Atom- und Kernphysik

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Atom- und Kernphysik

ATOM- UND KERNPHYSIK

1) Bohrsches Atommodell

1.1) Modelle

D: Ein Modell ist eine Abbildung physikalischer Objekte, die für eine direkte Untersuchung

nicht zugänglich sind. Modelle vereinfachen, sollen aber einzelne Phänomene erklären.

B: Erdabplattung anhand rotierender Metallsegmente zeigen.

1.2) Bohrsches Modell des Wasserstoffatoms

A: Wie ist ein (unsichtbares) Atom aufgebaut?

E: Rutherford-Streuung: Helium-Kerne auf Goldfolie schiessen

M(odell): Das negativ geladene leichte Elektron kreist auf ganz bestimmten Bahnen um das

positiv geladene schwere Proton.

S: Die Bahnradien r n sind gegeben durch:

r n = r 1 ∙ n 2

wobei: n = 1,2,3…

r 1 = 0.529 ∙ 10 -10 m : Bohrscher Radius (s. Fundamentum S. 100)

A: Berechne Sie die ersten drei Bahnradien des Elektrons im Wasserstoffatom und zeichnen

Sie diese im richtigen Massstab.

r 1 = 0.529 ∙ 10 -10 m

r 2 = 2.116 ∙ 10 -10 m

r 3 = 4.761 ∙ 10 -10 m

M: Das Elektron kann Bahnen wechseln.

A: Was ist nötig, um einen Satelliten auf eine höhere Umlaufbahn zu befördern bzw. auf eine

tiefere Bahn zu bringen?

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F: Jede Bahn entspricht einem bestimmten Energieniveau (analog zur potenziellen Energie).

M: Die Energie des Elektrons im n-ten Niveau ist:

wobei: E 1 = -13.6 eV (s. Fundamentum S. 100)

D: Ein Elektronenvolt eV ist gleich 1.6 ∙ 10 -19 J

A: Berechnen Sie die Energieniveaus zu den oben berechneten Bahnradien.

E 1 = -13.6 eV

E 2 = -3.4 eV

E 3 = -1.51 eV

A: Was passiert bei n → ∞?

E n → ∞ =

A: Stellen Sie die Energieniveaus graphisch dar.

A: Was passiert, wenn dem Elektron auf der ersten Bahn gerade 13.6 eV Energie zugeführt

wird?

F: Bei genügend grosser Energiezufuhr kann sich das Elektron vom Proton lösen

→ Ionisation

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1.3) Absorption

A: Was liefert die Energie, um das Elektron auf eine höhere Bahn zu bringen?

M: Hat ein in das Atom eindringende Photon (Lichtteilchen) genau die Energie, die einer

Differenz der Energie zweier Bahnen entspricht, springt das Elektron um diese Differenz

höher. Dabei wird das Photon absorbiert.

M: Stimmt die Energie des Photons mit keiner Energieniveaudifferenz des Atoms überein,

passiert das Lichtteilchen das Atom ohne Interaktion.

A: Wie gross ist die Energie eines Photons?

E = h ∙ f (s. Fundamentum S. 99)

wobei: h = 6.63 ∙ 10 -34 Js (Plancksches Wirkungsquantum)

f: Frequenz des Photons

F: Licht können wir uns auch als elektromagnetische Welle mit verschiedenen Frequenzen

bzw. Wellenlängen vorstellen. Dabei gilt:

(vergl. „Wellenlehre“, Kap. 2.3)

wobei: c = Lichtgeschwindigkeit

B: hinterlegtes Farbspektrum Fundamentum S. 103 ganz unten (wobei: [] = nm)

F: Jeder Wellenlänge bzw. Frequenz entspricht eine bestimmte Farbe im Spektrum.

A: Berechnen Sie die Frequenz eines „gelben“ Photons.

= 600 ∙ 10 -9 m

f = 5 ∙ 10 14 Hz

A: Berechnen Sie die Energie dieses Photons.

E = 3.3 ∙ 10 -19 J

A: Rechnen Sie diese Energie in eV um.

2 eV

M: Nur Photonen von ganz bestimmten Energien (Farben) können vom Atom absorbiert

werden (Bohrsche Frequenzbedingung).

wobei: (s. Fundamentum S. 100)

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B: Absorptionslinien im Sonnenspektrum

A: Wodurch werden die Absorptionslinien im Sonnenspektrum verursacht?

