Nukleare Kettenreaktion -Nuclear chain reaction

Eine mögliche Kernspaltungs -Kettenreaktion:
1) Ein Uran-235- Atom absorbiert ein Neutron und spaltet sich in zwei (Spaltfragmente), wodurch drei neue Neutronen und eine große Menge an Bindungsenergie freigesetzt werden .
2) Eines dieser Neutronen wird von einem Uran-238- Atom absorbiert und setzt die Reaktion nicht fort. Ein weiteres Neutron verlässt das System ohne absorbiert zu werden. Ein Neutron kollidiert jedoch mit einem Uran-235-Atom, das dann spaltet und zwei Neutronen und mehr Bindungsenergie freisetzt.
3) Diese beiden Neutronen kollidieren mit Uran-235-Atomen, die jeweils spalten und einige Neutronen freisetzen, die dann die Reaktion fortsetzen können.

In der Kernphysik tritt eine nukleare Kettenreaktion auf, wenn eine einzelne Kernreaktion im Durchschnitt eine oder mehrere nachfolgende Kernreaktionen verursacht, was zu der Möglichkeit einer sich selbst ausbreitenden Reihe dieser Reaktionen führt. Die spezifische Kernreaktion kann die Spaltung schwerer Isotope sein (z. B. Uran-235 , 235 U). Eine nukleare Kettenreaktion setzt mehrere Millionen Mal mehr Energie pro Reaktion frei als jede chemische Reaktion .

Geschichte

Chemische Kettenreaktionen wurden erstmals 1913 vom deutschen Chemiker Max Bodenstein vorgeschlagen und waren einigermaßen gut verstanden, bevor nukleare Kettenreaktionen vorgeschlagen wurden. Es wurde verstanden, dass chemische Kettenreaktionen für exponentiell ansteigende Reaktionsgeschwindigkeiten verantwortlich sind, wie sie beispielsweise bei chemischen Explosionen erzeugt werden.

Das Konzept einer nuklearen Kettenreaktion wurde Berichten zufolge erstmals am 12. September 1933 vom ungarischen Wissenschaftler Leó Szilárd vermutet. Szilárd hatte an diesem Morgen in einer Londoner Zeitung von einem Experiment gelesen, bei dem Protonen aus einem Beschleuniger verwendet worden waren, um Lithium-7 zu spalten Alpha-Teilchen und die Tatsache, dass durch die Reaktion viel mehr Energie erzeugt wurde als das gelieferte Proton. Ernest Rutherford kommentierte in dem Artikel, dass Ineffizienzen im Prozess die Verwendung zur Stromerzeugung ausschlossen. Das Neutron war jedoch kurz zuvor von James Chadwick als Produkt einer Kernreaktion entdeckt worden. Szilárd, der als Ingenieur und Physiker ausgebildet worden war, fügte die beiden nuklearen experimentellen Ergebnisse in seinem Kopf zusammen und erkannte, dass, wenn eine Kernreaktion Neutronen erzeugte, die dann weitere ähnliche Kernreaktionen verursachten, der Prozess eine sich selbst erhaltende nukleare Kette sein könnte -Reaktion, die spontan neue Isotope und Energie erzeugt, ohne dass Protonen oder ein Beschleuniger benötigt werden. Szilárd schlug jedoch keine Spaltung als Mechanismus für seine Kettenreaktion vor, da die Spaltreaktion noch nicht entdeckt oder auch nur vermutet wurde. Stattdessen schlug Szilárd vor, Mischungen aus leichteren bekannten Isotopen zu verwenden, die Neutronen in reichlichen Mengen produzierten. Im folgenden Jahr meldete er seine Idee eines einfachen Kernreaktors zum Patent an.

1936 versuchte Szilárd, eine Kettenreaktion mit Beryllium und Indium zu erzeugen , war jedoch erfolglos. Die Kernspaltung wurde im Dezember 1938 von Otto Hahn und Fritz Strassmann entdeckt und im Januar 1939 von Lise Meitner und ihrem Neffen Otto Robert Frisch theoretisch erklärt . In ihrer zweiten Veröffentlichung zur Kernspaltung im Februar 1939 verwendeten Hahn und Strassmann erstmals den Begriff Uranspaltung und sagten die Existenz und Freisetzung zusätzlicher Neutronen während des Spaltungsprozesses voraus und eröffneten damit die Möglichkeit einer nuklearen Kette Reaktion.

