Aufgabe 3: Kerntechnische Entsorgung · Abitur NRW Physik LK · Nachtermin 2022

Aufgabe: Kerntechnische Entsorgung

Nach dem Reaktorunglück von Fukushima im Jahr 2011 gilt in der deutschen Energiepolitik als zentrales Prinzip, die Kernenergie zugunsten des Ausbaus erneuerbarer Energien zu beenden. Im Zuge dieser „Energiewende“ beschloss man, bis 2022 schrittweise aus der Kernenergie auszusteigen.

Bis dahin deckten Kernkraftwerke einen beträchtlichen Anteil der Energieversorgung ab.

Teilaufgabe 1: Grundlagen der kerntechnischen Energiegewinnung

a)

Wichtiger Energieträger der kerntechnischen Energiegewinnung ist Uran. Sein Isotop Uran-235 ist instabil.

Hinweis: Wenn die Nuklidkarte für ein Isotop mehr als einen Zerfallsweg erkennen lässt, wählen Sie jeweils den wahrscheinlichsten Weg.

Die Zerfallsreihe von Uran-235 enthält nicht nur $\alpha$-, sondern auch $\beta$-Zerfälle.

b)

In Kernkraftwerken werden Neutronen auf schwere Atome geschossen (beispielsweise Uranatome), sodass diese instabil werden und in mehrere Teile zerbrechen. Dabei kann die Spaltung etwa eines Kerns Uran-235 sehr verschiedene „Spaltprodukte“ ergeben, z. B. die mittelschweren Kerne Caesium und Rubidium oder die ebenfalls mittelschweren Kerne Barium und Krypton.

c)

Die bei solchen Spaltprozessen freigesetzte Energie kann bestimmt werden, indem zunächst die Massendifferenz der betreffenden Isotope berechnet wird.

Berechnen Sie die bei dem folgenden Kernspaltungsprozess umgewandelte Energie in der Einheit „Elektronenvolt“, unter Vernachlässigung der kinetischen Energien der Ausgangsisotope: $$\mathrm{^{235}_{92}U + {^1_0n} \rightarrow {^{139}_{56}Ba} + {^{95}_{36}Kr} + 2\,{^1_0n}}$$ Hinweis: Die Kernmassen lassen sich der nachfolgenden Übersicht entnehmen:

Uran: $m_{\text{Uran}} = 235{,}04393013\,\text{u}$, Barium: $m_{\text{Barium}} = 138{,}90884110\,\text{u}$, Krypton: $m_{\text{Krypton}} = 94{,}93971092\,\text{u}$, Neutron: $m_{\text{Neutron}} = 1{,}00866492\,\text{u}$. Dabei ist $1\,\text{u} = 1{,}66053907\cdot 10^{-27}\,\text{kg}$.

Teilaufgabe 2: Strahlung des radioaktiven Abfalls

„Die Sünden liegen Jahrzehnte zurück, doch sie strahlen weit in die Zukunft. Und das im wörtlichen Sinn: Acht europäische Staaten hatten zwischen 1949 und 1982 atomaren Abfall einfach dem Meer überlassen, insgesamt versenkten sie 222.732 mit Beton oder Asphalt verstärkte Metallfässer an 14 Stellen westlich der europäischen Küste sowie in einem ‚Hurd Deep‘ genannten Gebiet im Ärmelkanal.“ (Tageszeitung „Die Welt“, 23. April 2013)

In der Nähe radioaktiven Abfalls lassen sich in der Regel hohe Strahlungsintensitäten feststellen, die erst nach Durchdringen von Wasserschichten großer „Dicke“ ungefährliche Größenordnungen annehmen.

a)

Ein Maß für radioaktive Strahlung ist die Strahlungsintensität. Die Strahlungsintensität $I$ einer Probe nach Durchdringen einer Wasserschicht der Dicke $d$ kann durch die folgende Formel beschrieben werden: $$I(d) = I_0\cdot \left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{d}{d_{1/2}}}$$ $I_0$ ist die Intensität in unmittelbarer Umgebung der Probe und $d_{1/2}$ die „Halbwertsdicke“.

b)

In einem Experiment konnten die folgenden Messwerte der Strahlungsintensität $I$ nach Durchdringen einer Wasserschicht der Dicke $d$ aufgenommen werden. (Dabei bezeichnet „sk“ eine willkürlich gewählte Skaleneinheit.)

$d$ in cm · 0 · 10 · 20 · 30 · 40 · 50 · 60

$I(d)$ in sk · 5 · 3,7 · 2,7 · 1,8 · 1,4 · 0,9 · 0,8

c)

Teilaufgabe 3: Lagerung des radioaktiven Abfalls

Radioaktiver Abfall ist ein unvermeidliches Nebenprodukt aller deutschen Kernkraftwerke, nicht nur in Form von abgebrannten Brennelementen, sondern auch in Form vielfältiger Reaktorbetriebsabfälle.

Einfache Indikatoren für die Gefährlichkeit und die Langlebigkeit eines radioaktiven Stoffes sind seine anfängliche Aktivität sowie seine Halbwertszeit. Für eine gegebene Anfangsmenge radioaktiver Atomkerne gilt: Je kleiner die Halbwertszeit ist, desto größer ist die anfängliche Aktivität.

a)

Erst wenn die Aktivität des radioaktiven Abfalls in etwa das Niveau der natürlichen Radioaktivität erreicht hat, sind hinsichtlich des Strahlenschutzes keine besonderen Maßnahmen mehr vonnöten.

Eine Probe des Isotops Uran-235 besitzt die Aktivität $A = 80\cdot 10^6\,\text{Bq}$. (Die Halbwertszeit von Uran-235 beträgt $T_{1/2} = 7{,}038\cdot 10^8\,\text{a}$.)

b)

Dort, wo radioaktive Abfälle gelagert werden, sind strenge Verhaltensregeln zu beachten. Diese Regeln werden häufig in Form von „Geboten“ zusammengefasst. Drei dieser Gebote lauten:

(1) Aktivität begrenzen

(2) Abstand halten

(3) Aufnahme (etwa mit der Nahrung) vermeiden

Das Fachgebiet der „Atomsemiotik“ beschäftigt sich mit der Frage, welche Zeichen bzw. Symbole geeignet sind, um im Rahmen der Nutzung der Kernenergie ohne Verwendung der Schriftsprache zu kommunizieren.