F: Die Sonne würde ohne Atmosphäre ein kontinuierliches Spektrum aussenden:

F: Gasatome in der Sonnenatmosphäre absorbieren aber Photonen von ganz bestimmten

Wellenlängen (Farben):

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1.4) Emission

M: Wurde ein Elektron (durch Absorption oder Wärmeaufnahme) auf eine höhere Bahn

gebracht, fällt es wieder auf eine tiefere Bahn. Dabei wird Energie in Form eines Photons

ausgesendet → Emission

F: Die Energie des emittierten Photons entspricht genau der Energiedifferenz der beiden

Bahnen (vergl. Kapitel 1.3):

wobei: (s. Fundamentum S. 100)

B: Emissionslinien von Leuchtstoffröhre

A: Bei welchen Wellenlängen werden Photonen emittiert?

F: Die Wellenlängen der Emissionslinien entsprechen genau den Wellenlängen der

Absorptionslinien. Wenn also ein kaltes Gas, welches zuvor Photonen absorbiert hat (z.B. in

der Sonnenatmosphäre), aufgeheizt wird und selber leuchtet, emittiert es Photonen bei genau

denselben Wellenlängen, bei denen es zuvor absorbiert hat.

F: In der Grafik auf S. 2 sind sowohl Emission wie auch Absorption erkennbar (Pfeile in

beide Richtungen).

F: Grundsätzlich können Elektronen von jeder beliebigen Bahn auf jede beliebige Bahn

wechseln → Vielzahl von Linien möglich.

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2) Radioaktivität

2.1) Schreibweisen

p + : Proton (Nukleon) n : Neutron (Nukleon) e - : Elektron

: Photon (Lichtteilchen) : Heliumkern

oder X-A (s. Fundamentum S. 100)

wobei: X: Elementsymbol (C, N, … )

A: Massenzahl, Nukleonenzahl (Anzahl p + + Anzahl n)

Z: Kernladungszahl, Ordnungszahl (Anzahl p + )

D: Nuklide sind Atomkerne, wobei das Z den Nuklidnamen bestimmt.

B: Kohlenstoffkern, Stickstoffkern

D: Isotope sind Varianten desselben Nuklids. Sie haben dasselbe Z aber unterschiedliche A.

B: oder C-12, oder C-13, oder N-14

A: Wie viele Protonen und wie viele Neutronen hat ein C-13 Isotop?

A: Wie viele Wasserstoffisotope gibt es (s. Fundamentum S. 105)?

A: Zeichnen Sie schematisch einen Heliumkern (-Teilchen) mit A = 4.

D: Ionen sind geladene Atome oder geladene Moleküle (Anzahl p + ≠ Anzahl e - ).

B: Ionisierter Wasserstoff (nur ein p + )

2.2) radioaktive Zerfallsarten

E: Strahlung von Uranerz mit Geigerzähler messen.

F: Wir sind ständig und überall radioaktiver Strahlung ausgesetzt.

S: Zerfällt ein Atomkern, sendet er radioaktive Strahlung aus.

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M: Beim -Zerfall sendet der Atomkern einen Heliumkern (-Teilchen) aus.

A: Wie ändern sich dabei A und Z des übrig gebliebenen Kerns?

S: (Fundamentum S. 100)

A: In was zerfällt bei -Zerfall (s. Fundamentum S. 106 und 111)?

Po-216 (Polonium)

M: Beim - -Zerfall sendet der Atomkern ein Elektron aus. Im Kern wandelte sich ein

Neutron in ein Proton und das auszusendende Elektron um. Zusätzlich wird ein so genanntes

Antineutriono ausgesendet.

A: Wie ändert sich dabei A und Z des übrig gebliebenen Kerns?

S: (Fundamentum S. 100)

A: In was „zerfällt“ C-14 bei - -Zerfall?

M: Beim -Zerfall sendet der Atomkern ein Photon aus. Dadurch gibt der Kern

überschüssige Energie ab. Weder Z noch A (und damit X) ändern sich.

S: (*: energetisch angeregter Zustand)

F: Die verschiedenen möglichen Zerfallsarten von Nukliden sind in Tabelle 28.2 im

Fundamentum S. 105 zu sehen.

