Kernreaktor: Kernspaltung als Kettenreaktion

Kernreaktor: Kernspaltung als Kettenreaktion

 

Im Jahre 1938 entdeckten Otto Hahn und Fritz Straßmann, dass Urankerne von langsamen Neutronen gespalten werden können. Lise Meitner erklärte den Vorgang 1939 theoretisch. Sie stellte fest, dass bei der Spaltung (»Fission«) weitere Neutronen entstehen, dass es also zu einer Kettenreaktion kommen kann, und berechnete die frei werdende Energie. Die technische Umsetzung gelang Enrico Fermi, der im Dezember 1942 mit seiner Arbeitsgruppe bei Chicago den ersten Kernreaktor in Betrieb nahm.

 

 Spaltstoffe und Brutstoffe

 

Alle schweren und mittelschweren Atomkerne sind durch Kollision mit langsamen (abgebremsten) Neutronen spaltbar. Doch verhalten sich dabei nicht alle gleich. Einen entscheidenden Unterschied zeigen die Uran-Isotope 233 und 235 (U-233, U-235) ebenso wie die Plutonium-Isotope 239 und 241 (Pu-239, Pu-241). Während nämlich andere Kerne nur ein Neutron freisetzen oder auch gar keines, emittieren diese gleich zwei oder drei »schnelle Neutronen«. Nur so kann überhaupt eine Kettenreaktion in Gang kommen. Deshalb sind allein diese Kerne als Brennstoffe für Kernreaktoren geeignet. Man nennt sie Spaltstoffe, im Unterschied zu Brutstoffen wie Thorium-232 (Th-232) und Uran-238 (U-238), die sich durch Einfang schneller (unabgebremster) Neutronen in Spaltstoffe umwandeln können. Technisch lässt sich das in Brutreaktoren nutzen.

 

Kernbrennstoffe zerfallen bei der Spaltung in (meist zwei) leichtere Folgekerne. Gleichzeitig setzt das Spaltmaterial Neutronen (Spaltneutronen) frei: entweder sofort als prompte Neutronen oder nach wenigen Sekunden als verzögerte Neutronen. Die verzögerten Neutronen spielen für die Reaktorregelung eine wichtige Rolle. Die Masse der Spaltprodukte ist immer etwas kleiner als die Masse des Ausgangskerns. Dieser Massedefekt entspricht der Energie, die bei der Spaltung entsteht.

 

 Thermische und schnelle Reaktoren

 

Das Prinzip der Wärmeerzeugung durch Kernenergie nutzt man in Kernkraftwerken aus, deren zentrale Komponente der Reaktor ist. In ihm ist es möglich, eine Kettenreaktion in Gang zu setzen und kontrolliert aufrechtzuerhalten. Ein Reaktor besteht aus der Spaltzone, die den Kernbrennstoff enthält, aus einer Abschirmung und Regeleinrichtungen. Bestimmte Typen haben auch einen Moderator zum Abbremsen von schnellen Neutronen. Hierfür wird z. B. leichtes oder schweres Wasser verwendet, aber auch Graphit. Während der Moderierung geben die energiereichen Neutronen ihre Bewegungsenergie von etwa 1 MeV aus der Kernspaltung durch Stöße bis auf einen Wert von rund 0,025 eV ab. Die abgebremsten Neutronen können dann viel länger mit den U-235-Kernen in Wechselwirkung treten und die Wahrscheinlichkeit ihres Einfangs und somit einer Spaltung steigt. Grundsätzlich unterscheidet man demzufolge zwischen thermischen und schnellen Reaktoren.

 

Bei den ersten wird die Kettenreaktion durch die abgebremsten, d. h. thermischen Neutronen aufrechterhalten. Der Name rührt daher, weil sie im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung stehen; bei Raumtemperatur haben sie eine Energie von etwa 0,025 eV (entsprechend einer Geschwindigkeit von 2200 m/s). Bei schnellen Reaktoren hingegen sind es schnelle Neutronen, die die Kettenreaktion tragen. Diese Reaktoren haben keinen Moderator. Das unterscheidet sie von den thermischen, die im Betrieb nach Anzahl und Leistung weit überwiegen.

 

 Leichtwasserreaktoren

 

Alle Reaktoren, die mit leichtem Wasser (H₂O) statt mit schwerem (D₂O) moderiert und gekühlt sind, nennt man Leichtwasserreaktoren. Sie sind die meistverbreiteten Typen im praktischen Einsatz. Der Reaktorkern aus Brenn- und Steuerelementen wird hier von einem Stahldruckbehälter umfasst, der mit Wasser gefüllt ist. Dieses nimmt die Wärme auf, die während der Spaltung entsteht. Handelt es sich um einen Siedewasserreaktor, so verdampft das Wasser unmittelbar im Druckbehälter. Bei einer Auslegung als Druckwasserreaktor findet dieser Vorgang erst im Dampferzeuger eines zweiten Kreislaufs statt. Der entstehende Dampf dient dazu, eine Turbine anzutreiben.

 

 Brutreaktoren

 

Brutreaktoren können mehr Spaltstoff erzeugen, als sie verbrauchen. Hierzu gehört der Schnelle Brutreaktor (»Schneller Brüter«), bei dem schnelle Neutronen die Kettenreaktion tragen. Durch Neutroneneinfang wandelt sich der Brutstoff U-238 in den Spaltstoff Pu-239 um. Da dieser Typ schnelle Neutronen zum Aufrechterhalten des Brutprozesses benötigt, scheidet Wasser als Kühlmittel aus, weil es die Neutronen zu stark abbremst. Stattdessen verwendet man Natrium, das oberhalb von 97 ºC flüssig wird. Schnelle Brüter können das Uran um einen Faktor 60 besser ausnutzen als konventionelle Leichtwasserreaktoren.