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Space Power Systems

Vorlesung Space-P bei Dr. Schmiel der TU Dresden

Vorlesung Space-P bei Dr. Schmiel der TU Dresden

79
5.0 (1)

Kartei Details

Karten 79
Lernende 19
Sprache Deutsch
Kategorie Technik
Stufe Grundschule
Erstellt / Aktualisiert 20.02.2018 / 16.02.2025
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2.25 Nennen sie mindestens 4 Materialanforderungen an einen Thermoelektrischen Generator!

  • Schlechter Wärmeleiter
  • Guter Elektrischer Leiter
  • Große Thermokraft
  • Thermische Stabilität

3.1 Beschreiben sie die Spaltung eines Kernes anhand des Tröpfchenmodells!

Der Kern wird von einem Neutron getroffen, dehnt sich in die Länge  undschnürt  in der Mitte ein. Die lange Reichweite der gegenseitigen elektrischen Abstoßung der Protonen überwiegt dann die anziehende Kernkraft  mit ihrer kurzen Reichweite und treibt die beiden Enden auseinander, so dass der Kern in zwei oder drei Bruchstücke – hoch angeregte mittelschwere Kerne – zerfällt. Durch die Änderung der Bindungsenergie nimmt die Gesamtmasse entsprechend ab (Massendefekt).

3.2 Welche Bedeutung haben die Reaktionsprodukte bei der Kernspaltung?

  • liefern kinetische Energie, die in Wärme gewandelt wird
  • Vergiftung des Reaktors (Absorption von Neutronen durch andere Stoffe bspw. Xenon)
  • Spaltprodukte und Gase führen zu einem anschwellen des Brennmaterials --> Druck auf Reaktorhülle, Spaltgasraum notwendig
  • Nachwärmeproduktion

3.3 Warum können in einem realen Kernreaktor nur Neutronen, nicht aber Protonen eine Spaltung auslösen? Unter welchen Bedingungen ist eine Spaltung mit Protonen möglich?

Protonen könnten aufgrund des abstoßenden Potentials nur unter extrem hoher Geschwindigkeit in den Kern eindringen .

Neutronen gelangen aufgrund des quantenmechanischen Tunneleffektes ohne abstoßendes Potential in den Kern

3.4 Beschreiben sie das Prinzip der Kettenreaktion der Kernspaltung!

  • Anregungsenergie durch Neutronenbeschuss
  • Abgabe Bindungs- und kinetische Energie an den Kern --> Anregen des Kerns
  • Ist Energie ausreichend kommt es zu Spaltung
  • Freisetzen der Raktionsprodukte --> davon 2-3 Neutronen
  • Für Aufrechterhaltung der Kettenreaktion muss eines von den im statistischen Mittel 2,5 freigesetzten Neutronen wieder eine Spaltung auslösen
  • mittlere Zeit bis neue Generation von Neutronen freigsetzt wird: 10^-5 - 10^-9 s für schnellen Reaktor, 10^-2 - 10^.3 bei thermischen

3.5 Was ist der sogenannte Wirkquerschnitt bei der Betrachtung der Kernreaktion? Welche Arten werden dabei unterschieden?

Wirkungsquerschnitt σ ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass zwischen einer einfallenden Wellenstrahlung oder einem einfallenden Teilchen („Projektil“) und einem anderen Teilchen (Streukörper oder Target) ein bestimmter Prozess wie z. B. Absorption, Streuung oder eine Reaktion stattfindet.

 

  • mikroskopische inelastische Streuquerschnitt
  • mikroskopische elastische Streuquerschnitt
  • mikroskopische Spaltquerschnitt
  • mikroskopische Einfangquerschnitt

3.6 Welche vier Ereignisse können geschehen, wenn ein Neutron einen Kern trifft? Wie kann dadurch die Regelung eines Kernreaktors beeinflusst werden?

 

  • Einfach, ohne Spaltung
  • Spaltung
  • elastische Streuung
  • inelastische Streuung

Regelung durch Verzögerung der Neutronenabgabe und begrenzte Vermehrungsrate für Neutronen

3.7 Nennen sie den prinzipiellen Unterschied zwischen einem Siedewasser- und einem Druckwasserreaktor ind Bezug auf Sicherheit und Verseuchung durch Radioaktive Strahlung!