Einige Monate später suchten und entdeckten Frédéric Joliot-Curie , H. von Halban und L. Kowarski in Paris die Neutronenvervielfachung im Uran und bewiesen, dass eine nukleare Kettenreaktion durch diesen Mechanismus tatsächlich möglich war.

Am 4. Mai 1939 reichten Joliot-Curie, Halban und Kowarski drei Patente ein. Die ersten beiden beschrieben die Stromerzeugung aus einer nuklearen Kettenreaktion, das letzte namens Perfectionnement aux charges explosives war das erste Patent für die Atombombe und wurde als Patent Nr. 445686 von der Caisse nationale de Recherche Scientifique eingereicht .

Parallel dazu machten Szilárd und Enrico Fermi in New York dieselbe Analyse. Diese Entdeckung veranlasste den von Albert Einstein unterzeichneten Brief von Szilárd an Präsident Franklin D. Roosevelt , der vor der Möglichkeit warnte, dass Nazi-Deutschland versuchen könnte, eine Atombombe zu bauen .

Am 2. Dezember 1942 erzeugte ein Team unter der Leitung von Fermi (einschließlich Szilárd) die erste künstliche selbsterhaltende nukleare Kettenreaktion mit dem Experimentalreaktor Chicago Pile-1 (CP-1) auf einem Schlägerplatz unter den Tribünen von Stagg Field die Universität von Chicago . Fermis Experimente an der University of Chicago waren Teil von Arthur H. Comptons Metallurgical Laboratory of the Manhattan Project ; Das Labor wurde später in Argonne National Laboratory umbenannt und mit der Durchführung von Forschungsarbeiten zur Nutzung der Spaltung für die Kernenergie beauftragt.

1956 postulierte Paul Kuroda von der University of Arkansas , dass ein natürlicher Kernspaltungsreaktor einmal existiert haben könnte. Da nukleare Kettenreaktionen möglicherweise nur natürliche Materialien erfordern (wie Wasser und Uran, wenn das Uran ausreichende Mengen an 235 U enthält), war es möglich, dass diese Kettenreaktionen in der fernen Vergangenheit ablaufen, als die Uran-235-Konzentrationen höher waren als heute. und wo es die richtige Kombination von Materialien innerhalb der Erdkruste gab.235
U
machte in der geologischen Vergangenheit aufgrund der unterschiedlichen Halbwertszeit der Isotope einen größeren Anteil des Urans auf der Erde aus235
U
und238
U
, ersterer zerfällt fast eine Größenordnung schneller als letzterer. Kurodas Vorhersage wurde durch die Entdeckung von Beweisen für natürliche selbsterhaltende nukleare Kettenreaktionen in der Vergangenheit in Oklo in Gabun im September 1972 bestätigt. Um eine nukleare Spaltungskettenreaktion bei den gegenwärtigen Isotopenverhältnissen in natürlichem Uran auf der Erde aufrechtzuerhalten, wäre das Vorhandensein von a erforderlich Neutronenmoderator wie schweres Wasser oder hochreiner Kohlenstoff (z. B. Graphit) in Abwesenheit von Neutronengiften , was noch unwahrscheinlicher durch natürliche geologische Prozesse entsteht als die Bedingungen bei Oklo vor etwa zwei Milliarden Jahren.

Spaltungskettenreaktion

Spaltkettenreaktionen treten aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Neutronen und spaltbaren Isotopen (z. B. 235 U) auf. Die Kettenreaktion erfordert sowohl die Freisetzung von Neutronen aus spaltbaren Isotopen, die einer Kernspaltung unterliegen, als auch die anschließende Absorption einiger dieser Neutronen in spaltbaren Isotopen. Wenn ein Atom einer Kernspaltung unterzogen wird, werden einige wenige Neutronen (die genaue Anzahl hängt von unkontrollierbaren und nicht messbaren Faktoren ab; die erwartete Anzahl hängt von mehreren Faktoren ab, normalerweise zwischen 2,5 und 3,0) aus der Reaktion ausgestoßen. Diese freien Neutronen interagieren dann mit dem umgebenden Medium, und wenn mehr spaltbarer Brennstoff vorhanden ist, können einige absorbiert werden und mehr Spaltungen verursachen. Somit wiederholt sich der Zyklus, um eine Reaktion zu ergeben, die selbsterhaltend ist.

