Moderator (Neutronenphysik)

Ein Moderator (vom lateinischen moderare "mäßigen") dient dazu, freie Neutronen, die bei ihrer Freisetzung meist relativ energiereich, also "schnell" sind, abzubremsen. Die Abbremsung erfolgt dabei durch elastische Streuung an leichten Atomkernen, also Nukliden niedriger Ordnungszahl und Massenzahl (siehe auch Elastischer Stoß). Das Wort Moderator kann das dazu verwendete Material oder auch ein fertiges Bauteil usw. bezeichnen.

Diese "Moderation" ist begrifflich zu unterscheiden von der Verlangsamung der Neutronen durch unelastische Streuung an mittelschweren Materialien wie z. B. Eisen (manchmal "Degradation" genannt). Diese wird für Neutronen mit Energien im MeV-Bereich z. B. in Abschirmungen häufig eingesetzt, oft kombiniert mit nachfolgender Moderation.

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Materialien

Die Moderation ist um so wirksamer, je leichter die Kerne des Moderators sind. Am stärksten ist die durchschnittliche Bremswirkung bei gleicher Masse der Stoßpartner (bei zentralem Stoß würde dann ein einziger Zusammenstoß ausreichen, um das Neutron zum Stillstand zu bringen, siehe Kinematik). Deshalb ist Wasserstoff, besonders sein häufigstes Isotop H-1, dessen Kern ein einzelnes Proton ist, der wirksamste Moderator. Verwendbar sind auch Deuterium, Beryllium und Kohlenstoff. Helium als stets gasförmiger Stoff ist weniger geeignet, da eine genügende Dichte nur mit hohem Druck erreichbar wäre. Die ebenfalls leichten Elemente Lithium und Bor sind ungeeignet, da sie große Wirkungsquerschnitte für Neutronenabsorption besitzen.

Die folgende Tabelle gibt Auskunft über die durchschnittliche Anzahl der Stöße, die notwendig ist, um ein durch Kernspaltung entstandenes Neutron auf thermische Energie abzubremsen.

Anwendungen

Kernreaktoren

Das wichtigste Einsatzgebiet von Moderatoren sind Kernreaktoren, in denen die bei der Kernspaltung von Uran-235, Thorium oder Plutonium entstehenden schnellen Neutronen auf thermische Energie abgebremst werden. Schnelle Neutronen rufen nur selten eine Kernspaltung hervor; ein thermisches Neutronen dagegen löst mit viel höherer Wahrscheinlichkeit (Wirkungsquerschnitt) eine neue Kernspaltung aus. Ein moderierter Reaktor benötigt deshalb für die selbsterhaltende Spaltungs-Kettenreaktion eine sehr viel geringere Menge an Kernbrennstoff (siehe auch Kritische Masse) als ein "schneller", ohne Moderator arbeitender Reaktor. In Kernkraftwerken technisch genutzt werden Wasserstoff (als leichtes (gewöhnliches) Wasser), Deuterium (als schweres Wasser) und Kohlenstoff in Form von Graphit, sowie die Oxidkeramik Berylliumoxid.

In Leichtwasserreaktoren wird gewöhnliches Wasser als Moderator verwendet. Ein Nachteil ist die Absorption von Neutronen durch das Wasser. Dieser Neutronenverlust wird ausgeglichen, indem angereichertes Uran (U) verwendet wird. Für Leichtwasserreaktoren spricht, dass leichtes Wasser preiswert und nicht brennbar ist und im Fall einer Überhitzung des Reaktors (Reaktorunfall) verdampft. Dann ist keine Moderation mehr vorhanden und die Kettenreaktion erlischt.

Reiner Graphit ist relativ leicht herzustellen und besitzt eine vernachlässigbare Neutronenabsorption. Ein graphitmoderierter Kernreaktor kann daher mit unangereichertem Uran (Natururan) betrieben werden. Der erste 1942 unter Leitung von Enrico Fermi in Chicago gebaute und funktionsfähige Testreaktor war so konstruiert. In der Sowjetunion wurden später graphitmoderierte wassergekühlte Reaktoren für Kraftwerke entwickelt, die heute noch in Russland, der Ukraine und Litauen in Betrieb sind. Beim Reaktorunfall von Tschernobyl im Jahre 1986 konnte die Kettenreaktion des überhitzten Reaktors nicht mehr unterbrochen werden; der Graphit behielt seine moderierenden Eigenschaften, und somit wurde die Leistungserzeugung bis zur Kernschmelze aufrechterhalten. Der größte Schaden entstand aber, weil der Graphit (reiner Kohlenstoff) brannte und die heißen Rauchgase die radioaktiven Partikel mit in große Höhen transportierten. Ein weiterer graphitmoderierter Reaktortyp ist der gasgekühlte Kugelhaufenreaktor oder Hochtemperaturreaktor.

Reaktoreigenschaften bei verschiedenen Moderatoren

Die Wahl des Moderators hat enorme Auswirkungen auf die Baugröße des Reaktors:

• Die kompaktesten moderierten Reaktoren (beispielsweise in U-Booten) enthalten Deuterium, weil es nur wenige Zusammenstöße mit den Neutronen erfordert und diese kaum absorbiert.
• Leichtwasser absorbiert − durch die Neutroneneinfangsreaktion ¹H(n,γ)²H – deutlich mehr Neutronen, deshalb muss der Reaktor mehr Uran enthalten und größer sein.
• Graphit (wie in Tschernobyl) absorbiert zwar nur geringfügig, bremst die Neutronen aber erst nach sehr vielen Stößen (siehe Tabelle oben) auf die notwendige niedrige Geschwindigkeit. Deshalb muss der Reaktor erheblich größer als ein Leichtwasserreaktor sein. Das hat wiederum den Nachteil, dass sehr viel brennbares Material vorhanden ist.

Das Deuterium im Schweren Wasser hat eine geringe Tendenz (kleinen Wirkungsquerschnitt) für Neutroneneinfang, so dass schwerwassermoderierte Reaktoren ebenfalls mit Natururan betrieben werden können. Schweres Wasser ist allerdings teuer. Die kanadischen CANDU-Reaktoren arbeiten mit schwerem Wasser als Moderator.

Brutreaktoren dürfen keinen Moderator enthalten, weil hier die Spaltung durch schnelle Neutronen erwünscht ist. Das hier zur Kühlung verwendete Natrium mit seiner Massenzahl 23 hat nur einen sehr kleinen moderierenden Effekt.

Andere Anwendungen

In anderen Anwendungen als Reaktoren, etwa in Abschirmungen und in Neutronendetektoren, wird meist Wasserstoff benutzt, oft in Form von festem Paraffin oder von Kunststoffen. Für Abschirmzwecke wird das Moderatormaterial in manchen Fällen mit einem Absorber für thermische Neutronen wie Bor oder einer Lithiumverbindung homogen vermischt.

Siehe auch

• Dampfblasenkoeffizient