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2.3) Zerfallsgesetz

S: Das Zerfallsgesetz gibt an, wie viele Atomkerne von einer anfänglichen Anzahl (N 0 ) nach

einer bestimmten Zeit (t) noch vorhanden sind.

A: Wovon hängt diese Zahl ab?

wobei:

N 0 = Anzahl Atomkerne bei t = 0 s

: Zerfallskonstante = Anzahl Zerfälle pro Sekunde

(Fundamentum S. 16 + 100)

D: Die Halbwertszeit T 1/2 ist die Zeitdauer, nach der von einer anfängliche Anzahl

radioaktiver Kerne gerade noch die Hälfte vorhanden ist.

F:

(Fundamentum S. 100)

F: Die Halbwertszeiten verschiedener Nuklide stehen in Tabelle 28.2 (Fundamentum S. 105).

A: Wie viele von anfänglich 1000 Rn-220 Kernen sind nach drei Minuten noch vorhanden?

Zuerst abschätzen dann rechnen.

T 1/2 : etwa 1 Minute

nach 1 Minute:

nach 2 Minuten

nach 3 Minuten:

= 0.01247

N(t) = 106 Kerne

B: C-14 Methode (Altersbestimmung)

- Radioaktives C-14 reichert sich durch Stoffwechsel in Lebewesen an.

- Die dabei angereicherte Menge kennt man (N 0 ).

- Stirbt das Lebewesen, zerfällt das C-14, ohne dass neues angereichert wird.

- Durch Messung wird die noch vorhandene Menge C-14 bestimmt (N(t))

A: Bei Ötzi sind heute noch 58% der ursprünglichen C-14 Strahlung vorhanden. Wann starb

er?

t = 4503a

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2.4) Abschirmung

E: -, - und -Strahlen (Americium, Strontium, Kobalt)

F: Das Durchdringungsvermögen radioaktiver Strahlung hängt von der Strahlungsart und

vom durchdrungenen Material ab.




Die geladenen und massereichen -Teilchen geben ihre Energie durch häufige Stösse

auf kurzem Weg rasch ab → kleines Durchdringungsvermögen, Abschirmung durch

Papier möglich.

Die ungeladenen, kleinen und masselosen Photonen reagieren nur schwach mit dem

durchdrungenen Material → grosses Durchdringungsvermögen, Abschirmung durch

Blei möglich.

Die -Strahlung liegt in ihren Eigenschaften zwischen - und -Strahlung.

Abschirmung durch Aluminium möglich.

E: Reichweite (Strahlungsquellen vom Geigerzähler entfernen)

F: Bei - und -Strahlung kann man eine mittlere Reichweite in Luft angeben:

: ca. 5 cm, : ca. 5 m

F: Bei den durchdringenden -Strahlen gibt man hingegen die so genannte Halbwertsdicke an.

D: Die Halbwertsdicke d 1/2 ist die Dicke s eines Materials, durch welche die

Strahlungsintensität I auf die Hälfte ihres ursprünglichen Werts I 0 reduziert wird.

wobei : Absorptionskoeffizient

A: Die Messung 18.25 m von der -Quelle weg hat eine Reduktion der Intensität um 10%

ergeben. Berechnen Sie die Halbwertsdicke von Luft.


= 0.005773

d 1/2 = 120 m

2.5) Strahlenschäden

S: Radioaktive Strahlung kann intakte Atome und Moleküle ionisieren.

F: Strahlung kann direkt Biomoleküle schädigen (z.B. DNA-Stränge zerbrechen). Folgen:




Schädigungen der Erbsubstanz (Erbschäden)

Genmutationen (Krebs)

Funktionsstörungen in Zellen (im Extremfall Tod)

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F: Strahlung kann auch indirekt Biomoleküle durch Ionisation von Substanzen in den Zellen

schädigen (z.B. Entstehung aktiver Radikale). Folgen wie oben.

S: Körpereigene Reparaturmechanismen können Schäden bis zu einer gewissen

Belastungsgrenze reparieren.

DNS:

Chromosomen (DNS-Stränge):

2.6) Strahlenbelastung

D: Die Äquivalentdosis H gibt die gewichtete von der Masse m absorbierte

Strahlungsenergiemenge E an.

