerst hohe Durchdringfähigkeit,deswegen läßt sichγ-Strahlungnur durch großenAufwand abschirmen.
Die Halbwertszeit eines Stoffes bestimmt denZeitraum, in dem jeweils die Hälfte des Stoffes zerfällt. Währenddieser Zeit sinkt auch die Zahl der Zerfälle in einerSekunde.
Jede Kernart besitzt eine andere, charakteristischeHalbwertszeit.
3. Die Maßeinheiten in der AtomphysikDas Messen von Radioaktiver StrahlungKein Lebewesen hat mit seinen Sinnesorganen dieFähigkeit, radioaktive Strahlung wahrzunehmen.
Radioaktivität kann nur mit Meßgerätennachgewiesen werden. Es gibt mehrere mehr oder weniger gute Verfahren, daßbekannteste und meist auch genaueste Gerät zur sicheren Bestimmung vonRadioaktivität ist das Geiger-Müller-Zählrohr (oder kurzGeigerzähler).
Mit diesem Gerät läßt sich die Anzahlvon Strahlungsimpulsen in einer bestimmten Zeiteinheit messen. Entsprechend gutgeeichte Geräte sind auch in der Lage, ganz geringe Strahlungsdosen imAlltag aufzunehmen und zu bestimmen.
Die Einheit BECQUERELDie Maßeinheit für die Aktivität einesStoffes ist das Becquerel (Bq), daß nach dem Entdecker derRadioaktivität benannt worden ist.
Unter der Aktivität eines Stoffes verstehtmandie Anzahl der Kerne, die sich in einer Sekunde umwandeln und dadurch einenStrahlungsimpuls abgeben.
Formel: Beispiel:
Anzahl der Umwandlungen10 Kernumwandlungen
Aktivität Bq=-------------------------------------- --------------------------------=8Bq Zeit 1s
Die Einheit SIEVERTDie Aktivität eines Stoffes erlaubt kaumRückschlüsse auf die Wirkung der Radioaktivität auf Mensch undTier zu machen.
Um die sogenannte biologische Wirksamkeit vonradioaktiver Strahlung zu ermitteln, muß die Masse des betroffenenbiologischen Objekt (Mensch, Tier, Pflanze) in Bezug zu der tatsächlichaufgenommenen Energie gesetzt werden; außerdem istdie Art derhauptsächlich wirksam gewordenen Strahlung ein wesentlicher Faktor(α-Strahlungschädigt die Zellstruktur am meisten). Maßeinheit für die so zuerrechnende Äquivalentdosis ist das Sievert (Sv).
Anmerkung: Die früher oft verwendete Einheit remist seit dem Unfall von Tschernobyl von der Einheit Sievert abgelöstworden, da es sich beim rem um den hundertsten Teil der Maßeinheit Sieverthandelt. Um die hohen Dosen der Personen im heutigen Sperrgebiet besserbeschreiben zu können, eignet sich die “modernere“ Einheitbesser, zumal diese auch international verständlich ist.
Übrigens: Mit der Angabe der reinenÄquivalentdosis – also der aufgenommenen Strahlenart und Strahlenart– kann die biologische Wirksamkeit der Strahlung auf das lebende Gewebenoch nicht völlig erfaßt werden. Selbstverständlich mußauch der Faktor Zeit berücksichtigt werden: Es macht doch einenUnterschied, ob die gleiche Dosis in einem länger oder kürzerandauernden Zeitraum zur Wirkung kommt. Beispiel: Wenn man sich im Urlaub jedenTag 10 Minuten in der Sonne aufhält ist das unschädlich. Sollte man 8Stunden in der Sonne verweilen, ist die Wirkung derSonne (die ja übrigensauf die Haut eine ähnlich zellschädigende Wirkung hat) vielgrößer: Der Sonnenbrand ist da.
Energiegewinnung imAtomkraftwerk
Atom- oder Kernkraftwerke (ab jetzt AKW genannt)arbeiten im wesentlichen wie “normale“ Wärmekraftwerke (Kohl,Öl, Gas): Hochdruck-Wasserdampf treibt eine Turbine, deren Rotationsenergieim angekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandeltwird.
Der Unterschied liegt in der Art des verwendetenBrennstoffs, aus dem die Wärmeenergie zur Erzeugung des heißenDampfes entsteht.
In den Leistungsgeneratoren (also den Kraftwerken) derheutigen Zeit (sogenannte LWR: Leichtwasserreaktoren, das heißtgewöhnliches “leichtes“ Wasser als Kühlmittel) wird alsBrennstoff vorwiegend das Element Uran verwendet, bei dessen Kernspaltungerhebliche Mengen an Wärmeenergie frei werden.
