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Kritikalität

In einem Kernkraftwerk wird zur Erzeugung von Elektrizität ein Teil der Energie genutzt, die bei der Spaltung von Atomkernen freigesetzt wird. Bei der Kernspaltung trifft ein Neutron auf einen Atomkern. Dieser spaltet sich unter Freisetzung von Energie in zwei neue, kleinere Atomkerne auf. Dabei werden unter anderem auch neue Neutronen freigesetzt.

Ein Teil dieser Neutronen geht – beispielsweise durch Absorption – verloren; die verbleibenden Neutronen können wiederum weitere Kernspaltungen auslösen. Kommt es auf diese Weise zu weiteren Kernspaltungen, so spricht man von einer Kettenreaktion.

Unter Kritikalität wird in der Kerntechnik der Zustand eines Kernreaktors oder eines Spaltstoffsystems verstanden, in dem eine Kettenreaktion abläuft, die sich bei konstanter Leistung selbst aufrechterhält. Dies setzt voraus, dass ein Gleichgewicht zwischen der Entstehungsrate, dem Verlust und den neue Kernspaltungen auslösenden Neutronen im Kernreaktor besteht. Eine gleichbleibende Zahl von Spaltungen gewährleistet dabei eine konstante Freisetzung von Energie.

Der Parameter, der diesen Zustand beschreibt wird auch als  Multiplikationsfaktor k bezeichnet. Dabei entspricht k dem Verhältnis der Anzahl von Neutronen zweier aufeinander folgender Generationen. Ist k = 1, so spricht man von einer kritischen Anordnung. Eine kritische Anordnung ist der Normalzustand in Kernreaktoren. Ist die Neutronenanzahl der nächsten Generation kleiner als die der aktuellen, spricht man von einer unterkritischen Anordnung (k < 1). Ist die Anzahl der Neutronen der nächsten Generation größer als die der aktuellen, handelt es sich um eine überkritische Anordnung. Ein überkritischer Zustand kann z. B. bei Störfällen zu hoher unkontrollierter Energiefreisetzung führen und ist daher zu vermeiden.

Arbeiten der GRS zum Thema Kritikalität
Das Phänomen der Kritikalität als Teil der Reaktorphysik spielt eine zentrale Rolle für den sicheren Betrieb eines Kernkraftwerks. Sicherheitstechnische Fragestellungen zur Kritikalität werden deshalb sowohl in der Forschung als auch in der Begutachtung durch die GRS untersucht.

Darüber hinaus muss die Kritikalitätssicherheit auch bei der Herstellung,  beim Transport, der Lagerung und der Entsorgung von Kernbrennstoffen gewährleistet werden. Hier entwickelt die GRS beispielsweise ein Computerprogramm zur Simulation entsprechender Vorgänge in einem geologischen Endlager für ausgediente Kernbrennstoffe. Daneben ist die GRS Herausgeber einer international anerkannten Sammlung von Informationen und Daten zur Kritikalitätssicherheit, dem „Handbuch zur Kritikalität“.