| Uran und Moderator lassen sich entweder miteinander mischen (homogener Reaktor) oder räumlich getrennt voneinander anordnen (heterogener Reaktor). |
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Bei einer homogenen Mischung beider Stoffe gibt es ein optimales Verhältnis, bei dem der Moderator seine maximale Wirkung hat. Der Multiplikationsfaktor (Neutronenvermehrungsfaktor) k ist dann am größten. Bei einem homogenen Reaktor, der mit Natururan (0,7 % U-235) betrieben wird, ist also eine Kettenreaktion nur bei Verwendung von schwerem Wasser möglich. Nur dann kann der Multiplikationsfaktor k > 1 sein. |
| Das ist der Grund, weshalb heute in Uranerzlagerstätten mithilfe von Regenwasser grundsätzlich keine Kettenreaktion entstehen kann. Das wäre erst bei einem höheren Anteil an U-235 möglich. |
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Die bei Kernspaltungen entstehenden Neutronen werden in einem geringeren Maße von Kernen des U-238 eingefangen, wenn Uran und Moderator getrennt angeordnet sind, der Moderator also das Uran umgibt (heterogener Reaktor). Dann gelingt es auch, mit Natururan und Graphit als Moderator einen Neutronenvermehrungsfaktor k > 1 zu erreichen. |
| Der erste Reaktor, der von Enrico Fermi 1942 in Chicago
(USA) gebaut wurde, hatte diesen Aufbau. Dazu wurden etwa 30 t Natururan
benötigt. Bei Verwendung von schwerem Wasser hätten bereits
3 t Natururan ausgereicht. Bei einem mit U-235 stark angereicherten
Uran genügen sogar einige Kilogramm. Die Neutronenbilanz lässt sich durch Verwendung eines Neutronenreflektors (z. B. Graphit, Beryllium, schweres Wasser) verbessern. Dadurch wird ein Teil der aus der Oberfläche der Brennstäbe austretenden Neutronen in das Uran zurückgeworfen. In reinem U-235 wäre die Neutronenproduktion so stark, dass die Kettenreaktion nur schwer gesteuert werden könnte. Für die Ausrüstung eines Reaktors mit U-235 gelten grundsätzlich folgende Überlegungen: Bei einem Kernreaktor setzt die Kettenreaktion nur ein, wenn eine Mindestmenge an U-235 (oder Pu-239) vorhanden ist. Da aber während des Reaktorbetriebes der Anteil an U-235 ständig geringer wird und der immer größer werdende Anteil an Spaltprodukten immer mehr Neutronen absorbiert, muss der Reaktor mit einem Überschuss an spaltbarem U-235 betrieben werden. Dieser Überschuss darf jedoch nicht zu groß sein, weil sonst die Reaktorsteuerung sehr schwierig wird. Bei der erstmaligen Beladung des Reaktors wird eine spezielle Erstausstattung von Brennelementen gefertigt, die unterschiedliche Anreicherungsanteile von Uran-235 haben. Brennelemente mit einer kleinen Anreichung sind deshalb bereits nach einem Jahr aufgebraucht. Deshalb werden im jährlichen Turnus ein Drittel bzw. ein Viertel der Brennelemente durch neue ersetzt. Nach drei bzw. vier Jahren sind die zusätzlichen Reserven an U-235 aufgebraucht. Das U-235 ist dann zwar noch nicht vollständig gespalten, im Reaktor kann aber keine Kettenreaktion mehr herbeigeführt werden. Der Reaktor wird deshalb abgeschaltet und nach einer Abkühlzeit geöffnet. Es können dann neue Brennelemente eingesetzt bzw. die bereits benutzten in andere Positionen gesetzt werden. |