Spaltneutronen

Eine kontrollierte Kettenreaktion lässt sich nur entwickeln, wenn eine ausreichende Anzahl von Neutronen zur Verfügung steht. Bei der Spaltung eines Kerns U-235 entstehen zwei mittelschwere Trümmerkerne sowie zwei bis drei Neutronen. Diese Spaltneutronen haben unterschiedliche Energie (Geschwindigkeiten). Am häufigsten tritt der Wert von 0,7 MeV auf, im Mittel liegt ihre Energie bei etwa 1,5 MeV.

Zur Charakterisierung der Neutronen nach ihrer Energie bzw. ihrer Geschwindigkeit wird folgende Einteilung vorgenommen:

langsame (thermische) Neutronen mit einer Energie < 10 eV
mittelschnelle Neutronen mit einer Energie von 10 eV bis 0,1 MeV
schnelle Neutronen mit einer Energie > 0,1 MeV

Die angegebenen Energiebeträge stellen Richtwerte dar, die Übergänge sind fließend. Die bei der Spaltung von U-235-Kernen auftretenden Neutronen gehören praktisch ausschließlich zu den schnellen Neutronen (W > 0,1 MeV).

In einem Reaktor kann mit den Spaltneutronen grundsätzlich Folgendes geschehen:

Sie verlassen die Spaltzone und gehen dadurch für weitere Spaltungen verloren.
Sie werden von U-238, von den für die Reaktorfunktionen notwendigen Materialien oder von stets vorhandenen Verunreinigungen aufgenommen, wodurch künstliche Isotope entstehen.

So wandelt sich beispielsweise Sauerstoff-16, der im Kühlmittel eines Siedewasserreaktors enthalten ist, z. T. durch Neutroneneinfang in Stickstoff-16 um. Er ist radioaktiv (HWZ 7,13 s), sodass Strahlenschutzmaßnahmen getroffen werden müssen.

Die Wahrscheinlichkeit für einen Neutroneneinfang ist von der Bewegungsenergie der Neutronen abhängig. Die Wahrscheinlichkeit ist meist desto größer, je langsamer die Neutronen sind. Das Neutron kann dann längere Zeit in Kernnähe verweilen, wodurch die Wahrscheinlichkeit für eine Einfangreaktion größer wird.

Es finden elastische oder unelastische Zusammenstöße mit Atomkernen statt, wodurch die Neutronen Energie verlieren. Ihre Geschwindigkeit wird dadurch verringert. Elastische Zusammenstöße finden im Energiebereich 10 keV bis 1 MeV statt. Die Summe der Bewegungsenergien der Stoßpartner vor und nach dem Stoß ist dann gleich: W1 = W2 + W3. Zu unelastischen Zusammenstößen kommt es vorwiegend im Energiebereich zwischen 1 MeV und 10 MeV. Dabei ist die Summe der Bewegungsenergien vor und nach dem Stoß nicht gleich. Das Neutron hat den Atomkern angeregt, der die Anregungsenergie in Form eines Gammaquants wieder abgibt.
Neutronen werden von Kernen des U-235 aufgenommen und lösen dadurch weitere Kernspaltungen aus.

Wenn in einem Reaktor eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion abläuft, sagt man, der Reaktor ist kritisch. Eingeleitet wird die Kettenreaktion mithilfe einer Neutronenquelle.