F: [H] = = Sievert = Sv

wobei q: Qualitätsfaktor

m: absorbierende Masse (Fundamentum S. 100)

S: q hängt von der Art der Strahlung und von der Art des absorbierenden Materials ab.

B: Für menschliches Gewebe gilt: q = 20 bei -Strahlung und q = 1 bei - und -Strahlung

S: Die natürliche Strahlenbelastung für einen Menschen (terrestrische und kosmische

Strahlung, Eigenstrahlung durch Anreicherung) beträgt ca. 4 mSv pro Jahr.

S: Die künstliche Strahlenbelastung (Medizin, Kernanlagen, Kernversuche) beträgt 1.5 mSv

pro Jahr.

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B: für verschiedene Strahlungsdosen

0.02 mSv 200g bayrisches Wildschwein (23 Jahre nach Tschernobyl)

0.05 mSv Transatlantikflug

0.5 mSv Röntgenuntersuchung

10 mSv Mondflug

B: für Auswirkungen einmaliger Strahlungsdosen

< 0.5 Sv kein eindeutiger Zusammenhang zu Krankheiten

1 Sv Einsetzen der Strahlenkrankheit (Erbrechen, Haarausfall)

1.5 Sv Strahlenkrankheit bei 50% der Opfer

2 Sv Sterblichkeit bei 5% der Opfer (Bsp: 2 km von Hiroshima-Explosion entfernt)

5 Sv Sterblichkeit bei 50% (Bsp: 1 km von Hiroshima-Explosion entfernt)

10 Sv Sterblichkeit bei 100%

13 Sv im Gebäude bei der Reaktorexplosion in Tschernobyl

2.7) Strahlenschutz

S: Für radioaktive Quellen innerhalb des menschlichen Körpers gilt:

Aufnahme in den Körper möglichst verhindern.

(Bsp. 20 Zigaretten pro Tag entsprechen einer Röntgenuntersuchung pro Tag)

S: Für radioaktive Quellen ausserhalb des Körpers gilt:





Quelle oder Körper abschirmen (z.B. Bleitresor, Sonnenschutz).

Abstand zur Quelle halten (Intensität nimmt mit dem Quadrat der Distanz ab).

Jahresdosis gering halten (z.B. Röntgenuntersuchungen auf Monate verteilen).

Kurzzeitige Strahlungsdosen gering halten (nicht zu viele Röntgenaufnahmen

hintereinander).

D: Die Aktivität A ist die Anzahl Zerfälle pro Zeit.

[A] = (Fundamentum S. 100)

S: Die Aktivität kann als zeitliche Ableitung des Zerfallsgesetzes berechnet werden:

A: Was passiert mit der Aktivität, wenn ein radioaktives Material eine kurze/lange

Halbwertszeit aufweist?

F: Bei einem Reaktorunfall lohnt es sich unter Umständen, vor dem Aufräumen zu warten, bis

die hohe Anfangsaktivität abgeklungen ist.

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3) Kernenergie

3.1) Bindungsenergie E B

A: Weshalb drängen die Protonen im Kern nicht auseinander?

F: Zwischen den Nukleonen wirkt die anziehende Kernkraft. Sie sie ist 100-mal stärker als

die Coulombkraft.

D: Die Atommasseneinheit u ist der Masse eines Kohlenstoffisotops C-12.

u = 1.66 ∙ 10 -27 kg (Fundamentum S. 105 und Umschlag)

A: Berechnen Sie die Masse eines He-Kerns mit A = 4 und m = 4.0015061 u einerseits und

die Massensumme seiner Einzelteile andererseits.

m gebunden = 6.645 ∙ 10 -27 kg

m einzel = 6.695 ∙ 10 -27 kg

F: Ein He-Kern hat scheinbar weniger Masse als zwei Protonen und zwei Neutronen

zusammen. Dafür weist der He-Kern Bindungsenergie E B (Kernkraft) auf.

D: Der Massendefekt m ist die Massendifferenz zwischen dem freien und dem gebundenen

Kern.

A: Gibt es eine Beziehung zwischen Energie und Masse?

Exkurs: Einsteinsche Relativitätstheorie

S: Masse m und Energie E sind äquivalente Grössen („Masse-Energie-Äquivalent“).

