Kernspaltung, Kernfusion am Beispiel unserer Sonne + kleine Knobelaufgabe.

in Deutsch D-A-CH4 months ago (edited)

Die Nutzung von "Kernenergie" ("Atomkraft") stellt ein immer wieder von Neuem heiß diskutiertes Thema dar ... aber ist dabei tatsächlich jedem der Unterschied zwischen zwei grundsätzlich verschiedenen Energiegewinnungsarten bewusst?


Kernspaltung und Kernfusion


Während im "Kernreaktor" ("Atomreaktor", "Atommeiler") im Rahmen von Kettenreaktionen exotherme (Energie freisetzende) Kernspaltungen erfolgen, verschmelzen bei der Kernfusion - ebenfalls unter Emission von Energie - Atomkerne miteinander.


Kernspaltung


Das Prinzip der künstlich induzierten Kernspaltung beruht darauf, Neutronen auf Massereiche Atomkerne zu schießen, wodurch diese soweit in die Länge gezogen werden, dass die nur über sehr kurze Distanzen wirkenden starken Wechselwirkungen zwischen ihren Nukleonen schwächer werden als die Abstoßungskräfte (Coulomb-Kräfte) zwischen ihren positiv geladenen Protonen, was letztlich zu ihrem Zerfall in zwei kleinere Atomkerne führt.

Die während dieses Prozesses ausgestoßenen Neutronen treffen auf weitere Atomkerne, wodurch eine Kettenreaktion ausgelöst wird.

Beispiel: Spaltung von Uran-235 in Barium und Krypton.

Das Uran-235 Atom wird zunächst mit einem Neutron beschossen, wodurch angeregtes, instabiles Uran-236 entsteht, das sodann in die Spaltfragmente Krypton und Barium zuzüglich dreier freier, weitere Uran-235-Atomkerne spaltende Neutronen zerfällt:

Man beachte die bei jedem Reaktionsschritt unveränderlich bleibende Gesamtanzahl aller Protonen und Neutronen.
Die erstaunlich große freigesetzte Energiemenge beruht auf dem Massendefekt: Die Massendifferenz zwischen Edukten und Produkten (mEdukte > mProdukte) lässt sich durch Umwandlung eines Teils der Masse der Edukte in freigesetzte Energie gemäß der berühmten Einstein'schen Formel

E = mc2

erklären (die schön veranschaulicht, dass Materie letztlich nichts anderes als 'verdichtete Energie' ist).

Beim β--Zerfall der neutronenreichen und somit instabilen Spaltfragmente entsteht überdies durch Umwandlung der überschüssigen Neutronen in Protonen eine Isobarenkette (Isobare sind Nuklide mit gleicher Nukleonen-, aber unterschiedlicher Protonen- und Neutronenzahl, zum Beispiel 14C und 14N.).
Bei jeder dieser Umwandlungen eines Neutrons in ein positiv geladenes Proton wird darüber hinaus ein negativ geladenes Elektron (ionisierende β-Strahlung) und ein Elektron-Antineutrino freigesetzt:


Von Inductiveload, Ausschnitt, leicht verändert.

Befindet sich der nach einem radioaktiven Beta- oder Alphazerfall (aus 4He2+ - auch als Alphateilchen bezeichnet - bestehende Strahlung) zurückbleibende Tochterkern in einem angeregten Zustand, führt das außerdem zur Emission von Gammastrahlung.

Trotz auch einiger unbestreitbar positiver Eigenschaften stehe ich der vom Menschen genutzten Kernspaltung skeptisch gegenüber, da einerseits ein auslegungsüberschreitender Unfall (umgangssprachlich "Supergau") zwar sehr selten eintritt, dann jedoch über viele Jahrzehnte bis Jahrhunderte hinweg schwere Umweltschäden und hohe Kosten zeitigt und andererseits insbesondere das Problem des bei dieser Technologie anfallenden, über sehr lange Zeiträume hinweg radioaktiv strahlenden (man sehe sich diesbezüglich die Halbwertszeiten diverser Isotope an) Atommülls weiterhin nicht überzeugend gelöst werden konnte.
Hinsichtlich der Chancen und Risiken von Transmutation, in welcher es darum geht, langlebigen Atommüll durch Bestrahlung mit Neutronen in Substanzen deutlich kürzerer Halbwertszeit umzuwandeln, verweise ich an dieser Stelle auf einen Deutschlandfunk-Artikel, in welchem das Thema ausführlich und kontrovers diskutiert wird.

