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Ist die Kernfusion die Energiegewinnung der Zukunft)

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Physics

University, School

Deutschorden Gymnasium Bad Mergentheim

Grade, Teacher, Year

1,5 ; Herr Meier ; 2014

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GFS: Kernspaltung und Kernfusion Wilhelmi Gymnasium Sinsheim • Klasse 9d Gliederung: 1. Was ist Kernspaltung? 2. Geschichte der Kernspaltung 3. Entdeckung der Kernspaltung 4. Was ist Kernfusion? 5. Entdeckung der Kernfusion 6. Anwendungen der Kernfusion 7. Vor- und Nachteile der Kernspaltung / Kernfusion Quellen 1. Was ist Kernspaltung? Kernspaltung (auch Kernfission) ist ein Prozess der Kernphysik. Es ist der durch Absorption eines Neutrons ausgelöster Zerfall eines schweren Atomkernes in meist zwei verschieden schwere…
Nivoglazio-niva­le Regime sind dadurch gekennzeichnet, dass die Gletscher im Einzugsgebiet größere Flächen einnehmen und daher die Abflusskoeffizi­ent­en der Monate Juli und August höher sind als die im Mai. 2.1.4. gemäßigtes nivales Regime[16] Abbildung 4: Grossachen bei Kössen, 1951 – 1982, Gemäßigt – Nivales Regime Das gemäßigte nivale Regime ist durch höhere Abflüsse im Mai als im Juli gekennzeichnet. 2.2. Komplexe Regime 1. Grades[17] Diese Regime umfassen die große Zahl von Flüssen, deren Abflussjahresga­ng…

GFS

Kernfusion


Inhalt

1.) Was ist Kernfusion?

2.) Kernfusionsreaktor

3.) ITER-Projekt

4.) Berechnung der Energie

6.) Vergleich Kernfusion und Kernspaltung

7.) Vor- und Nachteile

8.) Fazit

1.)         Was ist Kernfusion?

Kernfusion ist wie der Name ja schon sagt, die Verschmelzung von zwei leichten Atomkernen zu einem schweren Kern.

Und ist die Masse der bei der Fusion entstandenen Kerne oder Teilchen geringer als die Summe der Masse der Ausgangskerne, so wird dann wegen der Äquivalenz, also der Gleichwertig keit von Masse und Energie bei der Kernfusion Materie in Energie umgewandelt.

Diese Technik ist ja eigentlich noch nicht Neues, denn seit Millionen von Jahren, ist Kernfusion die Energiequelle der Sterne und natürlich der Sonne.


Bei der Kernfusion gibt es den Ausgangsstoff Deuterium, das ist ein natürliches Isotop von Wasserstoff, und besteht aus einem Proton und einem Neutron und wird aufgrund seiner Masse auch als schwerer Wasserstoff bezeichnet.

Der zweite Ausgangsstoff ist Tritium, ebenfalls ein natürliches Isotop von Wasserstoff und besitzt ein Proton und twei Neutronen und wird auch super- oder überschwerer Wasserstoff genannt.


Bei der Fusion treffen ein Tritiumatom und ein Deuteriumatom aufeinander und verschmelzen zu einem Heliumatom und einem Neutron und die hier in Megaelektronenvolt angegebene Energie.

Ein Elektronenvolt ist die Energiemenge, um welche die kinetische Energie eines Elektrons zunimmt, wenn es eine Beschleunigungsspannung von 1 Volt durchläuft

Und wie funktioniert das mit der Energie?

Die Massensumme der Ausgangsstoffe, also Deuterium und Tritium ist  ungefähr 0,6% größer als die die Masse der Fusionsprodukte. Also wird nach Einsteinsformel E= Δm·c² die Massendifferenz in Energie umgewandelt.

Jetzt bleibt nur die Frage, was die Ursache dafür ist.

 

Also die maximale Bindungsenergie pro Nukleon ist ja ungefähr bei Eisen erreicht und nimmt dann in Richtung schwerer Nuklide wieder ab.