Kernkraftwerke arbeiten, indem sie die Geschwindigkeit, mit der Kernreaktionen stattfinden, genau steuern. Atomwaffen hingegen sind speziell darauf ausgelegt, eine Reaktion hervorzurufen, die so schnell und intensiv ist, dass sie nach ihrem Start nicht mehr kontrolliert werden kann. Bei richtiger Konstruktion führt diese unkontrollierte Reaktion zu einer explosiven Energiefreisetzung.

Kernspaltungsbrennstoff

Kernwaffen verwenden hochqualitativen, stark angereicherten Brennstoff, der die kritische Größe und Geometrie ( kritische Masse ) überschreitet, die erforderlich ist, um eine explosive Kettenreaktion zu erreichen. Der Brennstoff für Energiezwecke, beispielsweise in einem Kernspaltungsreaktor, ist sehr unterschiedlich und besteht normalerweise aus einem gering angereicherten Oxidmaterial (z. B. UO 2 ). Es gibt zwei primäre Isotope, die für Spaltungsreaktionen in Kernreaktoren verwendet werden. Das erste und häufigste ist U-235 oder Uran-235. Dies ist das spaltbare Uranisotop und macht etwa 0,7 % des gesamten natürlich vorkommenden Urans aus. Aufgrund der geringen vorhandenen Menge an Uran-235 gilt es als nicht erneuerbare Energiequelle, obwohl es in Gesteinsformationen auf der ganzen Welt vorkommt. U-235 kann in seiner Grundform nicht als Brennstoff zur Energieerzeugung verwendet werden. Es muss einem als Raffination bekannten Prozess unterzogen werden, um die Verbindung UO 2 oder Urandioxid herzustellen. Das Urandioxid wird dann gepresst und zu Keramikpellets geformt, die anschließend in Brennstäbe eingebracht werden können. Dann kann die Verbindung Urandioxid für die Kernstromerzeugung genutzt werden. Das zweithäufigste bei der Kernspaltung verwendete Isotop ist Pu-239 oder Plutonium-239. Dies liegt an seiner Fähigkeit, durch langsame Neutronenwechselwirkung spaltbar zu werden. Dieses Isotop wird in Kernreaktoren gebildet, indem U-238 den Neutronen ausgesetzt wird, die vom radioaktiven Isotop U-235 freigesetzt werden. Dieser Neutroneneinfang verursacht einen Beta-Teilchenzerfall, der es U-238 ermöglicht, sich in Pu-239 umzuwandeln. Plutonium wurde einst natürlich in der Erdkruste gefunden, aber es sind nur noch Spuren vorhanden. Nur durch das Neutroneneinfangverfahren ist es in großen Mengen für die Energiegewinnung zugänglich. Ein weiterer vorgeschlagener Brennstoff für Kernreaktoren, der jedoch ab 2021 keine kommerzielle Rolle mehr spielt, ist233
U
, das durch Neutroneneinfang und anschließende Beta-Zerfälle aus natürlichem Thorium „gezüchtet“ wird, das fast zu 100 % aus dem Isotop Thorium-232 besteht . Dies wird als Thorium-Brennstoffkreislauf bezeichnet .

