Der Neutronenmoderator spielt in Kernreaktoren eine entscheidende Rolle, indem er an der Steuerung der Kernspaltungsreaktionen beteiligt ist. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Geschwindigkeit der bei diesen Reaktionen entstehenden Neutronen zu reduzieren.
Bei der Kernspaltung kollidieren Neutronen mit spaltbaren Uranatomen und lösen so weitere Reaktionen aus. Bei jedem Spaltungsereignis werden ein oder zwei Neutronen mit beträchtlich hoher Geschwindigkeit freigesetzt, die durch Kollision mit anderen umgebenden Atomen eine Kettenreaktion auslösen können.
Der Schlüssel zur effizienten Nutzung der Kernenergie liegt in der Aufrechterhaltung einer kontrollierten Kettenreaktion im Reaktor. Wenn die Neutronen im Reaktorkern eine hohe Geschwindigkeit beibehalten, sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass sie mit anderen Atomen kollidieren.
Dabei übernimmt der Moderator die Aufgabe, die Geschwindigkeit der Neutronen zu reduzieren und so die Leistung des Kernreaktors zu verbessern. Neutronen, die nach einer ersten Spaltungsreaktion freigesetzt werden, bewegen sich mit etwa 10 % der Lichtgeschwindigkeit.
Um einen optimalen Betrieb des Reaktors zu gewährleisten, ist es unerlässlich, diese Geschwindigkeit auf einige Kilometer pro Sekunde zu reduzieren und damit Temperaturen in der Größenordnung von einigen hundert Grad Celsius gleichzusetzen.
Funktion des Kernmoderators im Reaktor
Neutronen bergen aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit eine beträchtliche kinetische Energie. Wenn ein Neutron mit einem Atom des als Moderator bezeichneten Materials kollidiert, wird ein Teil seiner kinetischen Energie auf das Moderatoratom übertragen, was zu einer gleichzeitigen Verringerung der Geschwindigkeit der Neutronen führt.
Die idealen chemischen Elemente des Periodensystems, die als Moderator fungieren, sind solche mit einer geringen Atommasse, wodurch die bei jeder Kollision übertragene Energie maximiert wird. Unter ihnen stechen Wasserstoff, Deuterium (in schwerem Wasser enthalten) und Kohlenstoff hervor.
Die Wirksamkeit des Moderators beruht auf seiner Fähigkeit, die Geschwindigkeit von Neutronen zu verringern, ohne sie zu absorbieren. Um dieses Gleichgewicht zu erreichen, ist es zwingend erforderlich, dass Moderatormaterialien einen geringen effektiven Einfangbereich aufweisen.
Allerdings ist es zu bestimmten Zeitpunkten der Kettenreaktion notwendig, Neutronen einzufangen, um eine präzise Kontrolle zu gewährleisten. Hier kommen die Steuerstäbe ins Spiel, die strategisch die Menge der vorhandenen Neutronen regulieren und so die Kettenreaktion steuern.
Arten von Moderatoren
Es gibt verschiedene Arten von Kernmoderatoren, die in Kernreaktoren eingesetzt werden, um Neutronen zu verlangsamen und eine kontrollierte Kettenreaktion zu ermöglichen. Hier sind einige der häufigsten Typen:
- Leichtes Wasser (H₂O) : Einfaches Wasser, das hauptsächlich aus Wasserstoff- und Sauerstoffatomen besteht, ist ein wirksamer Moderator. In Leichtwasserreaktoren fungiert Wasser sowohl als Moderator als auch als Kühlmittel.
- Schweres Wasser (D₂O) : Deuterium, ein Wasserstoffisotop, ersetzt Wasserstoff in schwerem Wasser. Schwerwasserreaktoren nutzen diese Art von Wasser als Moderator und Kühlmittel. Schweres Wasser ermöglicht die Nutzung von nicht angereichertem Natururan als Brennstoff.
- Graphit : Graphit, eine Form von Kohlenstoff, ist ein weiterer häufiger Moderator. Graphitreaktoren verwenden Graphitblöcke, um Neutronen zu verlangsamen. Dieses Material kann auch als Reflektor fungieren und einige Neutronen zurück zum Kern lenken.
- Leichtwasser und Graphit (RBMK) : Einige Reaktoren, wie der in der ehemaligen Sowjetunion verwendete RBMK-Typ (Leichtwasser- und Graphitreaktoren), kombinieren Leichtwasser und Graphit als Moderatoren. Dieses Design ermöglicht gewisse betriebliche Flexibilitäten.
- Organische Verbindungen : Einige Reaktoren verwenden organische Verbindungen wie Kohlenwasserstoffe als Moderatoren. Diese Materialien bieten effiziente Moderationseigenschaften und können in einigen Fällen das Reaktordesign vereinfachen.
- Feuerfeste Moderatoren : In bestimmten Hochtemperaturreaktoren werden feuerfeste Materialien als Moderatoren verwendet. Diese Materialien wie Berylliumoxid oder Siliziumkarbid können höheren Temperaturen standhalten, ohne ihre Wirksamkeit als Moderatoren zu verlieren.
