Der Moderator

Neutronen, die bei der Spaltung von Kernen des U-235 freigesetzt werden, haben eine relativ hohe Geschwindigkeit. Damit ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie weitere Kernspaltungen hervorrufen, sehr gering. Wenn dennoch mit den schnellen Neutronen eine Kettenreaktion in Gang gehalten werden soll, muss man eine hohe U-235-Konzentration wählen und eine aufwendige Reaktortechnik anwenden. Beides verursacht sehr hohe Kosten. Man beschreitet diesen Weg deshalb nur, wenn nicht nur U-235-Kerne gespalten, sondern aus nicht spaltbarem Material mithilfe von schnellen Neutronen neuer Spaltstoff erzeugt werden soll.

Langsame Neutronen führen mit sehr viel größerer Wahrscheinlichkeit im U-235 zu Spaltungen. Die bei jeder Kernspaltung entstehenden schnellen Neutronen müssen deshalb durch geeignete Substanzen auf niedrige Geschwindigkeiten abgebremst werden. Das geschieht mithilfe so genannter Moderatoren (Bremsmittel). Die Neutronen werden an den Kernen des Moderators durch Stöße abgebremst. Beim Einsatz eines Moderators kommt man mit niedrigen Spaltstoffkonzentrationen aus. Im Prinzip reicht dann der im natürlichen Uran vorhandene Anteil von etwa 0,7 % U-235.

Gute Moderatoren müssen zwei Bedingungen erfüllen:

Die schnellen Neutronen sollen möglichst schnell durch wenige Stöße ihre Energie verlieren und dadurch abgebremst werden. Dadurch kommen sie in großer Zahl über den Geschwindigkeitsbereich hinweg, bei dem sie verstärkt von U-238 absorbiert werden. Diese Bedingung ist dann erfüllt, wenn die Masse der Atomkerne des Moderators etwa so groß ist wie die Masse des Neutrons.

Der Moderator darf nur eine geringe Neigung zum Einfang von Neutronen besitzen, denn vom Moderator absorbierte Neutronen gehen für weitere Kernspaltungen verloren. Die Neigung zum Einfang von Neutronen wird in relativen Einheiten angegeben. Für Deuterium wurde der Wert 1 festgelegt. Beryllium hat eine 7-mal so große Neigung, Wasserstoff eine 650-mal so große Neigung, Neutronen in die Atomkerne aufzunehmen.

Deuterium in Form von schwerem Wasser (D₂O) ist der beste Moderator, seine Herstellung ist jedoch sehr teuer. Natürliches Wasser enthält ein H-2-Atom auf 6 500 H₂O-Moleküle. Schwerwasserreaktoren werden vor allem in Kanada verwendet.

Als Moderator wird vielfach auch Graphit (reiner Kohlenstoff) eingesetzt, da es recht preiswert ist und gute mechanische und thermische Eigenschaften besitzt. Für eine Verwendung im Reaktor muss es jedoch absolut rein sein. Graphitmoderierte Reaktoren sind vor allem in der ehemaligen Sowjetunion und in Großbritannien gebaut worden.

Wasserstoff in Form von leichtem Wasser (H₂O) ist zwar das beste Bremsmittel, es hat jedoch eine sehr große Neigung zum Einfang von Neutronen, wobei Deuterium entsteht. Die absorbierten Neutronen gehen für weitere Kernspaltungen verloren.

Da Wasser aber sehr preiswert ist und für die Sicherheit zusätzlich günstige Eigenschaften besitzt, wird es in der Bundesrepublik Deutschland ausschließlich als Moderator verwendet. Außerdem kann es gleichzeitig als Kühlmittel verwendet werden.

Bei Verwendung von Wasser als Moderator muss der Neutronenverlust ausgeglichen werden. Dazu erhöht man den Anteil von U-235 von 0,7 % auf 3 bis 5 %. Man erhält dann mehr Spaltungen sowie mehr Neutronen. Uran mit einem über 0,7 % liegenden Anteil von U-235 nennt man angereichertes Uran.

Durch die Art der Anordnung von Uranstäben und Moderator können die Vorgänge in einem Reaktor so gelenkt werden, dass entweder mehr Neutronen von U-238 eingefangen werden oder dass sie zur Spaltung weiterer Kerne des U-235 führen. Im ersten Fall wird in erhöhtem Maße mehr Plutonium erzeugt.