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Moderator

Moderatoren dienen in Kernkraftwerken dazu, die Bewegungsgeschwindigkeit (kinetische Energie) freier Neutronen abzubremsen. Freie Neutronen entstehen bei der Kernspaltung und erhalten diese aufrecht, indem sie wiederum neue Kerne spalten. Bei jeder Kernspaltung entstehen etwa zwei bis drei Neutronen mit hoher Bewegungsgeschwindigkeit, sogenannte schnelle Neutronen. Da schnelle Neutronen mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit Spaltungen auslösen als langsame Neutronen (sog. thermische Neutronen), muss ihre Geschwindigkeit durch den Moderator gedrosselt werden.

Was passiert bei der Moderation?
Die schnellen Neutronen werden bei der Moderation durch ein Medium geleitet (z.B. Wasser). Dabei stoßen sie gegen die Atomkerne des jeweiligen Mediums und werden dadurch von Energien bis zu 10 Mega-Elektronenvolt (MeV) auf unter 1 Elektronenvolt (eV) abgebremst. Ein Mega-Elektronenvolt ist die Einheit für die Energie, die ein Elektron besitzt, wenn es mit einer Million Volt beschleunigt wurde.

Moderatoren bremsen die Neutronen nicht nur, sondern können sie auch absorbieren. Um den Neutronenverlust auszugleichen und die Kettenreaktion aufrecht zu erhalten, wird das Natururan mit zusätzlichem Spaltstoff angereichert. Natururan besteht zu 99,3% aus dem Isotop Uran-238 und nur zu 0,7% aus Uran-235. Uran-235 wird wesentlich leichter durch Neutronen, insbesondere thermische Neutronen, gespalten als Uran-238. In Kernkraftwerken mit neutronenabsorbierenden Moderatoren wird deshalb Kernbrennstoff verwendet, in dem das Uran-235 zuvor auf 2 bis 5% angereichert wurde.

Welche Stoffe wirken als Moderatoren?
Die beste Bremswirkung besitzen Stoffe, die der Masse eines Neutrons entsprechen. Da der Atomkern des Wasserstoffs aus einem einzigen Proton besteht, das nahezu der Masse des Neutrons entspricht, eignet es sich besonders gut zur Moderation. Neben Wasserstoff werden auch Deuterium, Beryllium, Helium und Kohlenstoff zur Moderation verwendet.

Kernkraftwerke mit Leichtwasserreaktoren nutzen Wasserstoff in Form von Wasser zum Abbremsen der Neutronen. Die Moderation mit Wasser hat in hypothetischen Störfallsituationen folgenden physikalischen Vorteil: Überhitzt der Reaktor, verdampft das Wasser teilweise und die Kettenreaktion wird durch diesen inhärenten physikalischen Prozess sicher beendet.

Auch Kohlenstoff wird in Form von Graphit in Hochtemperaturreaktoren als Moderator eingesetzt. Kohlenstoffatome bremsen zwar aufgrund ihres höheren Gewichts wesentlich ineffektiver, im Gegensatz zum Wasser absorbiert Graphit aber auch deutlich weniger Neutronen. Graphitmoderierte Reaktoren können deshalb auch mit weniger angereichertem Natururan betrieben werden.

Aufgrund seines hohen Preises wird Deuterium seltener als Moderator eingesetzt. Deuterium ist ein Isotop des Wasserstoffs, das ein zusätzliches Neutron enthält. Aufgrund seiner Masse wird es auch als schwerer Wasserstoff bezeichnet, das Wasser als Schwerwasser. Ebenso wie Graphit absorbiert Deuterium nur in geringem Maße Neutronen. Mit Deuterium moderierte Reaktoren können deshalb ebenfalls mit schwach angereichertem oder sogar mit Natururan betrieben werden.