Druckwasserreaktor

  • getrennter Primär und Sekundärkreislauf --> keine radioaktive Kontamination des Wasssers

Siedewasserreaktor

  • Reaktor direkt mit leichtem Wasser gefüllt --> leichte radioaktive Verseuchung des Wassers
  • selbstsicher. Bei Zunahme der Kritikalität --> mehr Wasser siedet --> schlechtere Neutronenmoederation --> neg. Temperaturkoeffizient

3.8 Was ist die Kritikalität eines Reaktors? Wie kann man diese beeinflussen?

Kritikalität ist das Verhältnis der Neutronenpopulationen zweier aufeinanderfolgenden Generationen. Im thermischen Reaktor spielt zusaätzlich noch die Verteilung von schnellen und thermischen Neutronen zu beachten

k=1 --> stationärer Reaktor

k<1 --> unterkritischer Reaktor --> Kettenreaktion erlischt

k>1 --> überkritischer Reaktor --> Enereerzeugung nimmt zu

 

Über zufügen von Moderatoren und so verändern der Energie/Geschwindigkeit der Neutronen

3.10 Welche Aufgabe hat der Moderator zur Regelung der Kritikalität?

  • Abbremsen schneller NEutronen mittel Elementen mit geringem Atomgewicht --> elastische Stöße
  • Langsamere oder thermalisierte Neutronen haben rößeren Wirkquerschnitt --> Wahrscheinlichkeit für U235 Spaltung ist höher --> Uran muss weniger stark angereichert werden
  • Im thermischen Reaktor spielt Verteilung von schnellen zu thermischen Neutronen als auch ihre Verbleibwahrscheinlichkeit eine Rolle

3.11 Welche Anforderungen muss ein moderator erfüllen um eingesetzt werden zu können?

  • Hohes mittleres Energiedekrement
  • Hoher Streuquerschnittt
  • kleiner Absorptionsquerschnitt

--> Hohe Abbremsung bei eringer Absorption der Neutronen

3.13 Was Verstehen sie unter Lethargie der Neutronen?

Lethargie, eine zur mathematischen Behandlung der Neutronenbremsung eingeführte Größe u = ln(Evor / Enach), (Evor und Enach: Energien des Neutrons vor bzw. nach einem Stoß mit einem Atomkern).

3.14 Warum muss die räumliche Verteilung der Neutronenflussdichte zur Auslegung eines Kernreaktors bekannt sein?

  • Brennstoffanreicherung
  • Regelungsstrategie

--> Gesamtleistung des Reaktors

3.15 Welche Zwei Theorien werden zur berechnung der Verteilung der Neutronenflussdichte herangezogen und wodurch unterscheiden diese sich grundsätzlich?

  • Eingruppen und Zweigruppentheorie

In der Zweigruppentheorie werden die Neutronen in eine Thermische und eine Schnelle Gruppe unterteilt und für beide Grupen werden separate Neutronenbilanzen aufgestellt

3.16 Welche Neitronenverluste werden in der Eingruppen- und welche in der Zweigruppentheorie betrachtet?

 

Eingruppentheorie

  • Leckrate und Neutronenabsorption

Zweigruppentheorie

  • schnelle Gruppe: Leckrate und Verlustrate durch Transfer in thermische Gruppe
  • Thermische Gruppe: Leckrate und Absorption

3.17 Welche Möglichkeiten der Abschirmungen vor den Auswirkunen der Reaktionsprodukte der Spaltung kennen sie?

  • Erste Barriere: Die Uranoxid-Tablette. Die festen Spaltprodukte werden in den Uranoxid-Tabletten fast vollständig zurückgehalten.
  • Zweite Barriere: Die Brennstoffstäbe. Gasdicht verschweisste Hüllrohre aus einer Zirkonium-Legierung umschliessen den Kernbrennstoff und verhindern das Austreten von Spaltprodukten ins Wasser.
  • Dritte Barriere: Das Reaktor-Druckgefäss. Die Brennelemente befinden sich in einem Druckbehälter aus 10 bis 20 cm dickem Stahl.
  • Vierte Barriere: Druckabbau-Barriere. Sie ermöglicht das Kondensieren von allfällig austretendem Dampf.
  • Fünfte Barriere: Der Sicherheitsbehälter. Ein 3 bis 4 cm dicker Stahlbehälter schliest sich an.
  • Sechste Barriere: Das Reaktorgebäude. Als zusätzlicher Schutz vor Beschädigung von Aussen dient ein etwa 1,5 m starker Stahlbetonmantel.