Anreicherungsprozess

Das spaltbare Isotop Uran-235 ist in seiner natürlichen Konzentration für die allermeisten Kernreaktoren ungeeignet. Um für den Einsatz als Brennstoff in der Energieerzeugung aufbereitet zu werden, muss es angereichert werden. Das Anreicherungsverfahren gilt nicht für Plutonium. Plutonium in Reaktorqualität entsteht als Nebenprodukt der Neutronenwechselwirkung zwischen zwei verschiedenen Uranisotopen. Der erste Schritt zur Anreicherung von Uran beginnt mit der Umwandlung von Uranoxid (das durch den Uranmahlprozess entsteht) in eine gasförmige Form. Dieses Gas ist als Uranhexafluorid bekannt, das durch die Kombination von Fluorwasserstoff, Fluorgas und Uranoxid entsteht. Auch Urandioxid ist in diesem Prozess vorhanden und wird zur Verwendung in Reaktoren, die keinen angereicherten Brennstoff benötigen, abgeführt. Die verbleibende Uranhexafluoridverbindung wird in starke Metallzylinder abgelassen, wo sie erstarrt. Der nächste Schritt ist die Abtrennung des Uranhexafluorids von dem abgereicherten U-235, das übrig bleibt. Dies geschieht normalerweise mit Zentrifugen, die sich schnell genug drehen, damit sich der Massenunterschied von 1 % in den Uranisotopen selbst trennen kann. Ein Laser wird dann verwendet, um die Hexafluoridverbindung anzureichern. Der letzte Schritt besteht darin, die nun angereicherte Verbindung wieder in Uranoxid umzuwandeln, wobei das Endprodukt zurückbleibt: angereichertes Uranoxid. Diese Form von UO 2 kann nun in Spaltreaktoren in Kraftwerken zur Energiegewinnung genutzt werden.

Spaltungsreaktionsprodukte

Wenn ein spaltbares Atom einer Kernspaltung unterzogen wird, zerbricht es in zwei oder mehr Spaltfragmente. Außerdem werden mehrere freie Neutronen, Gammastrahlen und Neutrinos emittiert und eine große Energiemenge wird freigesetzt. Die Summe der Ruhemassen der Spaltfragmente und ausgestoßenen Neutronen ist kleiner als die Summe der Ruhemassen des ursprünglichen Atoms und des einfallenden Neutrons (natürlich sind die Spaltfragmente nicht in Ruhe). Die Massendifferenz wird in der Energiefreisetzung nach der Gleichung E=Δmc 2 berücksichtigt :

Masse der freigesetzten Energie =

Aufgrund des extrem großen Wertes der Lichtgeschwindigkeit c ist eine geringe Massenabnahme mit einer enormen Freisetzung aktiver Energie (zB der kinetischen Energie der Spaltfragmente) verbunden. Diese Energie (in Form von Strahlung und Wärme) trägt die fehlende Masse, wenn sie das Reaktionssystem verlässt (Gesamtmasse bleibt wie Gesamtenergie immer erhalten ). Während typische chemische Reaktionen Energien in der Größenordnung von einigen eV freisetzen (z. B. beträgt die Bindungsenergie des Elektrons an Wasserstoff 13,6 eV), setzen Kernspaltungsreaktionen typischerweise Energien in der Größenordnung von Hunderten von Millionen eV frei.

Zwei typische Spaltungsreaktionen sind unten mit Durchschnittswerten der freigesetzten Energie und der Anzahl der ausgestoßenen Neutronen dargestellt:

Beachten Sie, dass diese Gleichungen für Spaltungen gelten, die durch sich langsam bewegende (thermische) Neutronen verursacht werden. Die durchschnittlich freigesetzte Energie und die Anzahl der ausgestoßenen Neutronen ist eine Funktion der einfallenden Neutronengeschwindigkeit. Beachten Sie auch, dass diese Gleichungen Energie von Neutrinos ausschließen, da diese subatomaren Teilchen extrem nicht reaktiv sind und daher ihre Energie selten im System abgeben.

Zeitskalen nuklearer Kettenreaktionen

Prompt Neutronenlebensdauer

Die sofortige Neutronenlebensdauer l ist die durchschnittliche Zeit zwischen der Emission von Neutronen und entweder ihrer Absorption im System oder ihrem Austritt aus dem System. Die Neutronen, die direkt aus der Spaltung entstehen, werden „ sofortige Neutronen “ genannt, und diejenigen, die ein Ergebnis des radioaktiven Zerfalls von Spaltfragmenten sind, werden „ verzögerte Neutronen “ genannt. Der Begriff Lebensdauer wird verwendet, weil die Emission eines Neutrons oft als seine "Geburt" und die anschließende Absorption als sein "Tod" angesehen wird. Für thermische Spaltreaktoren (mit langsamen Neutronen) liegt die typische Lebensdauer der prompten Neutronen in der Größenordnung von 10 –4 Sekunden, und für schnelle Spaltreaktoren liegt die Lebensdauer der prompten Neutronen in der Größenordnung von 10 –7 Sekunden. Diese extrem kurzen Lebensdauern bedeuten, dass in 1 Sekunde 10.000 bis 10.000.000 Neutronenlebensdauern vergehen können. Die durchschnittliche (auch als adjungierte ungewichtete ) Lebensdauer der prompten Neutronen berücksichtigt alle prompten Neutronen unabhängig von ihrer Bedeutung im Reaktorkern; die effektive sofortige Neutronenlebensdauer (als Adjoint gewichtet über Raum, Energie und Winkel bezeichnet) bezieht sich auf ein Neutron mit durchschnittlicher Bedeutung.

