Vorlesungsmanuskript ET-EW 2011.pdf - von Prof. Dr.-Ing. H. Alt, FH ...

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1.2.2 Kernfusion
Kernenergie lässt sich auch über den Aufbau schwerer Kerne aus leichten Kernen (Kernfusionpro-
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zess), gewinnen z. B.: 1 D+ 1T
⇒2
He + 0n
+ ∆E
, ∆E = 17,6 MeV
Kernfusion und Kernspaltung lassen sich als Kettenreaktion führen; allerdings wurde bisher nur bei
der Kernspaltung eine kontrollierte Kettenreaktion verwirklicht. Eine massenkontrollierte Fusionsreaktion
liefert die Wärme unseres Zentralgestirns, eine unkontrollierte Kernfusions-Kettenreaktion
erfolgt bei der Explosion einer Wasserstoffbombe. Im Jahr 1991 wurde am Joint European Torus
(JET) in Culham/England erstmals auch unter irdischen Bedingungen nachgewiesen, dass sich
eine (D2 + T2)-Mischung auch thermisch in kontrollierter Form „zünden“ lässt.
Die bei Kernprozessen freiwerdende Energie ∆E tritt – wie dies auch bei chemischen Reaktionen
der Fall ist – als Massendifferenz zwischen Anfangs- und Endzustand des Systems in Erscheinung
(Massendefekt). Dieser Massendefekt ∆m ist über die Einstein-Beziehung ∆E = ∆m c 2 einer Energie
gleich; wobei der Masse 1 AME die Energie 931 MeV entspricht. Die relativen Massendefekte
∆m/m sind für chemische Reaktionen verschwindend klein.
Hier wird meist nur die Bindungsenergie der chemischen Bindungen im Bereich von (1 – 5)eV frei.
Nach den chemischen Reaktionen weisen die radioaktiven Zerfallsprozesse die geringsten Massendefekte
auf (∆m/m in der Größenordnung von 10 -10 ; 10 Milliardstel), während der Massenverlust
bei Kernfusion und Kernspaltung (∆m/m in der Größenordnung von 10 -3 ; Tausendstel) mit einer
guten Waage bestimmt werden könnte. Eine vollständige Massenvernichtung (∆m/m=1!) tritt
bei Teilchen-Antiteilchen-Reaktionen auf, z. B. bei der Wechselwirkung von Positronen mit Negatronen
(Paarvernichtung).
Wird die von einem Radionuklid emittierte Strahlung in der Probe absorbiert, so führt dies in den
meisten Fällen zu deren Aufheizung (Ausnahme: (a,n)-, (g,n)-Kernreaktionen oder g-Wechselwirkung)
In den Radionuklid- oder Isotopenbatterien nutzt man den sich somit ausbildenden Temperaturunterschied
zur Umgebung aus. Bei den heute in Betrieb befindlichen Isotopenbatterien
wird diese Wärmeenergie über die thermoelektrische Konversion (Seebeck-Effekt) mit einem Wirkungsgrad
von maximal 3 bis 5 % in elektrische Energie umgewandelt. Eine höhere Ausbeute an
elektrischer Energie von 8 bis 10 % liefert die thermoionische Anordnung, deren Technologie aber
noch nicht genügend entwickelt ist.
Die bei radioaktiven Zerfallsprozessen freiwerdende Energie ist mit weniger als 100 keV/u relativ
gering. Für Isotopenbatterien mit konstanter, hoher Leistung, aber kleinem Volumen und Gewicht
werden Radionuklide benötigt, die eine relativ lange Halbwertszeit besitzen, beim Zerfall möglichst
viel Energie in Freiheit setzen und keine oder nur eine sehr geringe Abschirmung benötigen, um
eine Strahlenbelastung der Umgebung auszuschließen.
Vorteilhaft sind daher α-strahlende Nuklide wie 238 Pu, 244 Cm und 210 Po. β-aktive Nuklide wie 144 Ce
und 90 Sr sind zwar als Abfallprodukte der Kernspaltung billiger, bedürfen aber einer relativ dicken
Abschirmung.
Das wichtigste Nuklid für Isotopenbatterien ist 238 Pu, da es mit einer Halbwertszeit von 87,74 Jahren
beim Zerfall nur α-Strahlen mit 5,5 MeV emittiert und die Zahl der Spontanspaltneutronen wegen
der langen Spontanspalthalbwertszeit von 238 Pu niedrig ist. 238 Pu wird heute in kg-Mengen
über die Reaktionen:
237 Np (n,g) 238 Np -(b - ) → 238 Pu
und in geringeren Mengen über: 241 Am (n,g) 242 Am -(b - ) → 242 Cm-(a) → 238 Pu gewonnen.
Durch 237 Np-Bestrahlung erzeugtes 238 Pu besteht zu etwa 80 bis 85 % aus
238 239
Pu, zu 10 bis 15 % aus Pu und zu 3 bis 5 % aus höheren Pu-Isotopen.
Sämtliche im Rahmen des Apollo-Mondlandungsprogramms benutzten Isotopenbatterien
enthielten 238 PuO2 als Energiequelle (SNAP-27 mit ca. 4 kg
238
PuO2 lieferte bei 1480 Wth eine elektrische Leistung von ca. 60 W).
Seit 1968 beim Absturz nach dem Fehlstart einer Rakete eine ungeschütze
Pu-Isotopenbatterie in der Erdatmosphäre verglühte, wurde eine
Wiederholung einer solchen Freisetzung durch entsprechend angebrachte
Hitzeschilde ausgeschlossen. Für die Erforschung der äußeren
Planeten unseres Sonnensystems sind Pu-Isotopen-Batterien die
bisher einzige, zuverlässige Energiequelle.
D:\FH AKE\Vorlesungsmanuskript ET-EW 2011.doc
100 Watt Pu-238 Quelle, wie sie in einer
Raumfahrtmission 1970 verwendet worden
ist. Die Quelle ist 250 g schwer und
ungefähr 3 cm im Durchmesser. Quelle:
Los Alamos National Laboratory, U.S.A