Daher kann im Gebiet der leichten Kerne durch Kernverschmelzung (Kernfusion), im Gebiet der schweren Kerne durch Kernspaltung Nutzenergie gewonnen werden, wie in der Abbildung angedeutet ist.


2.) Kernfusionsreaktor

Bei einem Kernfusionsreaktor wird versucht, durch die Zufuhr von Energie 2 positiv geladene Kerne verschmelzen zu lassen.

 

Dabei wird eine extrem hohe Wärme erzeugt um die Kettenreaktion in Gang zu bringen, so ca. 100-200 Mio°C, weil es ja die gegenseitige elektrische Abstoßung zwischen den immer positiv geladenen Kernen gibt und die muss er.....[read full text]

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Deshalb wurde 2005 der Bau des internationalen Forschungsreaktor "ITER" (lateinisch: "der Weg") beschlossen, der seit 2008 im französischen Cadarache gebaut wird. Japan, Russland, die USA, Südkorea, Indien und die Europäische Union sind Partner in dem Weltprojekt.

Damit soll es erstmals gelingen, die technischen Probleme in den Griff zu bekommen. Die Anlage wird etwa zehn Milliarden Euro verschlingen und soll 2019 in Betrieb gehen.

Ziel des Projekts ist es, die wissenschaftliche und technische Machbarkeit der Energieerzeugung aus Kernfusion zu demonstrieren. Kritiker bezweifeln, dass dies gelingt. Die beteiligten Forscher und Ingenieure indes sehen bislang keinen wissenschaftlichen Grund, warum diese Form der Energieerzeugung nicht erfolgreich sein sollte.

Laut Angaben des ITER soll das Kraftwerk etwa ab 2040 kommerziell erfolgreich laufen.


4.) Berechnung der Energie

Um die Energie zu bestimmen die bei der Fusion von Deuterium und Tritium freigesetzt wird geht man wie folgend vor:

Mann subtrahiert die Masse des Endproduktes (Helium+ Neutron) mit der Masse von Deuterium und Tritium.

Dann erhält man den Massendefekt dieser Fusion, der die Masse angibt, die in Energie umgewandelt wird.

Tritium: m= 3,0160495 u

Deuterium: m= 2,014102 u

(m1)= 5,0301515 u

Helium: m= 4,002602 u

Neutron: m= 1,008665 u

(m2)= 5,011267 u


Rechnung: Massendefekt: (m1)-(m2)= 0,0188845 u = 0,031358445*10-24 g

Diese Masse wird nach der Formel (E=mc²) von Albert Einstein in Energie umgewandelt.

.....

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Ein Heliumkern besteht aus 2 Neutronen und 2 Protonen und hat eine tatsächliche Masse von 4,00151 u.

Beim Zusammenrechnen von 2 Neutronen und 2 Protonen erhält man allerdings eine Masse von 4,03188 u.

Der Massendefekt beträgt hier also 0,03037 u.


 

5.) Probleme


- Die Kernfusion ist mit extremer Neutronenstrahlung verbunden. Deshalb muss der Reaktor mit einem Schutzmantel umgeben sein, der die Strahlung abfängt. Diese Strahlung schädigt aber das Material des Mantels und verursacht außerdem induzierte Radioaktivität.

Daher müssen die Teile des Mantels in bestimmten Zeitabständen ausgetauscht werden. Das heißt, in Kernfusionskraftwerken entstehen ähnliche Problemstoffe wie in Kernspaltkraftwerken: hochaktiver Atommüll.


- Wasserstoff ist ein hochexplosives Gas. Die Wasserstoffatome sind die kleinsten Atome, die es gibt, und "schlüpfen" (diffundieren) daher in kleinen Mengen selbst durch dicke Stahlwände. So schlüpfen  natürlich auch die radioaktiven Wasserstoffatome durch die Wände.