Mittlere Generationszeit

Die mittlere Generationszeit Λ ist die durchschnittliche Zeit von einer Neutronenemission bis zu einem Einfang, der zu einer Spaltung führt. Die mittlere Generationszeit unterscheidet sich von der sofortigen Neutronenlebensdauer, da die mittlere Generationszeit nur Neutronenabsorptionen umfasst, die zu Spaltungsreaktionen führen (nicht andere Absorptionsreaktionen). Die beiden Zeiten hängen durch die folgende Formel zusammen:

In dieser Formel ist k der effektive Neutronenmultiplikationsfaktor, der unten beschrieben wird.

Effektiver Neutronenmultiplikationsfaktor

Der effektive Neutronenmultiplikationsfaktor k der Formel mit sechs Faktoren ist die durchschnittliche Anzahl von Neutronen aus einer Spaltung, die eine andere Spaltung verursachen. Die verbleibenden Neutronen werden entweder in Nichtspaltungsreaktionen absorbiert oder verlassen das System ohne absorbiert zu werden. Der Wert von k bestimmt, wie eine nukleare Kettenreaktion abläuft:

  • k < 1 ( Unterkritikalität ): Das System kann eine Kettenreaktion nicht aufrechterhalten, und jeder Beginn einer Kettenreaktion stirbt mit der Zeit ab. Für jede im System induzierte Spaltung treten durchschnittlich insgesamt 1/(1 −  k ) Spaltungen auf. Vorgeschlagene unterkritische Reaktoren machen sich die Tatsache zunutze, dass eine durch eine externe Neutronenquelle aufrechterhaltene Kernreaktion "abgeschaltet" werden kann, wenn die Neutronenquelle entfernt wird. Dies bietet eine gewisse Eigensicherheit .
  • k = 1 ( Kritikalität ): Jede Spaltung verursacht im Durchschnitt eine weitere Spaltung, was zu einem konstanten Spaltungs- (und Leistungs-) Niveau führt. Kernkraftwerke arbeiten mit k = 1, es sei denn, die Leistung wird erhöht oder verringert.
  • k > 1 ( Überkritikalität ): Für jede Spaltung im Material ist es wahrscheinlich, dass es nach der nächsten mittleren Generationszeit (Λ) " k " Spaltungen geben wird. Das Ergebnis ist, dass die Anzahl der Spaltungsreaktionen gemäß der Gleichung exponentiell zunimmt , wobei t die verstrichene Zeit ist. Atomwaffen sind darauf ausgelegt, unter diesem Staat zu operieren. Es gibt zwei Unterteilungen der Überkritikalität: prompt und verzögert.

Bei der Beschreibung der Kinetik und Dynamik von Kernreaktoren, aber auch in der Praxis des Reaktorbetriebs, wird der Begriff der Reaktivität verwendet, der die Auslenkung des Reaktors aus dem kritischen Zustand charakterisiert: ρ = ( k  − 1)/ k . InStunde (vom Kehrwert einer Stunde , manchmal abgekürzt ih oder inhr) ist eine Einheit der Reaktivität eines Kernreaktors.

In einem Kernreaktor oszilliert k tatsächlich von etwas weniger als 1 auf etwas mehr als 1, hauptsächlich aufgrund thermischer Effekte (wenn mehr Leistung erzeugt wird, erwärmen sich die Brennstäbe und dehnen sich somit aus, wodurch ihr Einfangverhältnis verringert und somit k niedriger wird ). Damit bleibt der Mittelwert von k genau bei 1. Verzögerte Neutronen spielen eine wichtige Rolle beim Timing dieser Oszillationen.

In einem unendlichen Medium kann der Multiplikationsfaktor durch die Vier-Faktoren-Formel beschrieben werden ; In einem nicht unendlichen Medium kann der Multiplikationsfaktor durch die Formel mit sechs Faktoren beschrieben werden.

