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| In einem Reaktor wird die Kettenreaktion dadurch gesteuert, dass
man von außen in den Neutronenhaushalt eingreift. Das geschieht
mithilfe von Stoffen, die eine große Neigung zur Absorption
von Neutronen besitzen. Werden diese Steuerstäbe tief
in die Spaltzone geschoben, absorbieren sie viele Neutronen. Zieht
man sie wieder heraus, ist die Neutronenabsorption entsprechend geringer. |
| Als Absorptionsmaterial für Neutronen eignen sich vor
allem Bor und Cadmium. So kann z. B. eine 6,5 mm starke
Schicht aus so genanntem Boral (Legierung aus Aluminium und maximal
50 Volumenprozent Borcarbid/B4C) die Anzahl freier Neutronen
um den Faktor 1010 verringern. |
| Der Einfang von Neutronen durch Bor oder Cadmium geschieht durch
eine Kernreaktion, bei der eine Sekundärstrahlung ausgesandt
wird. |
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Das entstehende Lithium gelangt z. T. in das Kühlmittel Wasser
und wird - zusammen mit anderen Verunreinigungen - bei der Kühlmittelreinigung
fortlaufend entfernt. Die Alphateilchen wandeln sich durch Aufnahme
von Elektronen in Helium um, das in den Röhrchen der Steuerstäbe
einen beachtlichen Gasdruck erzeugt. Die Abnahme der Borkonzentration
und der Druckaufbau begrenzen die Lebensdauer der Steuerstäbe.
Der Austauschrhythmus beträgt etwa 6 Jahre.
Der Zustand eines Reaktors kann durch den Multiplikationsfaktor
k beschrieben werden. Er gibt das Verhältnis der Anzahl der
Spaltungen einer Neutronengeneration zur Anzahl der Spaltungen der
vorhergehenden Neutronengenerationen an.
Beim so genannten Anfahren eines Reaktors muss der Multiplikationsfaktor
größer als 1 sein (k > 1, überkritischer Reaktor),
damit die Anzahl der Kettenreaktionen ansteigt. Ist ein bestimmtes
Leistungsniveau erreicht, wird dafür gesorgt, dass k = 1 gilt
(kritischer Reaktor). Bei der Leistungsverringerung oder dem
Abschalten eines Reaktors werden die Steuerstäbe zur Absorption
der Neutronen zwischen die Brennstäbe eingefahren. Die Kettenreaktion
nimmt ab bzw. hört ganz auf (k < 1, unterkritischer Reaktor).
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Bei starken Abweichungen vom normalen Reaktorbetrieb oder bei Störfällen
kann der Reaktor durch schnelles Einfahren der Absorberstäbe
innerhalb weniger Sekunden abgeschaltet werden. Dieser "Schnellschluss"
wird automatisch ausgelöst, kann aber auch durch Betätigen
eines Notschalters herbeigeführt werden.
Bei einer Kettenreaktion tritt die Neutronenvermehrung in Bruchteilen
von Sekunden auf. Bei der Inbetriebnahme eines Reaktors oder der Steigerung
seiner Leistung wäre eine Steuerung mit mechanischen Vorrichtungen
nicht möglich, weil sie viel zu langsam wären. Der Ablauf
des Spaltungsvorganges selbst kommt den Menschen aber zu Hilfe. Etwa
0,75 % der bei der Spaltung frei werdenden Neutronen werden erst mit
einer Verzögerung von durchschnittlich 10 bis 20 s durch die
Spaltprodukte abgegeben.
Stellt man bei einer Leistungserhöhung den Reaktor so ein, dass
sich die Neutronen von Generation zu Generation nicht mehr als um
0,75 % vermehren, wird der Zuwachs nur durch diese verzögerten
Neutronen bewirkt. Die Zeit von 20 s reicht aus, um Neutronen absorbierende
Steuerstäbe zwischen die Uranbrennstäbe zu schieben.
Wie verzögerte Neutronen für die Reaktorsteuerung
genutzt werden können, lässt sich durch eine Analogie veranschaulichen.
Das wird hier für den Fall der Leistungserhöhung des Reaktors
erklärt. Ein Wasserbehälter hat einen Zu- und einen Ablauf.
Der Zulauf besteht aus einem Rohr mit großem und einem Rohr
mit kleinem Querschnitt. Der Abfluss kann durch Betätigen eines
Schiebers geöffnet werden, sodass sich der Behälter sehr
schnell entleert. Es soll nun erreicht werden, dass sich der Wasserstand
nur in dem Maße erhöht, wie Wasser durch das Rohr mit dem
kleinen Querschnitt zufließt. Dazu muss der Schieber so weit
geöffnet werden, dass so viel Wasser abfließt, wie durch
das große Rohr zufließt. Der Wasserstand steigt dann nur
langsam entsprechend dem Zufluss durch das kleine Rohr an und kann
durch Verstellen des Schiebers leicht gesteuert werden. |
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