- Wasserstoff existiert in der Natur in Form von drei Isotopen. Zwei sind stabil: "normaler" Wasserstoff H1 (leichter Wasserstoff, "Protium", 99,985% Anteil am natürlichen Wasserstoff) und schwerer Wasserstoff H2 ("Deuterium" D, 0,015% Anteil am natürlichen Wasserstoff). Überschwerer Wasserstoff D3, auch "Tritium" (T) genannt, .....

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6.) Vergleich Kernfusion und Kernspaltung


Kernfusion

Kernspaltung

Verschmelzung von Atomkernen

Zerfall von Atomkernen

Auslösung durch

Thermische Energiezufuhr

Aktivierung durch Überschreitung der

„Kritischen Masse“

Freiwerdende Energie: 17MeV

(bei Deuterium-Tritium)


Freiwerdende Energie:

ca. 200MeV

(bei Uran)

Produkt:

„Sauberes Helium“

Radioaktive Spaltprodukte




7.) Vor- und Nachteile

Vorteile

Nachteile

Bei Fusionskraftwerken haben auch schwerste Unfälle keinesfalls katastrophale Auswirkungen.

Der Brennstoffinhalt des Fusionsvolumens beträgt zu jeder Betriebszeit nur wenige Gramm und jede Störung der Randbedingungen unterbricht den Fusionsprozess.

Gesundheitliche Risiken sind noch unklar. Auch die Frage, ob Tritium aus einem Fusionsreaktor austreten kann, ist umstritten. Ein Restrisiko der Reaktorschmelze (Plasma wird auf 100 Mio. Grad Celsius erhitzt) besteht.

Gegenüber Kernspaltung hat die Kernfusion weniger direkte Nachteile: Eine unkontrollierte Kettenreaktion ist noch unwahrscheinlicher, es herrschen wesentlich kürzere Zerfallszeiten für den radioaktiven Rückstand (30-100 Jahre), der zudem schwächer strahlt und geringer ausfällt.

Das ist anders als bei der Kernspaltung, wo die Radioaktivität erst nach 4,5 Milliarden um die Hälfte geringer wird. )

Es entsteht aus den Abfällen chemotoxische Stoffe, die krebserzeugend sind und Missbildungen verursachen.




Fusionskraftwerke haben einen geringen Umweltverbrauch und sind zur Deckung des steigenden Weltenergiebedarfes nötig.

Es ist eine extrem anspruchsvolle Technologie notwendig.

Fusionskraftwerke sind – nach Bewältigung hoher Investitionskosten – eher günstig im Betrieb.


Die Nutzung der Fusionskraft bringt einen gewaltigen Finanzierungsaufwand für die Erforschung mit sich. Der Ertrag ist jedoch noch unabsehbar.

Fusion ist eine unverbrauchbare Energie, es gibt kein Ressourcenproblem für die Ausgangsstoffe. Große Mengen elektrischer Energie können durch ein Fusionskraftwerk langfristig und kontinuierlich geliefert werden.

Es besteht ein Restrisiko der Waffenfähigkeit: Ähnlich wie Kernspaltungstechnologie zum Bau einer Atombombe herangezogen werden kann, könnte eine über zivile Nutzung hinausgehende Fusionstechnologie zum Bau der Wasserstoffbombe befähigen.

Bei der kontrollierten Kernfusion wird ca., eine Millionen(1.000.000) mal mehr Energie gewonnen, als bei der Kernspaltung

Fusionskraftwerke begünstigen die Produktion von Kernwaffen, da hohe Neutronenflüsse vorhanden sind und Tritium ein wichtiger Stoff für fortgeschrittene Atomwaffenprogramme ist.

Bei richtiger Erforschung wird die Welt nachhaltig verändert und es wird die fossile Energiegewinnung verringert, sodass die Welt umweltfreundlicher wird.



8.) Fazit

Die Kernfusion ist eine Technologie mit Zukunft und Potential ,die aber noch genau und vor allem in größerem Maßstab erprobt und auf Wirtschaftlichkeit erfor.....

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