Trotz meiner Bedenken harre ich undogmatisch zukünftig möglicherweise noch erzielbarer Fortschritte, und sollte es gelingen, entweder eine clevere Lösung für das Müllproblem zu finden oder interessante Technologien, wie z. B. Thorium-basierte Flüssigsalzreaktoren, weiterzuentwickeln, bin ich gerne dazu bereit, meine Position nochmals zu überdenken.


Kernfusion


Fusionsreaktoren hielte ich für die prinzipiell erfolgversprechendere Technologie (theoretisch wären enorme Energiemengen bei zugleich hoher Umweltverträglichkeit nutzbar), welche die Menschheit in ferner Zukunft gar von interstellarer Raumfahrt würde träumen lassen - so es denn gelingen sollte, sie jemals zur Serienreife zu führen ...

Die meisten derzeitigen Ansätze (z. B. Tokamaks und Stellaratoren) basieren auf der Verschmelzung von Deuterium mit Tritium (welches selbst erst durch den induzierten Zerfall von Lithium gewonnen werden müsste) zu Helium, wobei auch hier die den Produkten gegenüber den Edukten fehlende Masse gemäß der bereits erwähnten Formel E = mc2 in nutzbare Energie umgewandelt werden soll:

Den Vorteilen von Fusionsreaktoren - bei kürzerer Halbwertszeit schwächer strahlende atomare Abfälle, geringeres Risiko einer unkontrollierbaren Kettenreaktion, reiche Vorkommen der nötigen Elemente Deuterium (in ausreichenden Mengen in Wasser enthalten) und Tritium (mit Hilfe von Lithium generierbar) - steht die Schwierigkeit gegenüber, die für ihre erfolgreiche Nutzung nötigen physikalischen Bedingungen bereitzustellen:
Da Deuterium- und Tritiumkerne sich aufgrund ihrer positiven Ladung gegenseitig abstoßen, erforderte die für eine Fusion nötige kinetische Energie im Bereich von 10 bis 20 keV (Kiloelektronenvolt) Temperaturen von 100 bis 250 Millionen Grad Celsius, bei welchen Atome in Form eines Plasmas vorliegen, eines Zustands, in welchem sich Atomkerne und Elektronen voneinander trennen, und der nur mittels starker, das Plasma von den Wänden seiner Kammer fernhaltenden Magnetfeldern aufrechterhalten werden kann (träte es mit anderen Materialien in Kontakt, ginge es aufgrund von Wärmeabgabe in einen anderen Aggregatzustand über). Hierbei kompensiert der nach innen gerichtete 'Magnetfelddruck' den nach außen gerichteten Druck des Plasmas.

Wie hoch stehen nun die Chancen, sich mittels Fusionsreaktoren in mittelfristiger Zukunft tatsächlich nennenswerte Mengen an Energie nutzbar zu machen? Ich weiß es nicht! Als großer Kritiker der Spezies Homo sapiens gestehe ich ihr nichtsdestotrotz ein für ihr Unterfangen äußerst nützliches Eigenschaftenpaket, bestehend aus Neugierde, Erfindungsreichtum, Kreativität und Beharrungsvermögen, zu.
Über die Bedeutung (vermeintlicher?) technologischer Durchbrüche wie denjenigen US-amerikanischer Forscher zu urteilen, welche mittels Fusion der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium eine Energie von 3,15 MJ (Megajoule) freisetzten, während der sie zündende Laserpuls lediglich 2,05 MJ verbrauchte, überlasse ich dem Leser. Mein (nicht maßgebliches) Gefühl signalisiert mir jedoch: Ja, wir werden es schaffen - früher, oder später ... :)


Unsere Sonne, ein funktionierender Fusionsreaktor!