Sofortige und verzögerte Überkritikalität

Nicht alle Neutronen werden als direktes Spaltprodukt emittiert; einige sind stattdessen auf den radioaktiven Zerfall einiger Spaltfragmente zurückzuführen. Die Neutronen, die direkt aus der Spaltung entstehen, werden "prompte Neutronen" genannt, und diejenigen, die ein Ergebnis des radioaktiven Zerfalls von Spaltfragmenten sind, werden "verzögerte Neutronen" genannt. Der Anteil der verzögerten Neutronen wird als β bezeichnet, und dieser Anteil beträgt typischerweise weniger als 1 % aller Neutronen in der Kettenreaktion.

Die verzögerten Neutronen ermöglichen es einem Kernreaktor, um mehrere Größenordnungen langsamer zu reagieren, als es nur die schnellen Neutronen allein tun würden. Ohne verzögerte Neutronen würden Änderungen der Reaktionsraten in Kernreaktoren mit Geschwindigkeiten auftreten, die für den Menschen zu schnell sind, um sie zu kontrollieren.

Der Bereich der Überkritikalität zwischen k = 1 und k = 1/(1 − β) ist als verzögerte Überkritikalität (oder verzögerte Kritikalität ) bekannt. In dieser Region arbeiten alle Kernkraftwerke. Die Region der Überkritikalität für k > 1/(1 − β) ist als prompte Überkritikalität (oder prompte Kritikalität ) bekannt, die die Region ist, in der Atomwaffen operieren.

Die Änderung von k , die erforderlich ist, um von kritisch zu schnell kritisch zu werden, wird als Dollar definiert .

Kernwaffenanwendung der Neutronenvervielfachung

Kernspaltungswaffen erfordern eine Masse an spaltbarem Brennstoff, die sofort überkritisch ist.

Für eine gegebene Masse an spaltbarem Material kann der Wert von k durch Erhöhen der Dichte erhöht werden. Da die Wahrscheinlichkeit pro zurückgelegter Strecke für ein Neutron, mit einem Kern zu kollidieren, proportional zur Materialdichte ist, kann eine Erhöhung der Dichte eines spaltbaren Materials k erhöhen . Dieses Konzept wird beim Implosionsverfahren für Atomwaffen verwendet. In diesen Geräten beginnt die nukleare Kettenreaktion, nachdem die Dichte des spaltbaren Materials mit einem herkömmlichen Sprengstoff erhöht wurde.

Bei der Spaltwaffe vom Kanonentyp werden zwei unterkritische Brennstoffstücke schnell zusammengebracht. Der Wert von k für eine Kombination zweier Massen ist immer größer als der ihrer Komponenten. Die Größe des Unterschieds hängt sowohl von der Entfernung als auch von der physischen Ausrichtung ab.

Der Wert von k kann auch erhöht werden, indem ein Neutronenreflektor verwendet wird , der das spaltbare Material umgibt

Sobald die Kraftstoffmasse prompt überkritisch wird, steigt die Leistung exponentiell an. Der exponentielle Leistungsanstieg kann jedoch nicht lange anhalten, da k abnimmt, wenn die Menge an verbleibendem Spaltmaterial abnimmt (dh es wird durch Spaltungen verbraucht). Außerdem wird erwartet, dass sich die Geometrie und Dichte während der Detonation ändern, da das verbleibende Spaltmaterial durch die Explosion auseinandergerissen wird.

Vorzündung

Wenn zwei Teile unterkritischen Materials nicht schnell genug zusammengebracht werden, kann es zu einer nuklearen Prädetonation kommen, bei der eine kleinere Explosion als erwartet den Großteil des Materials auseinander sprengen wird. Siehe Fizzle (Atomtest)

Bei der Detonation einer Atomwaffe wird spaltbares Material sehr schnell in seinen optimalen überkritischen Zustand gebracht. Während eines Teils dieses Prozesses ist das Aggregat überkritisch, aber noch nicht in einem optimalen Zustand für eine Kettenreaktion. Freie Neutronen, insbesondere aus spontanen Spaltungen , können dazu führen, dass das Gerät eine vorbereitende Kettenreaktion durchläuft, die das spaltbare Material zerstört, bevor es bereit ist, eine große Explosion zu erzeugen, die als Prädetonation bekannt ist .