Dabei gilt (c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum):

(Fundamentum S. 99)

F: Materie ist "auskondensierte" Energie!

F: Im He-Kern ist Masse in Form von Bindungsenergie vorhanden.

E: Sich anziehende Magnete auseinanderziehen.

A: Was muss man machen, um zwei sich anziehende Magnete auseinanderzuziehen?

A: Was muss man machen, um einen He-Kern ganz auseinanderzubrechen?

A: Wo steckt dann die zugeführte Energie?

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A: Wie gross ist die Bindungsenergie E B in den verschiedenen Atomkernen?

F: Die Kerne sind nicht alle gleichstark gebunden. Die grösste Bindungsenergie weist Eisen

auf.

A: Welche Energiemenge muss man einem Ne-20 Kern zuführen, damit er in seine Einzelteile

zerlegt wird?

A = 20

E B = 150 MeV

3.2) Kernfusion

A: Was passiert, wenn 20 Nukleonen zu einem Ne-20-Kern zusammengefügt werden

(Kernfusion)?

S: Bei der Fusion von Kernen mit tiefer in Kerne mit höherer Bindungsenergie wird Energie

frei.

A: Wie viel Energie wird frei, wenn Sie aus zwei p+ und zwei n einen He-Kern fusionieren?

m einzeln - m Kern = 5 ∙ 10 -29 kg

E = 4.5 10 -12 J

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A: Wie läuft die Kernfusion von Helium ab?

Kernfusion von H zu He

H- und He-Brennen in Sternen

F: Die Fusion von H zu He erfolgt in mehreren Schritten und bedarf einer Temperatur um

10 7 K, damit sich die Nukleonen genügend stark annähern können, denn die Coulombkraft

möchte ja die Protonen auseinandertreiben.

A: Wo gibt es solche Temperaturen?



H-Bombe: Bei der Fusion frei werdende p + führen zur Fusion weiterer Kerne

→ Kettenreaktion → Explosion

Sonnenzentrum

F: bei noch höheren Temperaturen im Sterninnern folgt auf das H-Brennen das He-Brennen,

dann das C-, Ne-, O- und schliesslich das Si-Brennen, das Fe fusioniert.

A: Warum werden in der Sonne nur Elemente bis Eisen fusioniert (vergl. Mechanik Kap.

7.5.2 + 7.5.3)?

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3.3) Kernspaltung

A: Welche Kerne muss man spalten, damit Energie frei wird?

S: Bei der Spaltung (Fission) von Kernen mit tiefer in Kerne mit höherer Bindungsenergie

wird auch Energie frei.

A: Ein Kern mit A = 240 wird in zwei Kerne mit je A = 120 gespalten. Berechnen Sie die frei

werdende Energie (in MeV).

E B = 240 MeV

A: Was liefert die Energie zum Zünden einer H-Bombe?

F: Eine Uranbombe zündet eine H-Bombe.




U-235 wird mit n beschossen, so dass U-236 entsteht.

Dieses zerfällt in Kr-89 und Ba-144.

Neben Wärmeenergie und Strahlung werden n frei, die wiederum weitere Urankerne

zur Spaltung bringen können → Kettenreaktion → Explosion

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F: Da die neu entstandenen Neutronen zu schnell sind, um andere Kerne zu spalten, müssen

sie vorher durch einen so genannten Moderator (z.B. Wasser) abgebremst werden.

A: Warum explodieren Kernkraftwerke nicht?

F: Wenn die Neutronen absorbierenden Steuerstäbe zwischen die Brennstäbe mit spaltbarem

Uran geschoben werden, kommt die Kettenreaktion zum Erliegen (→ Steuerung der Leistung

des Reaktors durch Ein- und Ausfahren der Steuerstäbe). Dasselbe geschieht, falls durch

einen Unfall das Kühlwasser verdampfen sollte, da in diesem Fall der Moderator fehlt, um die

Neutronen abzubremsen.

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A: Wie funktioniert ein Siedewasser-Kernkraftwerk (KKW)?





Bei der Fission frei werdende Energie bringt Kühlwasser zum Verdampfen.

Dampf wird unter hohem Druck über Turbine geleitet.

