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Archive for the 'Wissenschaft' Category
March 12th, 2011
Nach der Havarie in dem japanischen Kernkraftwerk Fukushima wurde bereits gestern Kühlwasser abgelassen um den Druck im Reaktor zu verringern. Diese Maßnahme wurde sogar von Greenpeace begrüßt, weil im Falle eines Störfalles die erste Sorge dem Einschluss des Kernbrennstoffes gilt.
Die Radioaktivität die freigesetzt wird hängt sehr stark von den Freigesetzten Stoffen und besonders von der Halbwertszeit ab. Ein zerfallender Kern sendet Energie in Form von Ionisierender Strahlung aus. Dabei wandelt er sich um und ist danach im einfachsten Fall stabil. Deshalb gibt es bei radioaktiver Verseuchung zwei wichtige Parameter, die Halbwertszeit und die Aktivität. Diese beiden Parameter hängen umgekehrt proportional zusammen. Wenn zum Beispiel 100 sehr instabile Kerne mit einer Halbwertszeit von einer Minute freigesetzt werden, dann erwartet man 50 Zerfälle in der ersten Minute. Danach gibt es noch 50 Kerne die Zerfallen können. In der zweiten Minute Zerfallen deshalb nur noch 25 Kerne und in der dritten noch zwölf oder 13. Die Aktivität nimmt deshalb mit der Halbwertszeit ab. Das ist wichtig um die Auswirkungen einer Verseuchung zu verstehen. Wenn nur aktiviertes Wasser austritt, mit einer Halbwertszeit im Bereich von Minuten, dann fällt die Aktivität sehr schnell ab und nach wenigen Stunden ist sie wieder auf dem natürlichen Niveaus. Auf der anderen Seite haben Kernbrennstoffe, wie Uran, Halbwertzeiten von mehreren hunderttausend Jahren. Das bedeutet, dass die Umgebung des Kernkraftwerks für sehr lange Zeit verseucht wäre.
In einem Kernkraftwerk ist der Brennstoff in den Brennstäben eingeschlossen. Die Brennstäbe werden von Wasser als Kühlmittel im Druckbehälter umspült. Es gibt dann noch eine Betonhülle als weitere Barriere um im Falle eines Störfalles den Brennstoff einzuschließen. Aber die wichtigste Barriere ist die Ummantelung der Brennstäbe, solange diese Intakt ist kann kein Uran in die Umgebung gelangen. Das Ablassen von radioaktivem Wasser hat dann keine lange andauernden Auswirkungen. Wenn aber die Brennstäbe beschädigt sind, oder es sogar zu einer Kernschmelze kommt, dann würden langlebige Kerne freigesetzt werden.
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March 12th, 2011
Heute morgen gab es in Japan ein schweres Erdbeben der Stärke 8,9 auf der Richterskala, dabei wurde unter anderem auch einige Kernkraftwerke beschädigt. Insbesondere ist das Atomkraftwerk Fukushima ohne Strom. Eine Situation die eigentlich nicht passieren sollte. Aber was passiert eigentlich in einem solchen Siedewasser Reaktor und was kann passieren im Falle eines Unfalls?
Im Normalbetrieb produziert ein Kernkraftwerk durch Kernreaktionen Wärme. Das bedeutet ein KKW heizt Wasser auf, das über den Umweg Turbine und Generator Strom erzeugt. Die Wärme wird durch Kernreaktionen erzeugt, dabei zerfällt zuerst ein Uran-Kern und setzt dabei ein schnelles Neutron frei. Das Neutron kollidiert elastisch mit einem Moderator und wird dabei abgebremst. Dieses jetzt langsame Neutron wird dann in einem anderen Uran Kern eingefangen und der Kern zerfällt. Die dabei frei werdenden Neutronen können dann wieder einen Uran Kern spalten. Diese Kettenreaktion kann man sehr schön mit Mausefallen und Tischtennisbällen veranschaulichen.
Auf diesem Level der Erklärung gibt es keinen Unterschied zwischen einer Atombombe und einer Kernkraftwerk. Der Unterschied liegt darin, dass bei einem Kernkraftwerk versucht wird den Neutronenfluss, wie viele Tischtennisbälle in der Luft sind, konstant zu halten. Bei einer Bombe versucht man den Neutronenfluss immer mehr zu steigern. Wenn jede Reaktion im Durchschnitt eine weitere Reaktion erzeugt, dann bleibt die Reaktionsrate konstant, wenn sie mehr erzeugt beschleunigt sich die Reaktionsrate. Deshalb gibt es unterschiedliche Anreicherungen, die in dem Beispiel mit den Mausefallen unterschiedlichen Mixturen von gespannten und nicht gespannten Fallen entsprächen.
