Atomkraft

Bei der Kernspaltung wird eine große Menge an thermischer Energie freigesetzt, die die Stromerzeugung aus einer Dampfturbine ermöglicht.

Kernbrennstoff ist in der Regel ein spaltbares Nuklid wie Uran-235, das im Durchschnitt mehr als ein Neutron pro Spaltung erzeugt. Schnelle Neutronen, die bei der Spaltung freigesetzt werden, müssen durch Neutronenmoderatoren abgebremst werden, da thermische Neutronen Kettenreaktionen im spaltbaren Brennstoff am effizientesten in Gang setzen.

Wasser ist ein guter Moderator, da Wasserstoffkerne und Neutronen vergleichbare Größen haben, was dafür sorgt, dass Neutronen bei der Kollision erhebliche kinetische Energie verlieren. Schweres Wasser ist sogar noch besser, da Deuterium bereits ein Neutron besitzt und es unwahrscheinlich ist, dass es ein weiteres absorbiert.

Moderatoren fungieren auch als Neutronenreflektor, um die Neutronen im Kern gleichmäßig zu verteilen.

Da die spontane Spaltung von Uran-235 oder 238 unvorhersehbar ist, wird eine Neutronenquelle in einem Reaktor installiert, um eine kontrollierte Initiierung der Kettenreaktion zu gewährleisten.

Der Status der Kettenreaktion wird durch den Neutronenmultiplikationsfaktor k beschrieben: das Verhältnis der Anzahl der Neutronen, die durch Spaltung in einer Generation erzeugt werden, zu der Anzahl der Neutronen, die durch Spaltung in der vorherigen Generation erzeugt werden.

Wenn k kleiner als 1 ist, ist der Reaktor unterkritisch und die Energieabgabe nimmt ab. Wenn k 1 ist, ist der Reaktor kritisch und die Energieabgabe konstant. Wenn k größer als 1 ist, ist der Reaktor überkritisch und die Energieabgabe nimmt zu.

Die Kettenreaktion wird mit Steuerstäben aus neutronenabsorbierenden Materialien wie Bor oder Cadmium gesteuert. Vollständig eingesetzte Steuerstäbe absorbieren eine große Anzahl von Neutronen, wodurch der Reaktor unterkritisch bleibt. Durch das Zurückziehen der Steuerstäbe kommt es zu immer mehr Spaltungen.

Kühlmittel, wie z. B. Wasser, leitet Wärme vom Reaktorkern weg, um Dampf für die Turbine zu erzeugen. Wenn sich der Reaktor aufheizt, bewegen sich die Neutronen schneller und es ist weniger wahrscheinlich, dass sie Spaltungen verursachen, was dazu beiträgt, eine Überhitzung zu vermeiden.

Der Kern wird durch Materialien wie Wasser und dicke Betonschichten abgeschirmt. Sowohl das Gesamtdesign des Kerns als auch die Containment-Struktur hängen vom jeweiligen Reaktortyp ab.