Kernreaktionen und -reaktoren

1. Kernspaltung

 
1. Grundlagen


²³⁵U absorbiert thermische Neutronen. Dabei werden 6,8MeV Bindungsenergie frei. Dies ist mehr, als die 6,5MeV, die zur Spaltung notwendig sind. Von dem Zeitpunkt der Absorption des Neutrons bis zur Spaltung vergehen ca. 10^-14s.

Im Durchschnitt wird bei der Spaltung eine Energie von ca. 200MeV frei. Etwa 160MeV werden als kinetische Energie auf die Spaltbruchstücke übertragen. Bei ihrer Abbremsung Brennelement wird Wärme erzeugt, die technisch nutzbar ist.

Die entstehenden Spaltprodukte können die verschiedensten Nuklide sein. Alle entstehenden Spaltkerne sind b--Strahler wegen des großen Neutronen-Überschusses. Aus dem gleichen Grund werden bei der Spaltungsreaktion Neutronen emittiert (im Mittel 2,43 schnelle Neutronen).

Werden diese schnellen Neutronen auf thermische Geschwindigkeit abgebremst, so ist eine Kettenreaktion möglich:

Durch geeignete Maßnahmen (Geometrie der Anordnung, Moderation) wird die Anzahl der verwertbaren Neutronen und somit die Kettenreaktion kontrolliert.
 
2. Problematik


Natürliches Uran besteht zu 99,3% aus ²³⁸U und nur zu 0,7% aus dem, für die Kettenreaktion notwendigen ²³⁵U. Die beiden Uran-Isotope haben für Neutronen unterschiedlicher Geschwindigkeit unterschiedliche Wirkungs- bzw. Einfangquerschnitte. So fängt 235U bevorzugt thermische (langsame) Neutronen  ein. Die dabei freiwerdende Bindungsenergie führt zur Spaltung. ²³⁸U fängt dagegen hauptsächlich mittelschnelle Neutronen ein. Dabei wird lediglich eine Energie von 5,5MeV frei, die nicht zur Spaltung ausreicht. Dazu wären 7MeV nötig.

Das bedeutet, daß die, bei der Spaltung entstandenen, schnellen Neutronen hauptsächlich von ²³⁸U eingefangen werden und somit für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion verloren sind. Mit normalem Uran kann die Kettenreaktion also nur in Gang gesetzt werden, falls die schnellen Neutronen abgebremst werden (Fermi) damit sie von ²³⁵U eingefangen werden können. Man spricht von Moderation.

Sie erfolgt durch den Einsatz von sogenannten Moderatoren, in denen die Neutronen durch elastische Stöße mit den Kernen der Moderatorsubstanz verlangsamt werden. Das Uran ist im Moderator verteilt und die einzelnen Brennelemente sind so klein, daß die Neutronen das Uran verlassen haben, bevor ein Einfang durch ²³⁸U erfolgt ist (heterogene Anordnung).



Mögliche Moderatorsubstanzen sind reiner Graphit, schweres Wasser und u.U. auch normales Wasser (hier ist aber n-Einfang zu D2O zu berücksichtigen).

Da immer Neutronen aus dem Reaktor entweichen, muß eine kritische Größe erreicht werden, da ja im Mittel wenigstens eines der entstehenden Neutronen wieder eine Spaltung herbeiführen muß.

Die Betriebsdauer eines Kernreaktors wird beeinflußt durch

 
1. Entnommene Energie
2. Erzeugung von neuem Brennstoff aus brütbarem Material
3. Erzeugung von Spaltprodukten mit hohem Wirkungsquerschnitt für Neutroneneinfang ("Vergiftung des Reaktors")
3. Reaktorsysteme


Die Gliederung erfolgt nach der Art des Moderators, des Brennstoffes und der Wärmeübertragung.
 

1. Gasgekühlter Reaktor mit Graphit-Moderator (Fermi 1942)


Der Wärmeüberträger war CO2, der Brennstoff natürliches Uran.
 

2. Druckwasserreaktor


Moderator und Wärmeüberträger bestehen aus normalem Wasser unter so hohem Druck, daß Sieden verhindert wird.

Der Brennstoff muß angereichertes Uran (²³⁵U > 0,7%) sein, da die Neutronen-Absorption in H2O größer ist als in Graphit. Das Uran liegt als U2O in keramischer Form vor, da sonst eine heftige chemische Reaktion mit Wasser einsetzt.
 