Im folgenden gibt es zwei wichtige Unterschiede zwischen dem Mausefallen Modell einer Kettenreaktion und einem Kraftwerk, einerseits die Rolle des Moderators und andererseits gibt es mehr als nur zwei Atomkerne. Der Moderator wird gebraucht, um die Neutronen abzubremsen. Das ist eine Folge der Wellennatur der Neutronen, wenn die Welle besonders gut passt, dann ist eine Reaktion besonders wahrscheinlich. Wenn es keinen Moderator gibt, dann wird viel weniger Energie frei. Bei Leichtwasserreaktoren wie Fukushima
wird als Moderator und Kühlmittel einfaches Wasser verwendet. Die Idee ist, dass der Reaktor ausgeht wenn das Kühlwasser verdampft.
Der Effekt der vielen verschiedenen Atomkerne ist, dass auch nicht unmittelbar an der Reaktion beteiligte Kerne aktiviert werden können. Diese Kerne verlieren dann zum Beispiel ein Neutron oder fangen eins ein, werden dadurch Radioaktiv und weil nur besonders stabile Kerne in der Natur vorkommen – die anderen sind bereits Zerfallen – erhöht sich dadurch die Radioaktivität. Das bedeutet, nach dem Abschalten eines Reaktors ist der Kernbrennstoff radioaktiver als vor dem ersten Einschalten. Und er muss deshalb gekühlt werden, sonst heizt er sich auf und es kann zu einer Kernschmelze kommen.
How much time is there before a meltdown [after cooling has stopped, anm. von mir]?
It depends on the plant. It depends on whether it’s a boiling-water reactor or a pressurized-water reactor. Basically, [in both] you have the benefit of natural forces such as convection. There is a coolant loop no matter what, so you end up to some degree cooling the core because the heated water rises and colder water gets pulled in. But that’s not as effective as a pump bringing in cool water. Just to speak very broadly, you have many hours to restore power to the system to get normal cooling going. It’s really not possible to get more specific than “many hours.”
Interview mit Scott Burnell in Scientific American
In Fukushima kamen nun zwei Dinge zusammen, einerseits eine Notabschaltung des Reaktors und andererseits ein Erdbeben. Wahrscheinlich durch das Erdbeben sind die Diesel Notstromaggregate und teile der Kühlung ausgefallen. Aber ein Reaktor kann nach dem Abschalten nur wenige Stunden sich selbst überlassen werden, sonst droht eine Kernschmelze. Darüber hinaus ist es möglich, dass das Erdbeben die Brennstäbe beschädigt hat. Dann wäre auch das Kühlwasser mit Brennstoff kontaminiert und nicht „nur“ aktiviert. Und bei einem Manöver wie dem Ablassen von Wasserdampf würde deutlich mehr Radioaktivität frei, als bei unbeschädigten Brennstäben. Und Kernbrennstoff hat eine deutlich längere Halbwertszeit als aktiviertes Wasser – die Umgebung wäre auf Jahre hinaus verstrahlt.
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October 9th, 2008
Diese Woche werden die Nobelpreise bekanntgegeben. Und als ordentlicher Blogger, mit mehr Meinung als Ahnung, muss ich natürlich meinen Senf dazugeben.
Der Nobelpreis für Physik wurde an Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa vergeben. Und ich finde es irgendwie komisch, dass die Nobelpreise jeweils an die Hälfte mir gut bekannter Bezeichnungen vergeben wurden. Auf der einen Seite gibt es die Nambu-Goto Wirkung und auf der anderen Seite die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix. Allerdings sieht man hier mal wieder, dass Leistungen in der theoretischen Physik nur äußerst selten von dem einsamen Genie im Keller erbracht werden. Und das Nobelpreisträger üblicherweise mehr als nur ein bedeutendes Paper geschrieben haben.
Im Gegensatz dazu erwähne ich die Chemie Nobelpreise für Osamu Shimomura, Martin Chalfie und Roger Y. Tsien hauptsächlich, weil die Zeit eine sehr hübsche Fotostrecke dazu veröffentlicht hat. Und eine Methode die solche Bilder produziert und anscheinend auch in der Biochemie nützlich ist, hat sicher einen Preis verdient.