Turbine treibt Stromgenerator an.

Dampf muss durch Kühlturm oder Fluss weiter abgekühlt werden.

A: Wie funktioniert ein Druckwasser-Kernkraftwert (Typ Tschernobyl)?




Brennelemente sind in Druckröhren in einem Graphitblock integriert.

Graphit dient als Moderator.

Wasser dient nur als Kühlmittel.

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F: Vorteile gegenüber dem Siedewasserreaktor sind das einfachere Austauschen der

Brennstäbe und die einfachere Gewinnung von Plutonium für Kernwaffen…

F: Ein grosser Nachteil ist, dass der Moderator immer noch da ist, sollte das Kühlwasser bei

einem Unfall verdampfen (s. Kapitel 3.4).

A: Wie funktioniert ein „Schneller Brüter“?

Zuerst wird U-238 durch Neutroneneinfang in Pu-239 verwandelt („Brutprozess“ s.

unten).

Im Reaktor wird Pu-239 durch schnelle Neutronen gespalten.

F: Vorteile sind der Wegfall eines Moderators und die Verwendung des viel häufigeren U-

238 als Spaltmaterial.

F: Nachteile sind das Kühlmittel Natrium (wird radioaktiv) und das Weiterlaufen der

Kettenreaktion im Falle von Kühlmittelverlust.

A: Beim Brutprozess wird in U-238 ein Neutron eingelagert. Dadurch entsteht U-239. Dieses

wandelt sich durch zweimaligen -Zerfall in Pu-239 um. Schreiben Sie die

Reaktionsgleichungen auf.

A: Wie viel Energie liefert die Kernspaltung?

S: Bei der Spaltung eines U-235-Kerns werden 200 MeV Energie frei

A: Wie viel Energie wird frei bei der Spaltung von 1g Uran?

m U-235 = 3.9 ∙ 10 -25 kg

Anzahl Kerne = 2.56 ∙ 10 21 Kerne

E = 8.2 ∙ 10 10 J

A: Der mittlere Tagesverbrauch eines Schweizers E mittel beträgt 80kWh. Wie viele

Schweizer können Sie mit 1 g Uran einen Tag lang versorgen?

Anzahl = 284

A: Was bleibt nach der Kernspaltung übrig?

F: Über 300 radioaktive Stoffe, wobei 80% schwach, 19% mittel und 1% hoch radioaktiv

sind (Endlagerung).

F: Gewisse radioaktive Materialien schädigen nicht nur durch Strahlung sondern sind auch

giftig.

B: 10 mg Pu-239 lösen bereits tödliche Nierenschäden aus.

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3.4) Reaktorkatastrophe von Tschernobyl 1986

A: Wo liegt Tschernobyl?

A: Was geschieht, wenn bei einem laufenden Kernkraftwerk die Dampfzufuhr zu der Turbine

geschlossen wird?

Turbinen und Generator laufen gemäss Trägheitsprinzip aus, wobei immer noch Strom

produziert wird.

A: Was war der ursprüngliche Auslöser des Unfalls?

Testlauf, ob bei totalem Stromausfall (Erdbeben, Krieg) die noch auslaufende Turbine

genügend Strom für den Betrieb der Anlage, inklusive Notkühlsystem, liefern könnte, bis

nach 60 s die Notstromaggregate (Dieselgeneratoren) anspringen.

A: Wie war der Ablauf des Unfalls?

25. April

01:00:00 Reaktorleistung (Maximalwert: 3200 MW) sollte für den Test auf 500 MW

gedrosselt werden.

13:05:00 Leistung auf 1600 MW abgesunken.

24:00:00 Schichtwechsel

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26. April

00:28:00 Leistung auf 500 MW gesunken. Automatische Leistungsregelung bei 500 MW

eingeschaltet.

Aber: Leistung sank weiter auf 30 MW, weil der Sollwert von 500 MW vorher

falsch eingestellt wurde.

Folge: Xenon, das wie Steuerstäbe Neutronen absorbiert, reicherte sich im

Reaktor an (so genannte „Xenonvergiftung“).

Folge: Weiterer Leistungsabfall wegen sinkendem Neutronenfluss.

00:32:00 Reaktion: Weitere Steuerstäbe ausgefahren.

Folge: Leistung auf 200 MW erhöht.

