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Moderator

Moderator

Der Moderator ist ein Bestandteil von KernreaktorenEs befindet sich im Reaktorkern. Die Funktion des Moderators besteht darin, die Geschwindigkeit von Neutronen in Kernspaltungsreaktionen zu reduzieren.

Bei Kernspaltungsreaktionen kollidieren Neutronen mit spaltbaren Atomen (Uran und Plutonium), die sich im Kernbrennstoff befinden, und führen zur Spaltung. Bei jeder Spaltreaktion werden ein oder zwei Neutronen mit hoher Geschwindigkeit freigesetzt.

Das Ziel, eine Kettenspaltungsreaktion aufrechtzuerhalten, besteht darin, dass diese Neutronen andere spaltbare Atome treffen, aber bei einer solchen Geschwindigkeit ist dies sehr schwierig. Ziel des Moderators ist es, diese Geschwindigkeit zu reduzieren und auf diese Weise eine bessere Leistung des Reaktors zu erzielen.

Körperliche Funktion des Moderators

Neutronen haben aufgrund ihrer Geschwindigkeit eine hohe kinetische Energie. Bei der Begegnung mit Atomen des Moderatormaterials kollidieren die Neutronen mit diesen Atomen und übertragen einen Teil ihrer kinetischen Energie auf die Kerne der Moderatoratome. Neutronen verlieren an kinetischer Energie und verlieren an Geschwindigkeit.

Die zur Durchführung der Moderatorfunktion geeigneten Materialien sind solche, die eine geringe Atommasse aufweisen, um die in jedem Schock übertragene Energie zu maximieren. Im Allgemeinen ist es Wasserstoff, Deuterium (in schwerem Wasser vorhanden) oder Kohlenstoff.

Es ist wichtig, dass der Moderator die Neutronen nicht absorbiert, da wir nur die Geschwindigkeit reduzieren möchten. Um dies zu vermeiden, ist es wichtig, dass die Moderatormaterialien einen geringen effektiven Einfangbereich aufweisen.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt ist es notwendig, die Neutronen einfangen zu können, um die Kettenreaktion zu kontrollieren. Hierzu werden die Kontrollleisten verwendet.

Reaktormoderator

In einem thermischen Neutronenreaktor absorbiert der Kern eines schweren Brennstoffelements wie Uran ein sich langsam bewegendes freies Neutron, wird instabil und spaltet dann die Kernspaltung in zwei kleinere Atome auf. Der Spaltprozess für die 235-U-Kerne erzeugt zwei Spaltprodukte, zwei oder drei freie Neutronen, die sich schnell bewegen, sowie eine Energiemenge, die sich hauptsächlich in der kinetischen Energie der Rückspalt-Spaltprodukte manifestiert. Freie Neutronen werden mit einer kinetischen Energie von jeweils 2 MeV emittiert. Weil es mehr freie Neutronen gibt. Sie werden aus einem Uran-Spaltereignis freigesetzt, bei dem thermische Neutronen erforderlich sind, um das Ereignis auszulösen, die Reaktion kann unter kontrollierten Bedingungen autark werden, eine Kettenreaktion, wodurch eine Reaktion ausgelöst wird.

Der Spaltquerschnitt ist eine Funktion der Energie (Erregungsfunktion) des Neutrons, die mit einem Uran-235-Kern zusammenstößt. Die Wahrscheinlichkeit der Spaltung nimmt mit zunehmender kinetischer Energie der Neutronen (und Geschwindigkeit) ab. Dies erklärt, warum die meisten mit Uran-35 betriebenen Reaktoren einen Moderator benötigen, um eine Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, und warum ein Moderator entfernt werden kann, um einen Reaktor abzuschalten.

Die Wahrscheinlichkeit neuer Spaltungsereignisse wird durch den Querschnitt der Spaltung bestimmt, der von der Geschwindigkeit (Energie) der einfallenden Neutronen abhängt. Bei thermischen Reaktoren verursachen hochenergetische Neutronen im MeV-Bereich weitaus weniger Spaltungen. Neu freigesetzte schnelle Neutronen, die sich mit etwa 10% der Lichtgeschwindigkeit bewegen, sollten reduziert oder "moderiert" werden, normalerweise mit Geschwindigkeiten von einigen Kilometern pro Sekunde, wenn sie wahrscheinlich mehr Spaltung in der Atmosphäre verursachen Kerne der benachbarten Atome von Uran-235 und setzen daher die Kettenreaktion fort. Diese Geschwindigkeit entspricht Temperaturen in einigen hundert Grad Celsius.

In allen gemäßigten Reaktoren erzeugen einige Neutronen aller Energieniveaus eine Spaltung, einschließlich schneller Neutronen. Einige Reaktoren sind stärker thermisiert als andere; In einem CANDU-Reaktor werden zum Beispiel fast alle Spaltreaktionen von thermischen Neutronen erzeugt, während in einem Druckwasserreaktor (PWR) ein erheblicher Teil der Spaltungen von energiereicheren Neutronen erzeugt wird. In dem vorgeschlagenen wassergekühlten superkritischen Wasserreaktor (SCWR) kann der Anteil der schnellen Abscheidungen 50% überschreiten, was technisch ein schneller Neutronenreaktor ist.

Ein schneller Reaktor verwendet keinen Moderator, sondern basiert auf der Spaltung, die von schnellen, unmodifizierten Neutronen erzeugt wird, um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. In einigen Konstruktionen schneller Reaktoren können bis zu 20% der Ablösungen durch direkte Spaltung mit schnellen Neutronen von Uran-238 entstehen, einem Isotop, das mit thermischen Neutronen nicht spaltbar ist.

Moderatoren werden auch in Neutronenquellen verwendet, bei denen es sich nicht um Reaktoren handelt, wie Plutoniumberyllium und Spallationsquellen.

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Geändert am: 19. Dezember 2018