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September 14th, 2008
In den letzten Monaten ist die Debatte über die zukünftige Energieversorgung wieder aufgeflammt. Diese Debatte wird sowohl hitzig als auch häufig mit großer Unkenntnis der Größenordnungen geführt. Der englischer Physiker David MacKay hat daher einen Entwurf für sein Buch “Whithout the hot air” veröffentlicht. Dieses Buch wird bei TP zusammengefasst. In seiner Einleitung verdeutlicht er das Problem mit dem schönen Satz:
To understand our sustainable energy crisis, we need to know how the one ‘huge’ compares with the other.
D. MacKay, Sustainable Energy – Without the hot air.
Ich habe das Buch bisher leider noch nicht zuende gelesen, möchte aber meine eigene “back of the envelope” Rechnung über erneuerbare Energie vorstellen. Meine Rechnung geht von 10 Milliarden Menschen aus, die mit Elektrizität versorgt werden sollen. Und weil es schade wäre, falls jeder einzelne in Zukunft weniger Energie zur Verfügung hätte, gehe ich von 10 kW pro Kopf aus. Zum Vergleich, in Deutschland liegt der Primärenergieverbrauch heute bei 5.5 kW. Ich gehe also davon aus, das die Weltbevölkerung steigt und gleichzeitig alle Menschen wesentlich mehr Energie zur Verfügung haben. Daher sollten global mindestens 1011kW Elektrizität erzeugt werden. Das sind 100TW oder das 6 fache des heutigen Primärenergiebedarfs. Diesen Bedarf möchte ich nur mit Solarenergie decken.
An der oberen Atmosphäre werden von der Sonne ungefähr 1.3 kW/m2 eingestrahlt. Leider gibt es aber eine Atmosphäre die das meiste davon absorbiert. In dieser Atmosphäre sind zusätzlich auch noch Wolken und die Sonne steht manchmal ungünstiger Weise hinter der Erde (sogenannte Nacht). Deshalb muss man realistischer Weise mit einer niedrigeren Zahl rechnen, MacKay rechnet in seinem Buch mit 100 W /m2. Diese Zahl wurde allerdings für England berechnet wurde. In Wüsten, in denen ich die Solarzellen aufstellen möchte, sind diese Zahlen eher zu niedrig. Wenn ich dann heutige Solarzellen, mit einem Wirkungsgrad von 20% ausgehe, brauche ich also eine Fläche von 5,000,000 km2. Das ist sicherlich eine riesige Fläche, aber wir leben auch auf einem ziemlich großen Planeten. Wie verhält sich nun dieses riesig zu dem ziemlich groß? Dafür einige Vergleichsgrößen, die Sahara ist 9 Millionen km2 groß, Deutschland 300 000 km2. Also wird es nicht möglich sein, diese Solarzellen in Deutschland aufzustellen (zumal die klimatischen Bedingungen in der Sahara besser sind). In der Sahara wäre es aber möglich. Und auch in Saudi Arabien oder Texas sind die Voraussetzungen für Solarenergie ebenfalls besser als in Deutschland. Deshalb denke ich, dass die Menschheit gut von erneuerbaren Energiequellen leben kann. Zumal ich mich ausschließlich auf eine Energiequelle beschränkt habe – allerdings auf die größte.
Eine Lektion die mir aber wichtig erscheint: Unabhängig davon ob man nur ein Land oder die gesamte Welt betrachtet, der Umstieg auf erneuerbare Energiequellen bedeutet nicht, dass die Menschheit danach “im Einklang mit der Natur lebt.” Sondern es bedeutet die Industrialisierung weiter Landstriche – und Wüsten sind ein besonders anfälliges Ökosystem. Außerdem kann natürlich eingewendet werden, dass der Strom dann noch nicht dort ist, wo er gebraucht wird, aber auch für dieses Probleme gibt es Ideen.
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February 24th, 2008
Wie ich schon in der Einleitung geschrieben habe, geht es in dieser Serie weniger darum den Stand der Wissenschaft zu referieren, als vielmehr darum mein Wissen zu ordnen. Deshalb werde ich hier nur das einfachste Modell diskutieren. Dies hat den Vorteil, das die Physikalischen Grundlagen diskutiert werden können, ohne die Strahlungstransportgleichung zu lösen. Es hat aber den Nachteil, das es kein realistisches Modell ist. Die Hoffnung oder das Argument ist, dass sich ähnliche physikalische Systeme auch ähnlich verhalten. Zur Illustration: Die Behauptung dass 300t Aluminium vom Himmel fallen wie ein Stein, muss ich niemandem erklären. Wenn ich aber behaupte, dass sie es nicht tun, werde ich die Strömungsmechanik eines Jumbo Jets erklären müssen. Read the rest of this entry »
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February 3rd, 2008
Zeit.de hat in der letzten Woche den Artikel “Neues Fossilzeitalter” veröffentlicht und nachdem MindSharing heute nochmal auf den Artikel hingewiesen hat, habe ich mich dazu entschlossen ein wenig dazu zu schreiben. Der Grundton des Artikels ist pessimistisch:
Es bestehe nicht die “geringste Aussicht”, die Welt von fossilen Brennstoffen abzubringen. Zumindest darin muss man Gray zuzustimmen.
