LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Radioaktivität Emission energiereicher Strahlung aus Kernumwandlungsprozessen α-Strahlung: Helium-4-Kerne β-Strahlung: Elektronen (Positronen) γγ-Strahlung: g EM Strahlung g Protonen- u. Neutronenemission C-Radioaktivität H. Podlech 1 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Ionen, α-Teilchen, Neutronen wechelwirken elektromagnetisch g oder stark mit Materie Elektronen, Positronen, γ-Quanten welchselwirken elektromagnetisch g mit Materie Neutronen: elastische und inelastische Stossreaktionen Einfangsreaktionen bei kleinen Energien H. Podlech 2 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wechselwirkung von Strahlung mit Materie α-Teilchen, Ionen: Ionisierung g der Materie Æ Bethe-Bloch-Formel Elektronen, Positronen: Elektronen Ionisierung der Materie ÆBethe-Bloch-Formel Bremsstrahlung γ-Quanten: Ionisierung der Materie Paarbildung Compton-Streuung H. Podlech 3 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Bethe-Bloch-Formel Energieverlust abhängig von der zu Verfügung stehenden Zeit und der Lorentzkontraktion des elektrischen Feldes H. Podlech 4 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Quantifizierung des Energieverlustes bei ionisierender Strahlung 1 rad (radiation absorbed dose) = 1J/100 kg 1 Gray (Gy) = 1 J/kg 1 R (Röntgen) = 0.87 rad 1 R X-rays erzeugen 2x109 Ionenpaare/cm3 H. Podlech 5 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Wichtig ist aber nicht nur die deponierte Energie, sondern auch der spezifische Energieverlust und damit die biologische Wirksamkeit ! H. Podlech 6 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Definition der Äquivalentdosis Æ Sievert 1 Sv = 1 Gy x QF Definition der Dosisleistung Æ Sv/h H. Podlech 7 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wirkung ionisierender Strahlung auf den Körper Verbrennungen der Haut (β,γ) Radiolyse y von Wasser Æ Peroxide Chromosomenbrüche Zellreparatur Zelltod Somatische Schäden (Spätschäden) Zusätzlich muss noch unterschieden werden: Externe und interne Strahlung H. Podlech 8 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wirkung ionisierender Strahlung auf den Körper • 0.25 -0.5 Sv: Reversible Blutbildveränderungen g • 1 Sv: Übelkeit, Haarausfall • 4-5 Sv: lethale Dosis (LD) 50% • 7 Sv: LD100 innerhalb 30 Tagen • 50 Sv: LD100 innerhalb 5 Tagen, Zusammenbruch der inneren Organe • 100 Sv: LD100 innerhalb von Minuten, molekularer Tod H. Podlech 9 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wirkung ionisierender Strahlung auf den Körper Problematisch ist die Extrapolation zu kleinen Dosen z.Z. eine lineare Dosis-Risiko-Beziehung Vermutlich falsch 5 Sv bei 10000 Personen führt zu 5000 Todesfällen 5 mSv führt zu weniger als 5 Todesfällen H. Podlech 10 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Natürliche Strahlenbelastung • Kosmische Strahlung (Myonen): 300 μSv/a • 14C in der Atmosphäre: 12 μSv/a • 40K, 238U, 232Th in 1 m Höhe: 600 μSv/a • 40K in Nahrung: 200 μSv/a • Radon in der Atemluft: 1000 μSv/a Mittelwert (BRD): 3-4 mSv H. Podlech 11 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Natürliche Strahlenbelastung • Raucher inhalieren 1000 μ μSv/a durch 210Pb/Po • Transatlantikflug: 30 μSv • Radon: Bremen (950 μSv/a), Franken 2070 μSv/a Ramsar/Iran (200 mSv/a!!) H. Podlech 12 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Terrestrische Belastung H. Podlech 13 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Strahlenbelastung D Bundesamt für Strahlenschutz bfs.de H. Podlech 14 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Höhenstrahlung H. Podlech 15 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Strahlenbelastung Nahrung (Bq/kg) H. Podlech 16 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Anthropogene Strahlenbelastung • • • • • H. Podlech Kernwaffenversuche Kernkraftwerke Kohlekraftwerke Reaktorunfälle Medizin 17 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Anthropogene Strahlenbelastung H. Podlech 18 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Luftaktivität D (BFS), Station Schauinsland H. Podlech 19 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt L ft kti ität J-131 Luftaktivität J 131 H. Podlech 20 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Kernbrennstoffe: Vorkommen und Abbau Natururan 99.3% 238U 0.7% 235U Uran: 2.7 g/t in Erdkruste ab 300g/t abbauwürdig H. Podlech 21 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Uranverbrauch Für weltweit 435 KKWs mit P=354 GWel werden benötigt: 64000 t Natururan pro Jahr Für 9 KKWs mit P=11 GWel werden in D benötigt 2000 t Natururan pro Jahr Gewinnungskosten bis 80 $/kg (=0.2 ct/kWh): 50-400 Jahre Gewinnungskosten bis 800 $/kg (=2ct/kWh): ( 2ct/kWh): mehrere 1000 Jahre W lt Weltmarktpreis kt i für fü Natururan: N t 80 $/kg