3.20. Nennen sie je einen im Orbit eingesetzten Kernreaktor der Amerikaner und der Sowjets!

Amrikanisch: SNAP-10A

Russisch: Kosmos954, Kosmos1402

3.19 Wie heißt das seit Anfang der 50er Jahre etablierte nationale Forschungsprogramm zur Entwicklung von nuklearen monilen Energiequellen für Raumfahrt- und Militäranwendungen in den USA?

Systems Nuclear Auxiliary Power (SNAP)

3.21 Worin unterschieden sich die Entwicklungsprogramme für nukleare Energiesysteme der USA und der Sowjetunion grundsätzlich?

Sowjetunion großer Fokus auf Kernreaktoren, USA auf RTG's (USA nur einen Reaktor gestartet)

3.22 Welche Auswirkungen können radioaktive Strahlungen auf Lebewesen haben? Welche Schutzmaßnahmen würden sie ihrem Projektteam grunsätzlich auferlegen?

  • Akute Strahlenschäden: Sofort bzw nach wenigen Tagen eintretende Schäden. Übelkeit, Erbrechen, Todesfälle je nach Strahledosis und Zeitraum
  • Spätschäden: Erkrankungen der blutbildenden Organe (Leukämie), der Haut, der Augen (Trübung der Hornhaut) sowie ein allgemein erhöhtes Krebsrisiko.
  • Erbschäden: Schädigung von Genen durch die Bestrahlung, die sich dann bei der Nachkommenschaft auswirkt.

 

Strahlenschutzkleidung, Mundschutz, Iod-Tabletten

4.1 Beschreiben sie das Prinzip des Photoeffektes

Ein Elektron wird aus einer Bindung – z. B. in einem Atom oder im Valenzband oder im Leitungsband eines Festkörpers – gelöst, indem es ein Photon absorbiert. 

4.2 Was versethen sie unter der sogenannten Sperrschicht? Wie entsteht diese und was bewirkt sie?

Eine Sperrschicht ist im Übergang zwischen unterschiedlich dotierten Halbleitern ein Bereich, in dem sich Raumladungen mit Überschuss und Mangel an Ladungsträgern gegenüberstehen, so dass diese Zone im Gleichgewichtsfall nach außen ladungsneutral erscheint. 

Sie bewirkt eine Ladungstrennung zwischen p und n dotierten Bereichen

4.3 Welche Arten von Solarzellen kennen sie?

  • Silicium Solarzelle
  • GaAs Solarzellen
  • Dünnschicht Solarzelle
  • Multi - junction - Solarzellen

4.4 Warum ist eine sogenannte intrinsische Schicht bei Dünnschichtsolarzellen notwendig?

Zm absorbieren des Lichts und dem bilden nutzbarer Elektron-Loch-Paare?

4.5 Was ist eine Multi-Junction-Solarzelle? Nennen sie eine Vor- und einen Nachteil für den Einsatz im Weltraum!

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr Solarzellen mit verschiedenem Material, die monolithisch übereinander geschichtet sind. Zweck dieser Anordnung ist es, den Wirkungsgrad der gesamten Anordnung zu erhöhen, indem ein größerer Anteil des Lichtspektrums genutzt werden kann.

 

Vorteil: höherer Wirkungsgrad

Nachteil: Schichtung kann sich lösen, höhere Masse im Verhältnis zum Energiegewinn

4.6 Warum wird meist KApton zwischen den Solarzellen und der Wabenstruktur des Panels eingesetzt?

Hitzebeständigkeit, geringen Ausgasung, Strahlungsbeständigkeit und Isoliereigenschaften

4.7 Wis ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle definiert?

Der Wirkungsgrad "eta"  einer Solarzelle ist das Verhältnis der von ihr erzeugten elektrischen Leistung Pe und der Leistung der einfallenden Strahlung Ps.