3. Siedewasserreaktor


Wie beim Druckwasserreaktor, aber das eingesetzte Wasser siedet. Zum Wärmeaustausch wird der Wasserdampf eingesetzt. Der Unglücksreaktor von Tschernobyl war von diesem Typ.
 

4. Natriumgekühlter Reaktor mit Graphitmoderator


Natrium wird als Wärmeüberträger (gute Übertragung bei kleinem Druck) verwendet.

Der Brennstoff ist leicht angereichertes Uran, der Moderator Graphit.

Ein solcher Reaktor ist wärmetechnisch sehr gut. Da aber Natrium sehr heftig mit Wasser (äußerer Wärmetauscher) reagiert und bei Neutronen-Bestrahlung selbst sehr stark radioaktiv wird, ist die Gefahr bei Betriebsstörungen sehr groß.

Solche Reaktoren sind sehr kompakt zu bauen, und werden deshalb bevorzugt auf Schiffen eingesetzt.
 

5. schnelle Brüter


In den sogenannten Brutreaktoren soll mit Hilfe der starken Neutronenstrahlung bei der Spaltungsreaktion aus dem nicht verwertbaren ²³⁸U das spaltbare ²³⁹Pu "erbrütet" werden:



Brutreaktoren besitzen keine Moderatoren, da die freiwerdenden Neutronen für den Brutprozeß benötigt werden. Sie sind daher sehr schwer steuerbar. Meines Wissens nach ist noch kein "schneller Brüter" zufriedenstellend gelaufen.
 

4. Kernspaltungsbomben


Eine solche Bombe besteht im Gegensatz zur heterogenen Anordnung eines Reaktors aus zwei Mengen homogen angeordneten, spaltbaren Materials. Jede einzelne Menge ist von einer so geringen Masse, daß aufgrund der mittleren freien Weglänge soviele Neutronen entweichen, daß keine Kettenreaktion in Gang gesetzt wird (unterkritische Massen). Bei der Zündung der Bombe werden diese beiden unterkritischen Massen möglichst schnell vereinigt (z.B. durch Zündung einer chemischen Explosion), so daß die kritische Masse überschritten wird und eine Kettenreaktion spontan einsetzt.
 

2. Kernfusion

 
1. Grundlagen


Aus der graphischen Darstellung der Bindungsenergie pro Nukleon ergibt sich, daß die Verschmelzung leichter Kerne ebenfalls Energie liefert. Am günstigsten sind Reaktionen, die  mit seiner besonders hohen Bindungsenergie ergeben.

Mögliche technisch auszuwertende Reaktionen sind:

und 

Die dabei entstehenden Neutronen können evtl. durch Reaktion mit eingebrachtem Lithium zum Erbrüten von Tritium weiterverwendet werden:



Damit diese Reaktionen ablaufen können, müssen die Reaktionspartner so große kinetische Energien, d.h. so große Geschwindigkeiten besitzen, daß die Coulomb-Abstoßung überwunden werden kann. Nur so können sich die Reaktionspartner nahe genug kommen, damit die Kernkräfte wirksam werden. Das Problem besteht also darin, ein geeignetes Gasgemisch ausreichender Dichte während genügend langer Zeit auf so hoher Temperatur zu halten, daß die thermonukleare Energieproduktion trotz der auftretenden Energieverluste weiterläuft.
 

2. Fusionsbomben


Bei den sogenannten Wasserstoffbomben werden die nötigen Bedingungen durch die Zündung einer Kernspaltungsreaktion erzeugt. Innerhalb dieser Explosion werden Bedingungen geschaffen, die zur Kernverschmelzung des zugefügten Wasserstoffs führen.
 

3. Versuchsanordnungen zur kontrollierten Fusion


Die technische Nutzung künstlich ausgelöster Fusionsprozesse ist schwierig. Trotz intensiver Bemühungen ist es noch nicht gelungen, die Bedingungen für technisch nutzbare, kontrollierte Fusionsprozesse zu schaffen.

Beim TOKAMAK-Prinzip wird versucht, eine gewisse Menge ionisiertes Gas durch starke Magnetfelder (supraleitender Spulen!) so einzuschließen und zu verdichten, daß im Inneren des eingeschlossenen Plasmas die nötigen Bedingungen für eine Fusionsreaktion geschaffen werden. Erzielt wurden dabei vielversprechende Ergebnisse, ein wirtschaftlicher Einsatz ist aber bis auf absehbare Zeit noch nicht in Sicht.

