Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle an der TU Clausthal

Karteikarten und Zusammenfassungen für Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle an der TU Clausthal

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Periodensystem

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Varianten der Radioaktivität

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Weitere Varianten der Radioaktivität bzw. ionisierender Strahlung

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Natürliche Radionuklide

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Radionuklide: Anwendungen

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radiologische Schäden - Ausmaß der biologischen Strahlenwirkung

Einflussfaktoren

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Strahlenexpositionen

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Strahlenschutz (nach Michel 2015)

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Bildung von Plutonium

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Unterscheidung von Reaktortypen

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Herkunft radioaktiver Abfälle

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Radioaktivität

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Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle

Periodensystem

  • Perioden (waagerecht): besetze Elektronen-Schalen
  • Gruppen (senkrecht)
    • Hauptgruppe: Anzahl Außenelektronen
    • Nebengruppe: entstehen durch unters. Besetzung weiter innen liegender Schalen


  • veranschaulicht chem. Eigenschaften
  • Hilfsmittel zur Betrachtung kernphysikalischer Sachverhalte: Nuklidkarte

Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle

Varianten der Radioaktivität

a-Zerfall  = 4He-Kern

  • Nuklidkarte: gelb; 2 Schritte links 2 Schritte unten
  • Eigenschaften:
    • gut abschirmbar
    • stark ionisierende Wirkung
    • Schädigung: Inhalation, Ingestion


b-Zerfall  = Umwandlung Neutron zu Proton, Abgabe eines Elektron 

  • Nuklidkarte: 
    • b-: blau; 1 Schritt links, 1 Schritt oben
    • b+/e: magenta; 1 Schritt rechts, 1 Schritt unten
  • Eigenschaften: 
    • relativ gut abschirmbar (Plexiglas, Luft)
    • Schädigung: Inhalation, Ingestion


g-Zerfall  =Energieabgabe über hochfrequentierte elektromagnetische Strahlung 

  • Nuklidkarte: weiß; Position bleibt
  • Eigenschaften: 
    • Abschirmung mit hohem Aufwand (Beton...)
    • Schädigung: direkte Bestrahlung

Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle

Weitere Varianten der Radioaktivität bzw. ionisierender Strahlung

  • Protonenzerfall
  • Elektroneneinfang
  • Spontanspaltung
  • Clusteremission
  • Neutronenemission

Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle

Natürliche Radionuklide

  • Primordiale Nuklide: bei Erdentstehung vorhanden; noch nicht zerfallen
  • Radiogen: deren Zerfallsprodukt


  • Kosmogen: kontinuierliche Bildung durch die Wechselwirkung der Höhenstrahlung mit der Atmosphäre (zB 14C, 3H)

Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle

Radionuklide: Anwendungen

  • Kernenergie(Reaktoren)
  • Radionuklidbatterien (Zerfallsenergie)
  • Kernwaffen
  • Altersbestimmungen (z. B. Radiokarbonmethode)
  • Dickenmessung und Materialprüfung mittels Durchstrahlung
  • Leitisotope in der Chemie und Medizin zur Bestimmung zeitlicher oder örtlicher Veränderungen
  • Elementanalyse (Gammaspektroskopie)
  • Präzisionsmessungen in der chemischen Analytik
  • Nuklearmedizin (Diagnostik und Therapie)

Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle

radiologische Schäden - Ausmaß der biologischen Strahlenwirkung

Einflussfaktoren

Einflussfaktoren: 

  • Art der Strahlung
  • Strahlungsintensität
  • Dauer der Einwirkung
  • Strahlenempfindlichkeit der bestrahlten Gewebe/Organe

Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle

Strahlenexpositionen

  • 7.000 mSv: Tödliche Dosis bei kurzzeitiger Ganzkörperbestrahlung
  • 250 mSv: Dosisgrenzwert für Feuerwehr ect. (1x im Leben)
  • 20 mSv/a: Grenzwert für beruflich strahlenexponierte Personen
  • 0,3 mSv/a: Dosis durch kosmische Strahlung
  • 0,02 mSv/a: Genuss einer Zigarette täglich

Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle

Strahlenschutz (nach Michel 2015)

--> Schutz vor schädlichen Einflüssen von Radioaktivität und Strahlung


Prinzipien:

  • Rechtfertigung: Handlungen bewirken mehr Nutzen als Schaden und die Chancen überwiegen die Risiken 
  • Optimierung: Strahlenexposition so gering wie möglich halten (ALARA-Prinzip)
  • Begrenzung: von Strahlenexpositionen, um Risiko zu minimieren

[ALARA: „As Low As Reasonably Achievable“]

Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle

Bildung von Plutonium

  • Ausgangselement: Uran-238


  • Aufnahme weiterer Neutronen: Pu-239
    • weitere Plutonium-Isotope: Pu-240, Pu-241, Pu-242, Pu-243


  • Bei üblicher Einsatzdauer der Brennelemente: ca.10 g Plutonium pro 1 kg Uran

Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle

Unterscheidung von Reaktortypen

Neutronenenergie

  • thermische Reaktoren
  • schnelle Reaktoren


Brennstoff 

  • Natururan, angereichertes Uran (d.h. erhöhter Anteil an U-235), Plutonium (entsteht bei Spaltung), Thorium, U-233 (entsteht bei Spaltung), Mischungen
  • “reines” Metall, Legierung, Keramik, Sinterkörper/ Karbid, Uranylnitrat in Wasserlösung, Salzschmelze
  • mit/ohne Umhüllung (cladding): Zirkonium, Aluminium, Magnesium, Magnesiumoxid(Magnox), Beryllium, Niob, Edelstahl
  • Stäbe, Platten, Rohre, Kugeln


  • homogener Reaktor: Brennstoff und Moderator gemischt 
  • heterogener Reaktor: räumlich getrennt 


Moderator

  • Graphit 
  • leichtes/schweres Wasser


Kühlung 

  • “leichtes” (gewöhnliches) Wasser, schweres Wasser, Luft, Kohlendioxid, Helium, Natrium, Kalium, organische Kühlmittel
  • Einkreissystem, Mehrkreissystem (Wärmetauscher)
  • Siedewasser (SWR, engl. BWR), Druckwasser(DWR, engl. PWR)

-> Leichtwasserreaktoren (BWR oder PWR) sind heute dominierender Reaktor 

Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle

Herkunft radioaktiver Abfälle

  • Kernkraftwerken (auch: U-Boote, Eisbrecher...)
    • Ausgediente Brennelemente
    • Betriebsabfälle
    • Stilllegungsabfälle
  • Forschungseinrichtungen
  • Nuklearmedizin: Spritzen, Handschuhe, Zellstoff, Kanülen, Behälter
  • Gewerbe- und Industriebetriebe
  • Kernwaffenproduktion / Entsorgung

Einführung in die Entsorgung radioaktiver Abfälle

Radioaktivität

  • "instabil": Atomkerne verändern sich spontan


  • Bei der Umwandlung wird Strahlung und damit Energie frei (unterschiedlich je nach Art der Kernumwandlung)
  • "radioaktiv" = "strahlend" 

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