4.8 Was ist der Füllfaktor einer Solarzelle und warum wird dieser betrachtet?

  • Verhältnis maximale Leistung zum Produkt aus Leerlaufspannung mit
    Kurzschlussstrom.
  • Maß für die Güte einer Solarzelle

4.11 Wie verschalten sie für vorgegebene Leistungs- Strom - und Spannungsdaten die Solarzellen?

Spannung --> SZ in Reihe als Zellenstrang

Strom --> Stränge paralell zu Modulen

4.12 Welche Besonderheit müssen sie bei der Reihenschaltung von Solarzellen beachten?

Fällt eine aus --> Widerstand unendlich

Überbrückungsschaltungen

4.13 Nennen und erläutern sie die zwei Arten der Solarvektornachführung!

Einachsennachführung

  • Nachführung im Alpha-Winkel (folgt Sonne von Ost nach West

Zweiachsennachführung

  • zusätzlich beta Winkel (deklination), selten genutzt

4.15 Welche Umwelteinflüsse führen zu einer Degradation der Solarzelle?

Strahlung (UV, Partikel), Atomarer Sauerstoff, Feuchtigkeit

4.16 Welche Einflüsse bewirken eine Reduzierung des Wirkungsgrades?

Temperatur, degradation

5.1 Welchen Vorteil haben eletrochemische Wandler prinzipiell zu thermomechanischen Wandlern?

Wesentlich höhere Wirkunsgrade, keine bewegten Teile.

5.2 Worin Unterscheiden sich konventionelle und unkonventionelle Galvanische Elemente? 

  • Bei konventionellen Elementen sind reagierende Stoffe chemisch an Elektrode gebunden --> Elektrode wird verbraucht
  • Bei unkonventionellen galvanischen elementen wird der Stoff zur Elektrode geführt --> kein abbau der Zelle, aber eine Art Tank und Stofführung von nöten

5.3 Wann würden sie a) Primärbatterien und b) Sekundärbatterien einsetzen

a) Kurze Missionsdauer, Hauptenergiequelle

b) Als Speicherelement für Energie für Schattenphasen --> lange Missionsdauer

5.4 Nennen sie mindestens 10 Systembedingte Auswahlkriterien für elektrochemische Wandler!

  1. Kapazität
  2. Min. und Max. zuässige Lade bzw. Entladerate
  3. Selbstenladungsraten
  4. Massenspezifische Energiedichte
  5. Massenspezifische Leistungsdichte
  6. Volumenspezifische Energiedichte
  7. Volumenspezifische Leistungsdichte
  8. Lade und Entladeverhältnis
  9. Lebenszeit
  10. Operation/Non-operation Temperature
  11. Handling
  12. Safety-Kriterien

5.5 Nenne sie mind. 5 Arten von Brennstoffzellen! worin unterscheiden hinsichtlich dem Ionentransport, der Brennstoffe, der Systemwirkungsgrade und dem Entwicklungsstand?

  • Alkalische BZ (Brennstoffe: reinst. Wasser und Sauerstoff, Wirkungsgrad: 62%)
  • Membran BZ (Brennstoffen: Wasserstoff und Sauerstoff/Luft, Wirkungsgrad: 43-50%)
  • Direkt-Methanol BZ (Brennstoffe: Methanol und Sauerstoff/Luft, Wirkungsgrad: 20-30%)
  • Phosphorsäure BZ (Brennstoffe: Wasserstoff und Sauerstoff/Luft, Wirkungsgrad: 40%)
  • Karbonschmelzen BZ (Brennstoffe: Erd-kohle-Biogas/Wasserstoff und Sauerstoff/Luft, Wirkungsgrad: 65%)
  • Oxidkeramische BZ (Brennstoffe; Erd-kohle-Biogas/Wasserstoff und Sauerstoff/Luft, Wirkungsgrad: 60-65%)

5.6 Welche Elektrochemischen Vorgänge finden in der galvanischen Kette Statt?

  1. Gastransport von Tank zum Gasraum
  2. Diffusion in die Porenstruktur
  3. Lösungsvorgang in Elektrolyt
  4. Adsorption an Katalysator
  5. Dissoziation der Moleküle
  6. Ladungsdurchtritt
  7. Ionendiffusion durch Diaphragma
  8. Ladungsdurchtritt
  9. Rekombination
  10. Desorption von der Kat. Oberfläche
  11. Ausgasen aus Elektrolyt
  12. Diffusion in den Gasraum
  13. Konvektiver Transport aus der Zelle