Von Nick Touran, Ph.D.
Der Moderator eines Kernreaktors ist eine Substanz, die Neutronen verlangsamt. In herkömmlichen Kernreaktoren ist der Moderator dasselbe wie das Kühlmittel: Es ist Wasser! Wenn schnelle Neutronen auf die Wasserstoffatome in H2O treffen, verlangsamen sie sich stark (wie eine Billardkugel, die auf eine andere trifft). Es gibt andere gute Moderatoren wie Graphit, Beryllium und mehr.
Warum moderat?
Wenn ein ankommendes Neutron den Kern eines Atoms spaltet, werden andere Neutronen mit sehr hoher Geschwindigkeit freigesetzt. Wenn mindestens eines (im Durchschnitt) dieser Neutronen dazu gebracht werden kann, ein anderes Brennstoffatom zu spalten, ist eine anhaltende Kettenreaktion möglich. Zufällig absorbieren Brennstoffatome (wie Uran) eher ein vorbeifliegendes Neutron, wenn es langsam wird (siehe Abbildung 1). Daher verwenden viele Reaktordesigns Moderatoren, um eine Kettenreaktion leichter zu erreichen.
Abbildung 1 Die Wahrscheinlichkeit der Spaltung eines U235-Kerns vs. die Energie des einfallenden Neutrons. Beachten Sie, wie viel wahrscheinlicher die Spaltung für langsamere Neutronen ist. Beachten Sie auch die logarithmische Skala.
Auswahl eines Moderatormaterials
Einige Materialien verlangsamen Neutronen besser als andere. Energieerhaltungs- und Impulsgesetze erklären, dass ein Neutron (Masse 1) nach einer Kollision mit einem schweren Kern wie einem Brennstoffatom (Masse 235) nicht viel langsamer werden kann. Bei einer Kollision mit Wasserstoff (Masse 1) kann ein Neutron jedoch sehr weit verlangsamen. Stellen Sie sich einen Tischtennisball vor, der von einer Bowlingkugel abprallt, im Gegensatz zu demselben Tischtennisball, der mit einem anderen Tischtennisball kollidiert. Natürlich wird der Tischtennisball die Dinge besser verlangsamen. Welches Material enthält also viele leichte Elemente wie Wasserstoff und ist ein guter Moderator? Das gute alte H2O macht den Trick und gibt Leichtwasserreaktoren den Namen.
Warum sind Moderator und Treibstoff getrennt?
Sie könnten Ihren Moderator und Kraftstoff zusammen mischen, aber es ist viel besser, sie getrennt zu halten. Neutronen können parasitär vom Brennstoff absorbiert werden, da sie sich in Reaktionen verlangsamen, die mit der Spaltung konkurrieren. Wenn Sie also ein schnelles Neutron in den Moderator bewegen können, wo es „in Frieden“ langsamer wird, d. H. Wo es keine starken Neutronenabsorber gibt, und es dann als langsames Neutron wieder in den Brennstoff eintreten lässt, wo die Wahrscheinlichkeit der Spaltung extrem hoch ist, dann wird es einfacher sein, Ihre Kettenreaktion zum Laufen zu bringen. Diese Tatsache war im ersten Reaktor, CP-1, erforderlich, der natürliches Uran verwendete, da es in den frühen 1940er Jahren kein angereichertes Uran gab.
Was ist ein thermischer vs. Schneller Reaktor?
Thermische Neutronen haben Moderatoren, die es vielen Neutronen ermöglichen, sich auf thermische Energien zu verlangsamen (dh die Geschwindigkeit, mit der Atome aufgrund ihrer Temperatur in den umgebenden Materialien schwingen), während schnelle Reaktoren keinen Moderator haben und ihre Neutronen bei hohen Energien bleiben (dh sie bewegen sich schnell).
- Schnelle Reaktoren
- Ausgewertete Kerndatendatei 7