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3.1 Kettenreaktion und Multiplikationsfaktor

Wird ein U-235-Kern gespalten, so setzt er Neutronen frei.
Diese Neutronen werden moderiert (abgebremst) und sind dann in der Lage, die Spaltung eines weiteren U-235-Kernes zu verursachen. Bei dieser Spaltung werden wieder Neutronen frei, sie werden moderiert, verursachen eine neue Spaltung und so fort.
Diesen Vorgang nennt man "Kettenreaktion".

Betrachten wir hierzu nur die Neutronen, die eine Spaltung hervorrufen, denn nicht alle bei der Spaltung erzeugten Neutronen stehen für eine weitere Spaltung zur Verfügung. Manche werden absorbiert, manche verlassen das Reaktionsgebiet, etc..

Die Neutronen zwischen der ersten Spaltung und der zweiten Spaltung (und so fort) kann man nun als eine "Neutronengeneration" betrachten.

Wenn eine Generation von Neutronen in der nächsten Spaltung eine Folgegeneration erzeugt, die aus der gleichen Anzahl von Neutronen besteht die wieder eine Spaltung auslösen, so hat man eine konstant fortlaufende Kettenreaktion - und man spricht dann von einem "kritischen Zustand" (k = 1).
Steigt die Anzahl der Neutronen in der Folgegeneration, so ist der Zustand "überkritisch", d.h. die Kettenreaktion wird stärker (k > 1).
Sinkt die Zahl der Neutronen in der Folgegeneration, so liegt ein "unterkritischer Zustand" vor, die Kettenreaktion wird schwächer (k < 1).

Setzt man die Generationen in ein Verhältnis zueinander, so erhält man den "Multiplikationsfaktor".
Er bedeutet das Verhältnis aus der Anzahl der Spaltneutronen der aktuelle Generation zu der Anzahl der Spaltneutronen zur vorausgegangenen Generation.

 

Die Bezeichnungen "kritisch", "überkritisch" und "unterkritisch" sagen in diesem Zusammenhang nichts über Gefahren aus!
Sie sind lediglich Bezeichnungen, um den Betriebszustand eines Reaktors (oder generell: einer Reaktion) zu beurteilen. "kritisch" bezeichnet, dass die betrachteten Reaktionen stabil und konstant ablaufen, nicht jedoch, dass sie gefährlich sind. "Überkritisch" sagt, die Anzahl der Reaktionen nimmt zu oder die Reaktion verstäkt sich, nicht jedoch "es wird gefährlicher". "unterkritisch" bezeichnet dementsprechend das Gegenteil - die Reaktionen nehmen ab.

[*] Warum werden Neutronen moderiert?
Neutronen haben direkt nach der Entstehung eine realtiv hohe kinetische Energie, im Mittel sind dies etwa 2MeV. Das entspricht etwa einer Geschwindikkeit von 2000 km/sec - daher auch "schnelle Neutronen". Die Verweilzeit in der Nähe eines zu spaltenden U-235-Kerns wird somit sehr kurz, und die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Neutronen einen Kern spaltet wird gering.

Bremst man diese entstandenen Neutronen nun auf "thermische Energie" ab, nimmt die Verweilzeit zu, die "thermischen Neutronen" besitzen Energien im Bereich von 0,025eV, das entspricht einer Geschwindigkeit von etwa 2 km/s. Damit steigt natürlich auch die Wahrscheinlichkeit, dass das Neutron einen Spaltung auslöst.