Thermische Analyse von Nuklearmaterialien

Ernest Rutherford war derjenige, der 1911 ein Atommodell postulierte, das das Verhalten der Materie, das die Wissenschaftler bis dahin beobachtet hatten, erklären konnte. Es war klar, dass es eine Art elementaren “Baukasten” gab, der aus verschiedenen Arten kleinster Teilchen, so genannten Atomen, bestand, die in der Lage waren, miteinander zu interagieren, um größere Agglomerationen, so genannte Moleküle, zu bilden. Er entwickelte ein Modell, das Atome als kugelförmige Teilchen beschreibt, die aus positiv geladenen Protonen, neutralen Neutronen und negativ geladenen Elektronen bestehen. Die Protonen und Neutronen waren auch für die Masse des Atoms verantwortlich, da Elektronen fast keine Masse hatten. Die Masse der Protonen und Neutronen befand sich im Atomkern, der sehr klein war, und die Elektronen befanden sich in einer Hülle mit einem sehr großen Durchmesser (siehe Abb. 4).

Heute wissen wir, dass diese elementare Beschreibung der Atome im Allgemeinen richtig ist, abgesehen von der Tatsache, dass die Bahnen der Elektronen viel komplexer sind als von Rutherford angenommen. Das Rutherford-Modell wird immer noch in der Schule verwendet, um den grundlegenden Aufbau von Atomen und ihre Natur zu erklären. Aber Rutherford hat nicht nur das Atommodell postuliert, sondern konnte, wie erwähnt, auch die Radioaktivität erklären, Curie und Becquerel entdeckt hatte. Als die Radioaktivität entdeckt wurde, hielt man die Atome für die kleinsten existierenden Teilchen. Es war nicht klar, dass sie in der Lage waren, in kleinere Atome zu zerfallen, indem sie Strahlung, Energie und Teilchen aussandten. Die Tatsache, dass sie Teilchen und Strahlung aussenden, erschien jedoch logisch, wenn man sie als so strukturiert ansah, wie es Rutherford postuliert hatte (siehe Abb. 5). Die drei bekannten Strahlungsarten wurden fortan als Alphastrahlung (Teilchen werden ausgesandt), Betastrahlung (Elektronen werden ausgesandt) und Gammastrahlung (elektromagnetische Energie wird ausgesandt) klassifiziert. Später wurde die Teilchenstrahlung in Alphastrahlung (Alphateilchen/He-Kerne) und Neutronenemission unterteilt, während die Gammastrahlung je nach Wellenlänge in Röntgen- und Y-Strahlen unterteilt wurde. Wir wissen inzwischen, dass radioaktive Strahlung durch Kernspaltung entsteht, entweder durch statistische Spaltung radioaktiver Stoffe oder durch Kettenreaktion oder Fusionsreaktion.

Atome mit hoher Atommasse (schwerer als Blei und Wismut) sind nicht stabil, und ihre Kerne zerfallen in kleinere Atome, indem sie Strahlung aussenden. Diese Elemente, die eine statistische Spaltung durchlaufen, werden als radioaktive Elemente bezeichnet. Welche Art von Strahlung sie aussenden, hängt von ihrer Atommasse und der Art ihrer Kernstruktur ab. Die verschiedenen Arten von Strahlung sind in Abb. 6 dargestellt. Wie man sieht, können die verschiedenen Strahlungsarten in die Materie eindringen, was es schwierig macht, sie zu kontrollieren, sobald die Strahlung freigesetzt wurde. Und je nach Art der Strahlung kann sie nichtradioaktive Atome in radioaktive Materie umwandeln. Wenn Materie radioaktiver Strahlung ausgesetzt wird, kann sie ihre Struktur verändern und selbst radioaktiv werden. Auf Lebewesen oder Menschen kann sie einen verheerenden Einfluss haben, da Radioaktivität biologisch nicht wahrgenommen werden kann, aber sehr gefährlich ist, da sie Zellen mutieren oder sogar organische Materie verbrennen kann.