Darüber, womit wir so verzweifelt ringen, können die Sonne und andere Sterne, in denen in jeder einzelnen Sekunde unfassbare Mengen an Wasserstoffatomen zu Helium fusionieren, nur müde lächeln:

Im Rahmen der sogenannten Proton-Proton-Reaktion verschmelzen in einem ersten Schritt zwei Wasserstoffatomkerne zu einem Deuteriumkern:

Da eines der Protonen der H-Atomkerne in ein Neutron umgewandelt wird (also eine positive Ladung verloren gehen würde), entsteht ausgleichend außerdem ein positiv geladenes Positron, und überdies wird ein Elektron-Neutrino emittiert.
Das entstandene Positron annihiliert (gegenseitige Auslöschung beim Aufeinandertreffen von Materie- und Antimaterie-Elementarteilchen) augenblicklich unter Emission von Energie mit einem Elektron:

e+ + e- → 2γ + 1,022 MeV.

Der in Schritt eins gebildete Deuteriumkern vereinigt sich nun mit einem weiteren Proton zu Helium-3:

Den letzten Schritt stellt schließlich die Reaktion zweier Helium-3-Kerne zu einem Helium-4-Kern (4He2+) unter Freisetzung zweier Protonen und Energie dar:

Alle Reaktionen dieser Kette sind exotherm, emittieren also Energie, während der Stern zugleich aufgrund des Massendefekts Masse einbüßt.

Folgendes von Sarang unter public domain veröffentlichte Reaktionsschema möge zusammen mit den von mir rechts eingefügten Anmerkungen der Veranschaulichung des gesamten Prozesses dienen:


Rechenaufgabe: Wie viel Energie produziert die Sonne?


Damit sich der dargebotene Inhalt nicht zu trocken anlässt, habe ich mir fürs Ende noch eine kleine Knobelaufgabe für euch ausgedacht.
Der Einfachheit halber gelte die Vorstellung, Wasserstoffatomkerne würden in der Sonne direkt, ohne Zwischenschritte, zu Helium-4-kernen fusionieren (wobei die generellen Größenordnungen jedoch gewahrt bleiben).

Viel Spaß nun beim Lösen!

Infolge extrem hoher Drücke und Temperaturen verschmelzen (fusionieren) im Inneren von Sternen immerwährend Protonen (also H-Atomkerne) zu Heliumatomkernen. Pro Tag entstehen auf diese Weise in 'unserer' Sonne ca. 7,752·1042 He-Atomkerne.

a)
Wie viele Tonnen Helium (4He) entstehen pro Sekunde in der Sonne?
mA(Heliumkern) = 4,0016 u ; 1 g = 6,022·1023 u ; 1 t = 1000 kg.

b)
Um die in Teil a) berechnete Masse an Helium-Atomkernen zu erhalten, müssen 600·106 t H-Atomkerne fusionieren.

Wie viel Masse [kg] verliert die Sonne folglich pro Sekunde und wie groß wäre die aufgrund des zu beobachtenden Massendefekts frei werdende Strahlungsenergie der Sonne in kJ (Kilojoule) in diesem Zeitraum?
c = 3∙105 km∙s-1 ; 1 J = 1 N∙m ; 1 N = 1 kg∙m∙s-2

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Was glaubst du, welcher Grund vorlag, als mein ehemaliger Mathe/Physiklehrer eines Tages seine eigene Lebenserwartung deutlich nach oben korrigierte?
Einer seiner Schüler (also einer aus der Kategorie »aussichtsloser Fall«) machte von der ihm gebotenen Möglichkeit Gebrauch und wählte exakt die Fächer ab, die dem bemitleidenswerten Beamten so sehr am Herz lagen.
Seit jenem Augenblick konnte er sich auch plötzlich wieder an meinen richtigen Namen erinnern. All die Jahre zuvor klang es nämlich immer so, wenn er mich bat, meine Sicht auf das Zahlenchaos darzulegen: »Einstein, lass uns bitte daran teilhaben, wie deine Lösung aussehen könnte.« (Sarkasmus in Vollendung.)
Meist verzichtete ich auf mein Rederecht, denn ich konnte den Mann nicht mehr leiden sehen.
Soweit zu einer Spaltung ohne kontaminierten Abfall.