Der Brennstoff befindet sich in langen, relativdünnen Brennstäben aus Metall,die bündelweise zu Brennelementenzusammengefaßt sind. Zwischen den Brennelementen ist Raum für dieSteuervorrichtung. Diese Steuervorrichtungen sind Regel- oder Steuerstäbe,die aus einem speziellen Material bestehen (in der BRD immer Borcabid), das dieEigenschaft hat, freie Neutronen einzufangen und zu absorbieren. Durch Ein- undAusfahren der Regelstäbe läßt sich die Leistung eines Reaktorskontinuierlich regulieren. Zum Abschalten eines Reaktors werden einfach alleRegelstäbe vollständig in den Reaktorkern eingefahren, so daßdie Kettenreaktion im Brennstoff zum Erliegen kommt.
Die Brennelemente sind von Wasser (H2O)umgeben, daß in den Reaktoren dieser Art zwei wichtige Aufgaben auf einmalerfüllt:
Das Wasser dient als Kühlmittel. DasKühlmittel übernimmt die entstehende Wärmeenergie und führtsie aus dem Reaktorkern heraus.Das Wasser dient als Moderator. Der Moderator im AKWbremst die Geschwindigkeit der Neutronen, die bei der Kernspaltung freiwerden.Die Moderatorfunktion istfür den Betrieb eines Reaktors physikalisch unerläßlich, da dieentstehenden Neutronen viel zu schnell sind, um eine Kettenreaktion verursachenzu können. Das Wasser bremst diese Neutronen, denn erst mit einer erheblichverringerten Geschwindigkeit sind sie in der Lage, in die Atomkerne desBrennstoffs einzudringen und deren Spaltung zu bewirken.
Der Reaktorkern befindet sich im stählernenReaktordruckgefäß. Esist von einer Betonkammer (dem sogenanntenContainment) umgeben, durch deren ca. zwei Meter dicke Wände dieradioaktive Strahlung abgeschirmt wird. Dies verhindert das einerseits dieUmwelt Schaden nimmt und andererseits das die für den Reaktorlebenswichtigen Neutronen verloren gehen.
Die unterschiedlichenKraftwerkstypen
Der Siedewasserreaktor (SWR) arbeitettheoretisch wie ein Topf mit kochendem Wasser: Die Brennstäbe erhitzensich, so daß das Wasser zu sieden beginntund teilweise in dendampfförmigen Zustand übergeht.
Die Dampftemperatur beträgt im SWR etwa 290°Celsius; der Druck liegt um die 70 bar. Dieser Hochdruck-Wasserdampf wird ausdem Reaktorbehälter hinausgeführt und direkt in dieangeschlossene Turbine geleitet. Nachdem die Turbine durchströmt ist, hatder “verbrauchte“ Dampf nur noch wenig Wärmeenergie, der Druckist auf unter 2 bar herabgesunken. Im Kondensator wird der Dampf durch weitereKühlung wieder verflüssigt. Das nun zurückgewonnene Wassergelangt erneut in den Reaktorkreislauf.
Beim Druckwasserreaktor (DWR) ist derBetriebsdruck, der im Reaktorbehälter herrscht, mehr als doppelt so hochwie im Siedewasserreaktor: ca. 150 bar. Hierdurch wird erreicht, daß sichder Siedepunkt des Wassers wesentlich erhöht – sogar bei Temperaturenvon über 300° Celsius bleibt es in flüssigemZustand.
Das hocherhitzte Wasser fließt vomReaktorbehälterin einen Wärmeaustauscher, wo ein Teil derWärmeenergie durch metallene Rohre an einen zweitenSekundärwasserkreislauf gegeben wird, dessen Betriebsdruck geringer ist, sodaß sich im Wärmeaustauscher (“Dampferzeuger“)Wasserdampf bilden kann. Dessen Temperatur und Druck (etwa 280°C. und 50bar) reichen aus, um die Turbine anzutreiben. Der weitere Kreislaufverläuft wie beim Siedewasserreaktor.
Druckwasserreaktoren haben den Vorteil, daß dieAnlagen des Sekundärkreislaufs nicht radioaktiv kontaminiert sind, weil dasradioaktiv verunreinigte Kühlmittel in geschlossenen Primärkreislaufgeführt wird. Notwendige Reparaturen im Turbinenkreislauf lassen sichdeswegen einfacher und schneller erledigen, so daß die durchschnittlicheVerfügbarkeit (sogenannte Netzspeisezeit) besonders hoch ist.Außerdem sind die Genehmigungsgebühren und Schutzgebührenfür so einen Reaktor niedriger, daß die Energiefirmen diese Anlagenbevorzugen.