Industrielle Nutzung der Radioaktivität

Da die Radioaktivität seit Anfang des 20. Jahrhunderts bekannt war und viele Wissenschaftler an diesem interessanten neuen Gebiet arbeiteten, dauerte es bis 1938, als Otto Hahn und seine Mitarbeiter schließlich die Kernspaltung und die Möglichkeit der kontrollierten Kernspaltung entdeckten. In den folgenden Jahren fand der Zweite Weltkrieg statt, was dazu führte, dass eine der ersten Anwendungen dieser Entdeckung militärischer Natur war. Doch seit den 1950er Jahren ist die Kernenergie die wichtigste Energiequelle der Welt. Mit ihrem Vorteil einer sauberen und billigen Energieversorgung wurden Kernreaktoren in den letzten 50 Jahren weltweit kontinuierlich verbessert. Inzwischen befinden sich Reaktoren der 4. Generation wie Hochtemperaturreaktoren (VHTR) oder natriumgekühlte schnelle Reaktoren (MSR) in der Entwicklung und werden die Zukunft der Kernenergie darstellen. Der allgemeine Aufbau eines Kernreaktors ist in Abb. 7 dargestellt: Eine Anordnung von so genannten Kernbrennstäben wird in einer Kammer (in den meisten Fällen in einem Wasserbad) platziert, wobei Wärme entsteht. Das erhitzte Wasser wird in einen zweiten Wasserkreislauf geleitet, der eine Dampfturbine antreibt und durch einen Kondensator zurückgeführt wird. Der Kondensator ist mit dem Umgebungswasser verbunden, das zur Kühlung verwendet wird. Dieses Kühlwasser ist als weißer Dampf zu sehen, der aus den großen Kühltürmen austritt, die für Kernkraftwerke typisch sind.

Nuklearer Brennstoff

Die technische Nutzung der Radioaktivität beruht hauptsächlich auf der nuklearen Kettenreaktion, einem Konzept, bei dem die Spaltung eines radioaktiven Kerns mehrere Spaltvorgänge in benachbarten Atomen durch die Aussendung von Neutronen auslöst. (siehe Abb. 8) Normalerweise werden Uran und seine Salze als Neutronenquelle verwendet. Die natürlichen Uranarten bestehen jedoch zu 98 % aus U238, das bei der Spaltung kaum Neutronen aussendet. Daher muss zunächst das Uran U235 akkumuliert werden. Bei diesem Verfahren werden die 1 % U235 des natürlichen Urans in einem komplexen Prozess durch Gaszentrifugation abgetrennt. Das Ergebnis ist Uran mit einem viel höheren Gehalt an U235, das genügend Neutronen aussendet, um eine Kettenreaktion oder einen sich selbst erhaltenden laufenden Spaltprozess zu starten. Für Kernreaktoren ist ein U235-Gehalt von mindestens 20 % erforderlich, während der Gehalt in der Waffentechnik deutlich höher sein muss. In einem Kernkraftwerk werden sogenannte Brennstäbe aus angereichertem Uran hergestellt (siehe Abb. 9). Diese Stäbe sind in Array-Strukturen angeordnet, die passive Steuerstäbe und aktive Reaktionsstäbe enthalten. Die passiven Steuerstäbe bestehen aus inaktivem Material, das die Kettenreaktion stoppt, indem es Neutronen “auffängt”, während die aktiven Stäbe Neutronen aussenden und die Kettenreaktionskaskade in Gang setzen. Bei ordnungsgemäßer Steuerung befindet sich die Reaktion in einem stabilen Zustand und ist selbsterhaltend, wobei sie ständig Wärme abgibt, die Dampf für die Turbine erzeugt. Außerdem kann in den meisten Reaktoren ein mechanisches Robotersystem verbrauchte aktive Brennstäbe austauschen und durch neue ersetzen. Auf diese Weise kann der Reaktor permanent laufen und bei Bedarf Energie erzeugen, unabhängig von fossilen Brennstoffen, Wind oder Sonnenlicht.

Nachteile der Kernenergie

Nach ihrer Verwendung werden die Kernbrennstäbe in der Regel einem Recyclingprozess unterzogen, bei dem die noch verwendbaren U235-Arten abgetrennt und für neue Brennstäbe verwendet werden. Alle anderen Elemente, die bei der Kettenreaktion entstehen (wie Pu, Po usw.), werden ebenfalls abgetrennt und für andere Zwecke verwendet, etwa für klinische Anwendungen oder andere industrielle Prozesse. Für einige dieser Isotope ist eine nukleare Kettenreaktion die einzige Quelle, die sie überhaupt erzeugen kann. Ein großer Teil des Materials ist jedoch einfach nur radioaktive tote Materie, für die es keine andere Verwendung gibt als die Lagerung als Atommüll. Diese Abfälle geben viel Strahlung ab und sind sehr gefährlich und giftig für die Umwelt. Deshalb müssen sie irgendwo gelagert werden, wo sie nicht zugänglich sind und weder das Grundwasser noch natürliche Ressourcen oder das Leben beeinflussen. Ein geeigneter Ort für diesen Zweck ist natürlich schwer zu finden, aber dennoch ist dies die einzige Möglichkeit, den Atommüll loszuwerden, da es keine Möglichkeit gibt, die Radioaktivität zu neutralisieren, wenn das Material erst einmal vorhanden ist. Außerdem müssen die Kernreaktoren selbst in einem sehr langwierigen und komplizierten Prozess demontiert werden, sobald der Reaktor stillgelegt wird, was hohe Kosten verursacht und noch mehr Atommüll erzeugt. Neben der Abfallthematik besteht natürlich auch die Gefahr von Unfällen und der unerwünschten Freisetzung von Kernmaterial in die Umwelt. Dieser so genannte größtmögliche Unfall hat sich in der Vergangenheit bereits einige Male ereignet und hatte 1986 in Tschernobyl und 2011 in Fukushima verheerende Auswirkungen auf das Leben auf der Erde.