H. Podlech 22 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Uranvorkommen (sicher) H. Podlech 23 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Uranaufbereitung und -Anreicherung • Vermahlung des Uranerzes • Zugabe von Säuren und Oxidationsmittel (MnO2, Na2ClO4) Æ Umwandlung der 4-wertigen in die 6-wertige Form (Lösbarkeit) • Weitere Schritte führen zum Yellow Cake, der bis zu 90% U3O8 enthält H. Podlech 24 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Urananreicherung Natururan wird i.A. von 0.7% auf 3% 235U angereichert Æ Notwendig für Leichtwasserreaktoren Æ Höherer Querschnitt für Neutroneneinfang bei Leichtwasser Æ Ausnahme: Kanadische CANDU-Reaktoren mit Schwerwasser Schwierig: Trennung großer Mengen von chemisch praktisch identischen Isotopen Æ Physikalische Methoden (Massendifferenz) • Gasdiffusion G ff • Gaszentrifugen • Trenndüsenverfahren • LASER H. Podlech 25 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Urananreicherung: Gasdiffusion Prinzip: Verschieden schwere Isotope p wandern verschieden schnell durch eine Membran Umwandlung g des U3O8 in g gasförmiges g UF6 Trennfaktor Æ min. 1000 Trennstufen H. Podlech 26 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Urananreicherung: Gasdiffusion Sehr hoher Energiebedarf von 10000 kWh/kg Uran(3%) Æ 4-5% 4 5% d der späteren ät E Energiegewinnung i i Æ EURODIF-Anlage in Frankreich: 4x915 MWel Æ Kosten ca. 700 $/kg Uran(3%) H. Podlech 27 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt EURODIF Tricastin H. Podlech 28 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Urananreicherung: Gaszentrifuge Evakuierter Zylinder mit Rotor Zentrifugalkräfte treiben 238UF6 nach außen T = 6K f=1200 Hz r=10 10 cm Æ 10 Trennstufen H. Podlech 29 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Urananreicherung: Gaszentrifuge Energiebedarf 600 kWh/kg Uran(3%) Kosten ca. 450 $/kg Uran(3%) Einsatz an Energie g ca. 0.3% H. Podlech 30 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Urananreicherung: Trenndüsen Zentrifugalkräfte treiben 238U nach außen 200 T Trennstufen t f Erprobungsphase Kosten ca. ca 700$/kg Uran(3%) 6000 kWh/kg Uran(3%) Einsatz an Energie ca 3% H. Podlech 31 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Urananreicherung: Laser Isotopenabhängige Elektronenanregung Selektive Ionsation mittels Hochauflösender Laser Trennung mit E-Feldern Erprobungsphase p g p Kosten ca 350 $/kg Uran (3%) Energie 700 kWh/kg Uran (3%) H. Podlech 32 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Brennelemente • Uranoxid wird gepresst und zu einer Keramik gesintert • Pellets werden in dünnen ZirkonalloyRohren (Brennstäbe) eingeführt ( (gasdicht, di ht kl kleiner i n-Querschnitt) Q h itt) • Länge ca. 4-5 m, ca 300 Stäbe bilden ein Brennelement mit 550 kg Uran • Reaktor enthält ca 200 Brennelemente • Abbrandzeit ca 4 a, Nachladung ca 30 t pro Jahr H. Podlech 33 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Brennelemente Kosten pro kg Brennelement • 5.5 kg Natururan: 400 $ • Anreicherung: 450-700 $ • Fertigung: 700 $ Gesamt: 1500-1700 $ Entspricht ca 900 tSKE oder 7.7 Milionen kWh oder 70000 € Kohle Weltmarktpreis p H. Podlech 34 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Kernenergie: Freisetzung in Atombomben Vollständige Spaltung von z.B. U-235 in einer Kettenreaktion Neutronenverluste Æ kritische Masse Uran-235 Æ M=15 kg, R=6 cm Plutonium-239 Æ M=4.4 kg, R=4 cm Californium-252 Æ M=0.005 kg, R<0.5 mm Konventioneller Sprengsatz erhöht Dichte und fügt unterkritische Massen zusammen. Explosion E l i iinnerhalb h lb einer i μs Sprengkraft 3kT TNT pro 1 kg U-235 H. Podlech 35 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Grundlagen der Kernspaltung Hier: Neutroneninduzierte Spaltung Spaltung ist dann möglich, wenn: Kinetische n n-Energie Energie + zusätzliche Bindungsenergie EB größer ist als die Spaltungsenergie Ef H. Podlech 36 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Massenverteilung bei Uranspaltung mit th. Neutronen Ursache der Höckerstruktur: Schalenffekte Diese verschwinden bei höherer Projektilenergie H. Podlech 37 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Grundlagen der Kernspaltung Reaktion Ef EB ΔE=Ef - EB 235U + n Æ 236U 5.8 MeV 6.4 MeV -0.6 MeV 238U + n Æ 239U 6.3 MeV 4.8 MeV +1.5 MeV 4.8 MeV 6.4 MeV -1.6 MeV 239Pu + n Æ 240Pu 238U Æ Neutronenenergie g > 1.5 MeV ((schnell)) 235U,,239Pu Æ Neutronenenergie g ≈ 0 MeV (langsam, thermisch) H. Podlech 38 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wirkungsquerschnitte: n-induzierte Spaltung H. Podlech 39 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Neutronenspektrum Spaltung von 235U mit thermischen Neutronen Zu wenige Neutronen haben hinreichend Energie, um 238U zu spalten H. Podlech 40
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