In der Sicherheit gibt es allerdings keineUnterschiede, weil alle Anlagen von unabhängigen Instituten geprüftwerden und strenge Sicherheitsauflagen erfüllt werdenmüssen.
In der Bundesrepublik sind sieben Siedewasserreaktorenund vierzehn (doppelt soviele, Gründe s.o.) Druckwasserreaktoren am Netzder öffentlichen Stromversorgung. Außerdem gibt es dreiVersuchreaktoren, von denen einer allerdings von einem benachbartenKohlekraftwerk versorgt wird, weil es bei den Versuchen in diesem Zentrum zugefährlich wäre, “echte“ Bedingungen zuhaben.
Es gibt noch eine Vielzahl anderer Reaktortypen, aufderen Funktionsweise ich aber nicht weiter eingehen möchte, weil dies denRahmen dieserZusammenfassung sprengen würde. Wegen derVollständigkeit seien sie jedoch kurz erwähnt:
Hochtemperaturreaktoren(HTR) erreichen gegenüber den SWR und DWR Temperaturen von über1000° und beziehen ihren Brennstoff aus tennisballgroßen Kugeln(“Kugelhaufenreaktor“). In der Bundesrepublik ist der Betrieb dieserReaktoren nicht mehr erlaubt.DerThorium-Hochtemperaturreaktor mit 300 Megawatt elektrischer LeistungTHTR-300, der Prototyp dieses Reaktors,war bis Ende 1989 in Hamm-Uentropin Betrieb.Schnelle Brutreaktoren(SBR) (“Schneller Brüter“) verwenden schnelle, ungebremsteNeutronen. Das Kühlmittel ist Natrium, als Moderator dienen schwierigereRegelanlagen. Der “Schnelle Brüter“ ist sicherlich diegrößte Fehlinvestition der deutschen Energiegeschichte. Derfertiggebaute Reaktor in Kalkar war nur bei einem Test 20 Sekunden in Betrieb,jetzt dient er als Kernkraftmuseum.Eine Reaktorart, die inDeutschland nie erlaubt wurde, hat am 26.04.1986 auf der ganzen Welt Aufsehenerregt: Um 9:11 geschah hier der größte Unfall(GAU=Größter anzunehmender Unfall unter versagen allerSchutzmaßnahmen) in der Geschichte der friedlichen NutzungvonRadioaktivität. Der 3. Reaktorblock des RBMK-1000-Reaktors, der inDeutschland verboten ist, explodierte aufgrund eines schwerwiegendenBedienungsfehlers (!).
Die Radioaktivität in derMedizin
Jeder Mensch, der schoneinmalgeröngt wurde, mußte sich radioaktiver Strahlung aussetzen.Auch hier findet man viele Punkte bestätigt, mit denen man sich beim Thema Atomphysik beschäftigt hat. Zum Schutz anderer Organe werden nicht zudurchleuchtende Körperteile mit Bleiwesten abgehangen. Auch verlassen dieAngestellten den Raum, wenn “die Bilder geschossenwerden“.
Das Prinzip ist theoretischeinfach: Körperteile mit hoher Dichte lassen weniger Strahlung durch alsWeichteile, Knochen erscheinen auf dem Film anschließend hell. Dort wo derKnochen gebrochen ist können Strahlen durchdringen und belichten dasFotopapier. Nun hat man auch den Bruch auf dem Bild...Auch beiDurchblutungsstörungen kommt Strahlung zum Einsatz: Man injiziert demPatienten eine radioaktive Lösung die dann den Laufweg des Blutes auf einemMeßgerät sichtbar macht. Jetzt kann man erkennen, wo in der Arterie(z.B. Herzmuskel / Kranzgefäße) eine Verkalkung vorliegt.Auch beiSchilddrüsenerkrankungen kommt Radioaktivität vor. ZerstörtesGewebe der Schilddrüse speichert kein Jod (das für diesendiagnostischen Zweck strahlt) mehr, auf dem Meßgerät kann man denUmfang eines Geschwulstes sofort deutlich erkennen.In der Krebstherapie wirdneben der häufiger angewandten Chemotherapie auch Strahlentherapieverwendet, um die zerstörten Zellinformation einer Krebszelle ganz zuvernichten und die Zelle so abtöten. Ein weiteres Teilen dieserbösartigen Geschwulst kann bei richtiger Anwendung fast ausgeschlossenwerden.
Literatur / QuellenKernenergie, Jürgen Seidel (Hrsg.), Econ Verlag1992
Physik für Gymnasien, Cornelsen Verlag (Band2)
Institut für Nuklearmedizin undRöntgendiagnostik (Internet)
Kerne - Bitte nur für Frieden
URENCO, Firma für Urananreicherung in Ahaus,Bevölkerungsinformation

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