»Einstein, lass uns bitte daran teilhaben, wie deine Lösung aussehen könnte.«

So richtig nett und ermutigend klingt das aber nicht wirklich ... Zumal wir alle - sogar dein ehemaliger Physiklehrer - letztlich nur an der Oberfläche des uns größtenteils verborgenen 'Eisbergs des Wissens' kratzen. :)


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Schön formuliert - das Wissen um das Nichtwissen ist wohl eine der wichtigsten Erkenntnisse die ein Mensch haben kann.

In diesem Universum weist alles einen inneren Zusammenhang auf. Die Quantenphysik ist voll von Überraschungen und dem schon ziemlich gut auf der Spur.

Die Liebe wird aber auch sie nie erklären können - allenfalls nur beschreiben.

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Ging mir bei meinem Französisch Lehrer ähnlich. Als sein Musterschüler, der ihn jedoch nicht leiden konnte, wählte ich Französisch nach 2 Jahren wegen seiner unausstehlichen Art ab und war froh ihn losgeworden zu sein.

Zu allem Übel strafte mich aber der liebe Gott darauf hin im Folgejahr mit ihm erneut, indem er ihn mir in Latein vor die Nase setzte.

Das der rachsüchtige Miesepeter mir die Abwahl übel nahm konnte man in jeder seiner Unterrichtsstunden anmerken. Gottlob wurde er nach einem halben Jahr dann abberufen und ich war ihn los...

Bei uns wurden Lehrer auf drei verschiedene Arten abberufen – vorzeitiger Ruhestand, Klapse oder nach Saarbrücken ins Kultusministerium.
Die ersten beiden Varianten waren allerdings die gebräuchlichsten.


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Das kleine Einmaleins des Einstein , der Physiker ist in der Familie aber nicht greifbar z.Z Ich werde sie testen mit dieser Aufgabe 👍❗️
Danke Jackie
VgA

Ich hoffe, es war in Ordnung, deinem 'Familienphysiker' jetzt mittels Posten der Lösung zuvorzukommen?

Danke Jaki das ist super jetzt kann ich auch noch den Wissenden spielen, ich werde ihr natürlich nicht die Lösung zeigen momentan ist mein kleiner Einstein auf der Welt unterwegs aber so 1-2Mal im Jahr sehe ich sie. Wie lange braucht man ungefähr als Geübter zum Lösen dieser Aufgabe?
VgA

Wie lange braucht man ungefähr als Geübter zum Lösen dieser Aufgabe?

Vielleicht knapp 10 Minuten (macht man alles 'Pi mal Daumen', ohne saubere Einheitenumrechnung usw., auch schneller).

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Hallo Freund, dieser Artikel von dir ist sehr informativ. Bist du ein Lehrer? Ich verstehe ein bisschen Deutsch, du hast es sehr gut erklärt. Ich unterrichte hier Naturwissenschaften, weshalb ich die von Ihnen geteilten Informationen nachvollziehen kann. Bravo! Es könnte eine große Hilfe für diejenigen sein, die sich mit diesem Thema nicht auskennen. Ich danke Ihnen für das Teilen. Gott segne.

Bist du ein Lehrer?

Ich bin alles und nichts, ein vergängliches Staubkorn im unermesslichen Universum, dessen winziges Gehirn sich erdreistet, für es nicht zu verstehende Zusammenhänge verstehen zu wollen. :-)

Aber glaub es oder nicht, genau in DEINEM schönen Land, den Philippinen, plane ich mich als 'Frührentner' niederzulassen, um dort den Rest meiner unbedeutenden Tage zu verbringen und genießen.

(In meinem früheren Leben bezeichneten andere mich offiziell als "Biologen" - ich selbst sehe mich einfach als sich für viele verschiedene Dinge interessierenden und keinen Wert auf von anderen verliehene Titel legenden Menschen.)

Schön, dass wir ein gemeinsames Interesse (Naturwissenschaften) haben!

Oh, sag das nicht! Du bist, was du bist, so wie Gott es für dich geplant hat und was du sein wolltest.