Ein anderer Ansatz versucht das Gebiet thermonuklearen Brennens dadurch zu erreichen, daß kleine Kügelchen, die ein Deuterium-Tritium-Gemisch enthalten, durch einen Laser-Strahl sehr hoher Energiedichte so schnell auf die nötige Temperatur aufzuheizen, daß die Fusionsreaktion erfolgt, bevor das Gemisch Zeit hatte, thermisch zu expandieren.

Für die Entwicklung eines Fusionsreaktors sprechen die folgenden Vorteile gegenüber einem Spaltungsreaktor:
 

1. Keine extrem langlebigen Abfallprodukte
2. Möglichkeit der direkten Umwandlung in elektrische Energie ohne den Umweg über ein Wärmekraftwerk (siehe MHD-Generator, 1. Kurshalbjahr)
3. Kein unkontrollierbarer Leistungsanstieg möglich

 
Allerdings werden auch im Fusionsreaktor durch die harte Neutronenstrahlung radioaktive Abfallprodukte erzeugt. Das erbrütete Tritium ist aufgrund seines Aggregatzustandes problematisch.
 
4. Stellare Fusion


Wenn ein kontinuierlicher Fusionsprozeß aufrechterhalten werden soll, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein. Es muß nämlich erstens die kinetische Energie der Reaktionspartner groß genug sein, um eine hinreichende Wahrscheinlichkeit für das Durchdringen des Coulombwalles sicherzustellen. Dies ist bei ganz leichten Kernen der Fall bei Energien oberhalb 1keV, entsprechend Temperaturen von mehr als 10⁷K (1keV entspricht 1,2·10⁷K). Bei diesen Temperaturen sind leichte Atome vollständig ionisiert, sie bilden ein Plasma. Die zweite Bedingung ist, daß die Dichte der Materie bei diesen Temperaturen groß genug sein muß, um eine Reaktionsrate zu erzeugen, die nicht nur die Temperatur aufrecht erhält, sondern einen Überschuß an Energie liefert. Diese Bedingungen sind im Sonneninneren erfüllt, wo bei einer Dichte von etwa 100 g/cm³ eine Temperatur von 1,5·10⁷K herrscht.
 

1. pp-Prozeß


Ausgangspunkt ist die Verschmelzung zweier Protonen zu einem Deuteriumnuklid:



Der Prozeß setzt sich über verschiedene Reaktionsketten fort:





Endprodukt dieser Prozesse ist in jedem Fall  (Energien zuzüglich Neutrinoverluste in Klammern).
 
2. CNO-Zyklus (H. Bethe)


Neben dem pp-Prozeß gibt es in der Sonne den katalytisch verlaufenden CNO-Zyklus, der bei Temperaturen oberhalb 1,5·10⁷K wichtig wird. Bei diesem Prozess dienen die an der Reaktion beteiligten C,N,O-Kerne als "Katalysator" bei der Verbrennung von Wasserstoff zu Helium.

Es gibt einen Haupt- und einen Nebenzyklus:



Beim Hauptzyklus wird eine Energie von 25,03MeV frei, beim Nebenzyklus 27,74MeV (plus 1,69MeV, bzw. 1,98MeV Neutrinoverluste).
 

3. Höhere Fusionsprozesse


Bei der weiteren Entwicklung eines Sternes ist irgendwann der Wasserstoffvorat verbraucht. Die beim "Wasserstoffbrennen" enstandene "Heliumasche" kann durch weitere Fusionsprozesse zu schwereren Elementen verschmolzen werden:
 

1. 3a-Prozeß (Heliumbrennen) bei Temperaturen um 10⁸K




Der Energiegewinn beträgt ca. 7,3MeV pro -Kern.

Dieser Prozeß (Verschmelzen mit a-Teilchen) kann weitergehen:



evtl.:
2. Kohlenstoffbrennen bei Temperaturen um 10⁹K




Weitere Kernprozesse finden mit abnehmender Energieausbeute maximal bis zur Eisengruppe statt. Energiegewinn kann nur bei der Verschmelzung von Kernen mit einer Nukleonenzahl unter 56 erzielt werden. Elemente höherer Nukleonenzahlen entstehen durch Neutroneneinfang.