Kernspaltung - Kettenreaktion

Forschungsreaktoren, wie der BER II des Helmholtz-Zentrum Berlin, nutzen die Spaltung der Atomkerne des Uran-Isotops mit der Masse 235 (die Zahl der Protonen beträgt Z = 92 und die der Neutronen N = 143, geschrieben 235U). Bei der Spaltung entstehen, wie in obigem Bild dargestellt, zwei etwa halb so große Bruchstücke ("Spaltfragmente") sowie freie Neutronen (ca. 2,4 pro Spaltung) mit kinetischen Energien von mehr als 1 MeV. Das Isotop 235U ist mit einem Anteil von ca. 0,7% im Natururan nur selten vorhanden, die übrigen 99,3% bildet das Isotop 238U. Um als Kernbrennstoff in Forschungsreaktoren nutzbar zu sein, wird der 235U-Anteil in einem komplizierten Prozess auf eine Konzentration von etwa 20% erhöht (angereichert); der Rest besteht wieder aus dem Isotop 238U. Dabei wird Kernbrennstoff mit weniger als 20% 235U-Gehalt als LEU (engl. für low-enriched uranium, niedrig angereichertes Uran), und mit mehr als 20% als HEU (engl. für high-enriched uranium, hoch angereichertes Uran) bezeichnet. Durch Einfangreaktionen am Uran-Isotop 238U entstehen einige langlebige radioaktive Reaktionsprodukte, u.a. Neptunium und Plutonium; sie sind Bestandteile des sog. Atommülls.

Da bei jeder Kernspaltung Energie frei wird, die im wesentlichen in der Bewegungsenergie der Spaltfragmente steckt, müssen Reaktoren gekühlt werden. Die thermische Leistung (Abwärme) der Forschungsreaktoren dient zur Einordnung ihrer Leistungsfähigkeit. Der tatsächlich den Forschern zur Verfügung stehende Neutronenfluss hängt neben der thermischen Leistung vom Anreicherungsgrad des im Natururan selten vorkommenden Isotops 235U und der Geometrie des Reaktorkerns ab. Zur weiteren Steigerung der Effizienz der Forschungsreaktoren, wird der Kern mit einem reflektierenden Material, einer Schicht von etwa 30 cm Beryllium, umgeben. An diesem Reflektor beginnen die Strahlrohre, die die Neutronen aus dem Reaktorkern heraus zu den verschiedenen Experimentierplätzen leiten.

Der Forschungsreaktor BER II des Helmholtz-Zentrum Berlin erreicht bei 10 MW thermischer Leistung eine Neutronenflussdichte (gemessen in der Nähe des Kerns) von ca. 1 - 2·1014 Neutronen/s·cm2; dabei werden pro Jahr ca. 2,75 kg Uran (235U) "verbrannt". Der stärkste europäische Forschungsreaktor steht in Grenoble/Frankreich am Institut Laue-Langevin. Hier wird bei 60 MW thermischer Leistung eine Flussdichte von etwa 1015 Neutronen/s·cm2 erreicht.

Forschungsreaktoren