Die Frage ist nur, warum sollte man Gray zustimmen, wenn man es schon “muss”. Es gibt schließlich einige durchaus hoffnungsvolle Anzeichen, dass die Menschheit ihre Probleme lösen kann.
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January 21st, 2008
Heute gab es einen Bericht auf TP über “Handystrahlung,” der im Vergleich zu dem zitierten Independent Artikel recht gut ist. In dem Artikel werden zwei Studien zitiert, erstens ein Bericht des “Committee on Identification of Research Needs Relating to Potential Biological or Adverse Health Effects of Wireless Communications Devices, National Research Council” und eine Studie von Arnetz et al.
In dem TP Artikel fehlen eigentlich nur ein paar Nebensätze. Zum Beispiel klingt die Phrase “Notwendigkeit weiterer Forschung” immer alarmistisch. Aber ein Komitee, dass “research needs” identifizieren soll, wird genau das tun. Und über das Zitat
“[...]But in the long term — 10, 20 and 30 years out — we have a lot less information about potential effects from these types of wireless devices.”
Frank Barnes
sollte man sich nicht wundern, denn die GSM Technologie (D-Netz) ist erst seit ungefähr 15 Jahren verfügbar.
Bei der anderen Studie sollte darauf hingewiesen werden , was die Studie zeigen soll:
The exposure set up exposed the left head hemisphere to a GSM signal (884 MHz) at an average of 1.4 W/kg including periods of DTX and Non-DTX (Fig. 1). The exposure was designed to be consistent with worst case exposure occurring in real-life situations, but with extended duration.
Arnetz et al.
Arnetz et al. haben Probanden über drei Stunden mit einer Leistung, die fast dem dreifachen des SAR Wertes meines Handys (eines N91) entspricht, bestrahlt. Und dann einen Effekt gesehen.
Dieses Posting soll keineswegs die Notwendigkeit weiterer Studien in Frage stellen. Sondern dafür werben, die meist verlinkten, Originalarbeiten zu lesen und dabei auch Nachzudenken. Denn die wichtigen Informationen zu Studien, wie signifikant ist sie und was sollte gezeigt werden, stehen nur äußerst selten in den Artikeln.
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January 12th, 2008
Der Klimawandel kann direkt beobachtet werden, indem man die heutige Durchschnittstemperatur mit der Durchschnittstemperatur der vergangenen Jahre vergleicht. Diese Messungen der Temperatur kann man grob in zwei verschiedene Kategorien einteilen, direkte und indirekte Messungen. Zu direkten Messungen muss ich wohl nicht viel schreiben, man nimmt einfach ein Thermometer und liest es ab. Das ist natürlich wesentlich komplizierter wenn eine Zeitreihe der letzten hundert Jahre wissenschaftlichen Ansprüchen genügen soll. Man muss sich dann für jeden Messwert die Frage stellen, wie wurde dieses Thermometer kalibriert und wurde vielleicht während der letzten Kriege nicht immer gemessen (oder die Daten vielleicht gezielt verändert?).
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January 6th, 2008
Das Megathema des letzten Jahres. Die veröffentlichte Meinung scheint klar, wenn man sich ab und zu ein wenig im Heise Forum umsieht, scheint die Mehrheit aber eher zu glauben, dass es keine globale Erwärmung gibt. Aber ist eine globale Erhöhung der Temperatur eine Glaubensfrage? Oder sollte es nicht möglich sein diese zu messen?
Ursprünglich wollte ich ein Posting schreiben in dem ich kurz darstelle, warum ich den Meteorologen und Klimaforschern glaube, wenn sie sagen es gibt einen anthropogenen Klimawandel. Aber aus diesem kurzen Post hat sich nun eine ganze Serie entwickelt. Ich werde die einzelnen Teile in den nächsten Tagen veröffentlichen. Read the rest of this entry »
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