01:03:00 Vortest: Zusätzliche Kühlmittelpumpen zugeschaltet, um zusätzlichen

Energieverbrauch des Notkühlsystems zu simulieren.

Folgen: Höherer Kühlmitteldurchlauf mit kaltem Wasser, weniger

Dampfblasen im Reaktor, weniger Moderatorleistung (Dampf moderiert besser

als flüssiges Wasser), weniger Reaktorleistung.

Reaktion: Kompensation durch Ausfahren weiterer Steuerstäbe.

01:19:00 Zufuhr von kaltem Wasser zur Kompensation des verdampften Kühlwassers.

Folge: Erneuter Leistungsabfall

Reaktion: Kompensation durch Ausfahren weiterer Steuerstäbe.

01:23:00 Jetzt war der Reaktor zwar instabil, doch der Unfall hätte zu diesem Zeitpunkt

noch verhindert werden können.

Aber: Der eigentliche Test wurde eingeleitet durch Schliessung des

Dampfventils zwischen Reaktor und Turbine.

Folgen: Druck und damit Temperatur im Reaktor stieg, mehr Kühlwasser

verdampfte, mehr Moderatorleistung, mehr Reaktorleistung, wachsender

Neutronenfluss, Abbau des zuvor gebildeten Xenons, noch mehr

Kernreaktionen, schliesslich so genannter Runaway (unkontrollierte

Kettenreaktion).

01:23:35 Notabschaltung eingeleitet durch Einfahren aller Steuerstäbe.

Folge: Da an den Spitzen der Steuerstäbe Graphit (Moderator!) angebracht ist,

wurde beim gleichzeitigen Einführen aller Stäbe die Moderatorleistung massiv

erhöht.

Folge: Anstieg des Neutronenflusses, noch mehr Leistung.

01:23:44 Leistung des Reaktors stieg innert Millisekunden auf 320‘000 MW (100-facher

Höchstwert).

Folgen: Kanäle für Steuerstäbe verbogen sich durch die Hitze, Steuerstäbe

waren nicht mehr tiefer einfahrbar, Kettenreaktion lief unkontrollierbar weiter.

Folge: Druckröhren des Kühlwassers durch Hitze gesprengt.

Folge: Knallgasexplosion wegen Bildung von Wasserstoff (erste Explosion)

Schliesslich: Explosion des Graphitblocks und damit des ganzen Reaktors

(zweite Explosion).

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Reaktor nach der Explosion

Sarkophag

A: Was passierte nach dem Unfall?

Das Gelände wurde von radioaktiven Trümmern gereinigt. Der Rest des Reaktors wurde mit

einem so genannten Sarkophag aus Beton und Stahl umschlossen. Der ist heute brüchig und

soll durch einen neuen überspannt und dann abgebaut werden.

A: Welches waren die unmittelbaren Folgen?

Von 200‘000 Aufräumarbeitern wurden 1‘000 unmittelbar nach dem Umfall so stark

verstrahlt, dass sie infolge direkter Strahlungswirkung innerhalb von Tagen starben. Andere

starben später, weil sie radioaktive Materialien (v.a. Staub) in den Körper aufgenommen

hatten. Etwa 350‘000 Bewohner wurden aus einer Zone im Umkreis von 30 km um den

Reaktor evakuiert.

A: Was geschah mit den anderen drei Reaktoren?

Etwa ein Jahr nach den Aufräumarbeiten wurden die drei noch funktionierenden Reaktoren

(von demselben Typ) unter besonderen Sicherheitsvorkehrungen für die Arbeiter wieder in

Betrieb genommen. Auf Druck des Auslandes schaltete man sie aber 1991, 1996 und 2000

endgültig aus.

A: Welche Auswirkungen hat der Unfall heute?

Nach dem Unfall lagerten sich insgesamt 0.8 g Iod-131 und 666 g Cäsium-137 im Boden der

alten Bundesländer ab. Wer 23 Jahre nach dem Unfall 200 g Wildschweinfleisch aus Bayern

isst, nimmt 5 ∙ 10 -10 g Cs-137 zu sich. Das entspricht einer Aktivität von 1‘600 oder

0.02 mSv oder ca. 1% der natürlichen jährlichen Strahlungsdosis.

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