Um die Wahrscheinlichkeit einer Vordetonation gering zu halten, wird die Dauer der nicht optimalen Montagezeit minimiert und es werden spaltbare und andere Materialien verwendet, die geringe spontane Spaltraten aufweisen. Tatsächlich muss die Materialkombination so sein, dass es unwahrscheinlich ist, dass es während der Zeit des überkritischen Zusammenbaus auch nur zu einer einzigen spontanen Spaltung kommt. Insbesondere kann die Kanonenmethode nicht mit Plutonium verwendet werden (siehe Atomwaffendesign ).

Kernkraftwerke und Kontrolle von Kettenreaktionen

Kettenreaktionen führen natürlich zu Reaktionsgeschwindigkeiten, die exponentiell wachsen (oder schrumpfen) , während ein Kernkraftwerk in der Lage sein muss, die Reaktionsgeschwindigkeit einigermaßen konstant zu halten. Um diese Kontrolle aufrechtzuerhalten, muss die Kritikalität der Kettenreaktion eine Zeitskala haben, die langsam genug ist, um ein Eingreifen durch zusätzliche Effekte (z. B. mechanische Steuerstäbe oder Wärmeausdehnung) zu ermöglichen. Folglich verlassen sich alle Kernkraftreaktoren (sogar schnelle Neutronenreaktoren ) für ihre Kritikalität auf verzögerte Neutronen. Ein in Betrieb befindlicher Kernkraftreaktor schwankt zwischen leicht unterkritisch und leicht verzögert-überkritisch, muss aber immer unter prompt-kritisch bleiben.

Es ist unmöglich, dass ein Kernkraftwerk eine nukleare Kettenreaktion durchmacht, die zu einer mit einer Atomwaffe vergleichbaren Kraftexplosion führt, aber sogar Explosionen mit geringer Leistung aufgrund unkontrollierter Kettenreaktionen (die in einer Bombe als "Zischen" angesehen würden). kann immer noch erhebliche Schäden und eine Kernschmelze in einem Reaktor verursachen. Zum Beispiel beinhaltete die Katastrophe von Tschernobyl eine außer Kontrolle geratene Kettenreaktion, aber das Ergebnis war eine schwache Dampfexplosion aufgrund der relativ geringen Wärmefreisetzung im Vergleich zu einer Bombe. Der Reaktorkomplex wurde jedoch durch die Hitze sowie durch gewöhnliches Verbrennen des Graphits an der Luft zerstört. Solche Dampfexplosionen wären typisch für die sehr diffuse Materialansammlung in einem Kernreaktor , selbst unter den schlimmsten Bedingungen.

Darüber hinaus können weitere Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise erfordern in den Vereinigten Staaten zugelassene Kraftwerke einen negativen Hohlraumreaktivitätskoeffizienten (dies bedeutet, dass die Kernreaktion dazu neigt, abzuschalten und nicht zuzunehmen , wenn Kühlmittel aus dem Reaktorkern entfernt wird). Dadurch wird die Möglichkeit eines Unfalltyps wie in Tschernobyl (der auf einen positiven Void-Koeffizienten zurückzuführen war) ausgeschlossen. Kernreaktoren können jedoch auch nach vollständiger Abschaltung kleinere Explosionen verursachen, wie dies bei der Atomkatastrophe von Fukushima Daiichi der Fall war . In solchen Fällen kann die restliche Nachzerfallswärme des Kerns bei einem Verlust des Kühlmittelflusses hohe Temperaturen verursachen, selbst einen Tag nachdem die Kettenreaktion abgeschaltet wurde (siehe SCRAM ). Dies kann eine chemische Reaktion zwischen Wasser und Brennstoff verursachen, die Wasserstoffgas erzeugt, das nach dem Mischen mit Luft explodieren kann, mit schwerwiegenden Kontaminationsfolgen, da Brennstabmaterial durch diesen Prozess immer noch der Atmosphäre ausgesetzt sein kann. Solche Explosionen treten jedoch nicht während einer Kettenreaktion auf, sondern als Ergebnis der Energie aus dem radioaktiven Beta-Zerfall , nachdem die Spaltungskettenreaktion gestoppt wurde.

Siehe auch

Verweise

Externe Links