Wie funktioniert ein Kernreaktor?

Die Spaltung

Trifft ein Neutron mit niedriger Geschwindigkeit auf einen Atomkern des Urans, so wird es absorbiert und der Kern spaltet sich in meist zwei Teile auf. Diese Spaltprodukte fliegen mit großer Geschwindigkeit auseinander. Werden sie abgebremst, so entsteht dabei Wärme. Eben diese Wärme wird in Kernkraftwerken zur Erzeugung von Elektrizität genutzt.

Spaltung von Uran235


Moderator

Bei jeder Kernspaltung entstehen außerdem zwei oder drei schnellfliegende Neutronen. Sollen sie weitere Atomkerne des Urans spalten, so müssen sie abgebremst werden. Als »Bremse« benutzt man in Kernreaktoren einen sogenannten Moderator. Das kann zum Beispiel normales Wasser oder auch Kohlenstoff sein. Der Zusammenstoß der schnellen Neutronen mit den Moderator-Atomen verringert ihre Geschwindigkeit. Um eine Kettenreaktion aufrecht zu erhalten, muß aus jeder Spaltung ein Neutron wiederum einen Atomkern spalten. Nun entstehen aber bei der Spaltung zwei oder drei Neutronen. Das heißt: die überflüssigen Neutronen müssen abgefangen werden. Dazu benutzt man in Kernreaktoren Neutronenfänger, die sogenannten Steuerstäbe.  

Steuerung der Kettenreaktion

Mit den Steuerstäben läßt sich die Kettenreaktion regeln. Je nachdem, wie weit sie aus dem Reaktorkern, in dem die Kettenreaktion stattfindet, herausgezogen werden, stellt sich eine bestimmte Rate von Kernspaltungen ein. Ist diese Rate konstant, so ist der Reaktor »kritisch«: Verbrauch und Gewinn von Neutronen sind im Gleichgewicht. Mit Hilfe der Steuerstäbe kann man die Kettenreaktion auch ganz stoppen, also den Reaktor abschalten. Die Steuerstäbe brauchen nur ein kleines Stück in den Reaktorkern eingefahren zu werden, um die Kettenreaktion wieder zu unterbrechen. Zu einer explosionsartigen Kettenreaktion kann es aus grundsätzlichen physikalischen Bedingungen in einem Reaktor wie dem am HZB nicht kommen.

Ein Forschungsreaktor ist so aufgebaut, daß neben den Neutronen, die zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion benötigt werden, möglichst viele für physikalische und chemische Untersuchungen zur Verfügung stehen. Deshalb wird hier ein Teil der Neutronen durch Strahlrohre zu verschiedenen Experimentierplätzen geleitet. Die bei der Kettenreaktion entstehende Wärme ist bei einem Kernkraftwerk das erwünschte Produkt. Anders bei einem Forschungsreaktor: hier interessieren nur die Neutronen. Die Wärme ist ein Abfallprodukt. Die Kühlung des Forschungsreaktors am HZB erfolgt durch Wasser.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß jeder Kernreaktor fünf wesentliche Komponenten hat:

  • den Brennstoff, das Uran, das in der Regel in stab- oder plattenförmigen Brennelementen eingeschlossen ist,
  • den Moderator, der die Brennelemente umgibt,
  • die Steuerstäbe, welche je nach ihrer Stellung eine gewünschte Zahl von freien Neutronen einfangen und so die Intensität der Kettenreaktion regeln,
  • die Kühlung, die für den Abtransport der bei der Kernspaltung entstehenden Wärme sorgt,
  • die äußere Strahlenabschirmung, welche die entweichende Strahlung absorbiert.

Wie ist der HZB-Forschungsreaktor aufgebaut?