Der Neutronenmoderator ist ein Bestandteil von Kernreaktoren. Die Funktion des Moderators besteht darin, die Neutronen bei Kernspaltungsreaktionen zu verlangsamen.
Bei Kernspaltungsreaktionen kollidieren Neutronen mit spaltbaren Uranatomen und lösen neue Reaktionen aus. Bei jeder Spaltungsreaktion werden mit hoher Geschwindigkeit ein oder zwei Neutronen freigesetzt, die mit anderen Atomen kollidieren und eine nukleare Kettenreaktion auslösen können.
Um die Kernenergie des Atoms zu nutzen, besteht das Ziel darin, eine nukleare Kettenreaktion innerhalb des Kernreaktors aufrechtzuerhalten. Eine zu schnelle Bewegung der Neutronen im Reaktorkern verringert die Wahrscheinlichkeit, dass sie mit einem anderen Atom kollidieren.
Das Ziel des Moderators ist es, diese Geschwindigkeit zu reduzieren und auf diese Weise eine bessere Leistung des Reaktors zu erzielen.
Schnelle Neutronen, die nach einer Spaltungsreaktion freigesetzt werden, bewegen sich mit etwa 10 % der Lichtgeschwindigkeit. Für die ordnungsgemäße Funktion des Reaktors muss seine Geschwindigkeit auf wenige Kilometer pro Sekunde reduziert werden. Diese Geschwindigkeit entspricht Temperaturen im Bereich von einigen hundert Grad Celsius.
Was macht der Neutronenmoderator im Reaktor?
Neutronen haben aufgrund ihrer Geschwindigkeit eine große kinetische Energie. Wenn ein Neutron mit einem Atom des als Moderator verwendeten Materials kollidiert, wird ein Teil seiner kinetischen Energie auf das Atom des Moderators übertragen. Neutronen, die kinetische Energie verlieren, verlieren an Geschwindigkeit.
Die chemischen Elemente des Periodensystems, die geeignet sind, die Funktion des Moderators zu erfüllen, sind diejenigen, die eine niedrige Atommasse haben, um die bei jedem Stoß übertragene Energie zu maximieren. Im Allgemeinen handelt es sich um Wasserstoff, Deuterium (in schwerem Wasser vorhanden) oder Kohlenstoff.
Wichtig ist, dass der Moderator die Neutronen nicht absorbiert, da wir nur verlangsamen wollen. Um dies zu vermeiden, ist es wichtig, dass die moderierenden Materialien einen geringen Einfangquerschnitt aufweisen.
Ab einem bestimmten Punkt ist es notwendig, die Neutronen einzufangen, um die Kettenreaktion zu kontrollieren. Dazu werden Kontrollleisten verwendet.
Wie entsteht eine Spaltreaktion?
In einem thermischen Neutronenreaktor absorbiert der Atomkern eines schweren Brennelementes wie Uran 235 (U-235) ein sich langsam bewegendes freies Neutron. Mit dem neuen Neutron wird das Atom instabil und zerfällt.
Was ist das Ergebnis einer Kernspaltungsreaktion?
Bei der Kernspaltung erzeugt die Kernreaktion:
Zwei Spaltprodukte
Zwei oder drei sich schnell bewegende freie Neutronen
Eine Energiemenge, die sich hauptsächlich in der kinetischen Energie von Spaltprodukten manifestiert.
Warum brauchen Kernreaktoren einen Neutronenmoderator?
Thermische Kernreaktoren benötigen einen Moderator, um die Geschwindigkeit der Neutronen zu reduzieren, da die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron auf ein Uran-235-Atom trifft, mit zunehmender Neutronengeschwindigkeit abnimmt.
Dies erklärt, warum die meisten mit Uran-35 betriebenen Atomreaktoren einen Moderator benötigen, um eine Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, und warum das Entfernen eines Moderators einen Reaktor stilllegen kann.
Was ist ein Spaltquerschnitt?
Die Wahrscheinlichkeit neuer Spaltungsereignisse wird durch den Spaltungsquerschnitt bestimmt. Der Spaltungsquerschnitt ist eine Funktion der Energie (Anregungsfunktion genannt) des Neutrons, das mit einem Uran-235-Kern kollidiert. Dieser Abschnitt hängt von der Geschwindigkeit der einfallenden Neutronen ab.
Unterschiede zwischen verschiedenen Arten von Kernreaktoren
In allen moderaten Reaktoren erzeugen einige Neutronen aller Energieniveaus eine Spaltung, einschließlich schneller Neutronen.
Einige Reaktoren sind thermischer als andere. In einem CANDU-Reaktor beispielsweise werden fast alle Spaltungsreaktionen durch thermische Neutronen erzeugt. Andererseits wird in einem Druckwasserreaktor (DWR) ein erheblicher Teil der Spaltungen durch energiereichere Neutronen erzeugt.
Im überkritischen Wasserreaktor (SCWR) kann der Anteil der schnellen Kernspaltung 50% überschreiten, was technisch ein schneller Neutronenreaktor ist.
Schnelle Kernreaktoren
Ein schneller Reaktor verwendet keine Moderatoren, sondern beruht auf einer Spaltung, die durch unmoderierte schnelle Neutronen erzeugt wird.
Bei einigen Konstruktionen können bis zu 20 % der Spaltungen aus der direkten schnellen Neutronenspaltung von Uran-238 stammen, einem Isotop, das mit thermischen Neutronen nicht spaltbar ist.