Es ist schön, hier auf den Philippinen zu bleiben, aber das Wetter ist nicht so wie dort. Sie könnten sich beschweren. Aber sind Sie hierher gegangen?

Biologe? Hört sich gut an. Nun, Sie sind nicht besonders wählerisch darin, wie die Leute Sie ansehen, weil Sie sehr gut wissen, wer Sie sind. Die Meinung anderer spielt sowieso keine Rolle.

Ich studiere Mathematik im Hauptfach, aber der Schulleiter bittet mich, Naturwissenschaften zu unterrichten, weshalb mir das, was Sie veröffentlicht haben, sehr vertraut ist. Grüße und Gottes Segen.

Aber sind Sie hierher gegangen?

Noch nicht, vielleicht im Frühling (März oder April) wird es soweit sein ... und in Tagaytay ist's nicht zu heiß ...

Es wird nächstes Jahr sein. Hört sich gut an. Es erinnert mich auch an meinen Besuch dort in Deutschland im Jahr 2017. Es war im Frühling. Ja, Tagaytay ist einer der kalten Orte hier und auch Baguio.

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Das ist wirklich ein interessanter Post von dir. Dein Rätsel ist für mich allerdings nicht lösbar.

Aber ich hätte eine Gegenfrage. Was ist die teuerste Substanz auf der Erde und wieviel kostet ein gramm davon?

Mein erster spontaner Gedanke war natürlich ... der Bitcoin, haha (aber das liegt wohl nur daran, dass sich mein Leben irgendwie zu sehr um ihn dreht). :-)

Nein, logisch klingt etwas, was auf der Erde ohne spezielle Vorkehrungen gar nicht existieren kann. Wie wäre es mit aus Antimaterie bestehenden Diamanten? Preis: unbezahlbar.

Am wertvollsten, wirklich ebenfalls unbezahlbar, sind jedoch gute Ideen, Gedanken, unser Wissen ... und natürlich die Liebe. :)

Stimmt du hast recht laut einem Artikel von ingenieur.de ist die teuerste Substanz Antimaterie 1g soll 81.954.400.000.000 Euro kosten ;-)

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Ich bin heute zu faul zum rechnen - traue mir aber die Lösung ohne weiteres ohne Zuhilfenahme einer AI Verblödungsmaschine zu.

Diesmal lasse ich aber anderen den Vortritt, wobei ich inzwischen Zweifel habe, dass angesichts des sinkenden Niveaus hier sich noch geeignete Kandidaten finden, welche die Lösung präsentieren können.

... Zweifel ... sinkenden Niveaus ...

Ja ... aber ich lasse mich gerne positiv überraschen, und letztlich soll die Aufgabe ja nur ein klein wenig zum Nachdenken anregen und Spaß machen ...

P. S.: Je nach Rückmeldung könnte ich auch gerne öfter mal eine kleine naturwissenschaftliche Aufgabe posten, aber ich bin mir ehrlich gesagt nicht sicher, wie viele Hiver ich damit ansprechen würde ... also wohldosiert, von Zeit zu Zeit vielleicht ...


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Meine Kommentare besser nicht voten, da die Hive Asis mich downvoten, so wie ich die Vollkonks downvote.

Die halten sich immer für besonders klug mit ihren downvotes und ihrer Zerstörungsagenda.

Beste Grüße.

Ersatzweise lasse ich Dir mal ein !BEER da.

Sieh die Upvotes einfach als symbolische Unterstützung.
Meine Kommentare werden übrigens auch immer am sechsten oder siebten Tag nach dem Erscheinen von dem 'lieben' @digital-fortress gedownvotet ...

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Danke schön.

Der genannte Account kommt jetzt auch auf die Blacklist von @ghs06

Den ghs06 Account haben die platt gevotet trotzt Decline Payout Funktion .

Auch das war mir neu.

Spielt aber wh keine Rolle.

Der ghs06 Account wird diese ganzen Vollhonks regelmäßig downvoten.

Irgendwann hat er hoffentlich so viel HP dass die Nieten jeden Downvote bereuen...

Diese Exekutivdiktatur, die sich hier zu etablieren versucht geht mir gewaltig auf den. Sack und schadet dem Hive nachhaltig.


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