Forschung

Die nukleare Energieversorgung und die industrielle Nutzung der Kerntechnik sind mit einem breiten Feld laufender Forschung verbunden. Nicht nur die Optimierung von Kernbrennstoffen und deren Wiederverwertung ist ein aktuelles Thema, sondern auch die Arbeit mit radioaktiven Proben für die klinische Forschung und Therapie sowie die weitere Verbesserung der Reaktorsicherheit und Leistungsoptimierung. Wissenschaftler suchen nach wie vor nach Technologien für die Lagerung und Wiederverwendung nuklearer Abfälle und versuchen, Kernbrennstäbe so zu konstruieren, dass nur minimale Mengen toxischer Isotope entstehen. Eines der größten Forschungsprojekte ist außerdem die Entwicklung der Fusionsreaktortechnologie, die, sobald sie verfügbar ist, die Energieprobleme der Welt lösen soll. Der Vorteil eines Fusionsreaktors wäre eine nahezu strahlungsfreie Energieerzeugung, die nur geringe Mengen an Wasserstoff benötigt, um in einer Fusionsreaktion Helium zu bilden.

Abb.11: Das künftige Kernkraftwerk wird höchstwahrscheinlich kein Spaltungs-, sondern ein Fusionsreaktor sein. Ein massiver Aufbau von Magneten kann den Plasmastrahl aus milliardenfach heißem Wasserstoff in einem Feld halten, das es ermöglicht, die Fusionsreaktion von Wasserstoffkernen zu Helium zu steuern, wodurch riesige Mengen an Energie freigesetzt werden und nur sehr wenig Strahlung und keine giftigen Isotope entstehen.

Thermische Analyse in der Kernforschung

Aufgrund der Forschung, die in diesem Bereich betrieben wird, besteht ein Bedarf an analytischen Geräten und insbesondere auch an Instrumenten für die thermische Analyse. Natürlich erfordern diese speziellen Anwendungen und Sicherheitsanforderungen eine Vielzahl von Modifikationen der Standardgeräte, die Linseis vornehmen kann. Da nukleare Strahlung die Elektronik stören kann, muss diese von den mechanischen Teilen der Geräte getrennt und außerhalb der heißen Zelle oder Handschuhbox untergebracht werden. Wir haben fast alle wichtigen Instrumente für die thermische Analyse kundenspezifisch angepasst, einschließlich der Anpassung an Anwendungen in heißen Zellen, wie z. B. die Trennung von Elektronik und Bedienfeldern. Vor allem Dilatometer, Thermowaagen sowie kombinierte TG-DSC und auch Laser Flash Techniken wurden von uns in der jüngsten Vergangenheit erfolgreich in ein nukleares Design übertragen. Unsere Erfahrung in diesem speziellen Bereich macht Linseis zum weltweiten Marktführer in der thermischen Analyse von Nuklearmaterialien, da wir der flexibelste Anbieter auf diesem Markt sind.

Applikationen

Graphit Standard

Die Kurve zeigt die Daten zur Temperaturleitfähigkeit eines Graphitstandards vom NIST, der mit einem speziellen Gerät gemessen wurde LFA mit faseroptisch angeschlossenem Laser und separater Elektronik. Die Ergebnisse stimmen mit den Literaturwerten überein und die Genauigkeit und Leistung des Lasers sind völlig identisch mit dem Standardgerät.

Graphit ist eines der wichtigsten Materialien im Reaktorbau und bietet aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und Temperaturstabilität vielfältige Einsatzmöglichkeiten.

Wärmeleitfähigkeit von Karbiden

Verschiedene Arten von Karbiden wurden gemessen durch LFA um die Wärmeleitfähigkeit zu bestimmen. Urancarbid wurde mit ähnlichem Zirkoniumcarbid und klassischem Siliciumcarbid verglichen. Das Ergebnis war, dass Urancarbid einen beachtlich niedrigen Wert von etwa 25 W/mK aufwies, während Zirkoniumcarbid eine steigende Tendenz mit elektronisch dominierendem Charakter zeigte, während SiC eine mehr oder weniger allgemeine Abnahme der Wärmeleitfähigkeitskurve aufwies.

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Linseis Thermal Analysis for nuclear energy (PDF)

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