Der Ursprung der Energie

Siehe „The Origin of Energy“ auf ecat.com

Exotherme chemische Reaktionen

Bei der chemischen Reaktion, in der sich Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser verbinden, entsteht Wärme, z. B. bei der Verbrennung von Wasserstoff. Solche chemischen Reaktionen, bei denen Wärme erzeugt wird, nennt man exotherme Reaktionen. Die chemische Gleichung für diese Reaktion für ein Mol Wasserstoff lautet:

H2 + ½ O2 = H2O + 286 kJ

(1)

Das heißt, wenn ein Mol Wasserstoff in Sauerstoff (oder Luft) verbrennt, entstehen 286 kJ an Wärme. Ein anderes Beispiel ist

C + O2 = CO2 + 394 kJ

(2)

wo ein Mol Kohlenstoff bei Erzeugung von 394 kJ Wärme zu Kohlendioxid verbrannt wird.

Die Wärmeproduktionen der obigen chemischen Gleichungen (1) und (2) repräsentieren jeweils ein Mol Wasserstoff und Kohlenstoff. Um diese chemischen Reaktionen mit Kernreaktionen zu vergleichen, ist es zweckmäßig, die Wärmeerzeugung für ein Molekül oder ein Atom neu zu berechnen. Dazu dividieren wir die Wärmeproduktion durch die Avogadro-Konstante

NA = 6.02 × 1023 mol-1

Die Ergebnisse sind

H2 + ½ O2 = H2O + 3.0 eV

(3)

C + O2 = CO2 + 4.1 eV

(4)

Gleichung (3) bedeutet, dass der Prozess, bei dem sich ein Wasserstoffmolekül (zwei Wasserstoffatome) und ein halbes Sauerstoffmolekül zu einem Wassermolekül verbinden, Energie von 3,0 eV in Form von Wärme erzeugt (d. h. 1,5 eV pro Wasserstoffatom). Und Gleichung (4) besagt, dass, wenn sich ein Kohlenstoffatom mit einem Sauerstoffmolekül verbindet und zu einem Kohlendioxidmolekül wird, 4,1 eV Energie freigesetzt werden.

Die Einheit eV wird benutzt, weil sie die allgemeinste Maßeinheit der Energie ist, die in der Welt der Atom- und Kernphysik benutzt wird. Es ist die Arbeit, die an einem Elektron verrichtet wird, wenn dieses durch eine Potentialdifferenz von einem Volt beschleunigt wird. Sein Wert ist

1 eV = 1.6 x 10-19 J

Darüber hinaus werden in der nuklearen Welt häufig die Energieeinheiten keV und MeV verwendet. Ersteres steht für das 1 000-fache eV und letzteres für das 1 000 000-fache eV.

Wenn es um beliebige Kraftstoffe auf Kohlenhydratbasis geht, liegt die Energieerzeugung in der Größenordnung von 4 eV x # (Kohlenstoffatome) und 1,5 eV x # (Wasserstoffatome) pro in Sauerstoff verbranntem Molekül.

Exotherme Kernreaktionen

Kerne zeigen verschiedene Arten von Reaktionen: Beispielsweise spaltet sich ein Nuklid in zwei oder mehr Fragmente auf. Diese Art der Reaktion nennt man Kernspaltung. Im Gegensatz dazu verbinden sich manchmal zwei Nuklide miteinander, um ein neues Nuklid zu bilden. Diese Art der Reaktion nennt man Kernfusion. Es gibt viele andere Arten von Reaktionsprozessen; sie werden im Allgemeinen einfach als Kernreaktionen bezeichnet und enthalten alles von der Gamma-Emission bis zum Alpha-Zerfall. Unter diesen verschiedenen Arten von Kernreaktionen gibt es einige Arten von exothermen Reaktionen, die in der Kernphysik manchmal als „exoerge“ Reaktionen bezeichnet werden.

Der Kern des Deuteriumatoms heißt Deuteron und besteht aus einem Proton und einem Neutron. Es wird durch das Symbol „d“ dargestellt. Die Kernreaktion, bei der sich zwei Deuteronen aneinander binden, ist ein Beispiel für die Kernfusion. Diese exoergische Reaktion hat 3 Formen:

d + d → 32He + n + 3.27 MeV	(5)
d + d → 31T + p + 4.03 MeV
d + d → 42He + 24 MeV

Wenn ein Neutron im Uran-235-Kern (²³⁵₉₂U) absorbiert wird, würde es sich in zwei Fragmente mit nahezu gleicher Masse aufspalten und eine gewisse Anzahl von Neutronen und Energie Q produzieren. Eine der Gleichungen für die Prozesse ist

23592U → 13756Ba + 9736Kr + 2n + Q

(6)

Dies ist ein Beispiel für die Kernspaltung.

Die dabei freiwerdende Energiemenge beträgt rund 200 MeV, was im nächsten Abschnitt näher erläutert wird.

Der Ursprung der Kernenergie

Nehmen wir die d-d-Fusionsreaktion auf, die in der obigen Gleichung (5) als ein Beispiel gezeigt ist. Da der experimentelle Wert der Bindungsenergie von Deuteron 2,2246 MeV beträgt, beträgt die Summe der Bindungsenergien der beiden Deuteronen vor der Reaktion (auf der linken Seite von Gleichung (5)) 4,449 MeV. Andererseits beträgt der experimentelle Wert der Bindungsenergie von (³₂He) 7,719 MeV. Daher ist die Gesamtbindungsenergie nach der Reaktion (auf der rechten Seite von Gleichung (5)) um 3,27 MeV (= 7,719 - 4,449) größer als die Bindungsenergie vor der Reaktion (auf der linken Seite von Gleichung (5)). Dadurch nimmt die Gesamtmasse nach der Reaktion ab und es tritt der Massendefekt auf, der der obigen Zunahme der Bindungsenergie entspricht. Dieser Massendefekt wird bei diesem exothermen (oder exoergen) Prozess als Wärme (oder Energie) freigesetzt. Betrachtet man die Spaltung von Uran-235 (²³⁵₉₂U), so zeigt Gleichung (6), dass die Bindungsenergie pro Nukleon in Kernen in der Nähe von A = 240 etwa 7,5 MeV beträgt. Auf der anderen Seite beträgt sie in Kernen in der Nähe von A = 120 ungefähr 8,5 MeV. Wenn sich also ein Urankern in zwei Fragmente mit nahezu gleicher Masse aufspaltet, würde die Bindungsenergie pro Nukleon um etwa 1 MeV zunehmen und die Gesamtmasse der Spaltfragmente um den entsprechenden Betrag abnehmen. Dieser Masseverlust (oder Massendefekt) wird in das Wärme- (oder Energie-) Produkt Q umgewandelt. Da eine Energie von ungefähr 1 MeV pro Nukleon freigesetzt wird, würde die Gesamtenergie Q mehr als 200 MeV betragen.