Kritikalität

Dieser Artikel beschreibt die Kritikalität als Begriff in der Kerntechnik. Eine andere Bedeutung wird in Selbstorganisierte Kritikalität beschrieben.

Kritikalität bezeichnet in der Kerntechnik sowohl die Neutronenbilanz einer kerntechnischen Anlage als auch den kritischen Zustand eines Kernreaktors oder einer Spaltstoffanordnung.

Eine Anordnung ist kritisch, wenn pro Zeiteinheit ebenso viele freie Neutronen erzeugt werden, wie durch Absorption und Leckage (d. h. Verlust nach außen) verschwinden. Der kritische Zustand ist der normale Betriebszustand eines Kernreaktors, in dem eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion abläuft. Der Neutronenfluss und damit die erzeugte Leistung, also die pro Zeiteinheit freigesetzte Wärmeenergie, können dabei höher oder niedriger sein; Kritikalität bedeutet nur, dass diese Größen zeitlich gleich bleiben.

Neutronenbilanz

Die Neutronenbilanz wird zahlenmäßig ausgedrückt durch den Multiplikationsfaktor k. Dies ist die Anzahl der Neutronen in der folgenden „Generation“ pro Neutron der jetzigen Generation, oder die Anzahl neuer Spaltungen pro gespaltenem Kern. In der Praxis wird statt k meist die Reaktivität ρ = (k − 1)/k betrachtet.

  • Überwiegt innerhalb der Neutronenbilanz der Neutronenverlust (k < 1), handelt es sich um eine unterkritische Anordnung.
  • Eine kritische Anordnung wird bei ausgeglichener Neutronenbilanz (k = 1) erreicht.
  • Ist die Neutronenerzeugung größer als der Neutronenverlust (k > 1), spricht man von einer überkritischen Anordnung.

Verzögerte Neutronen

Etwa 99 % der bei der Kernspaltung erzeugten Neutronen werden innerhalb von 10 Femtosekunden nach der Spaltung emittiert (prompte Neutronen), während der Rest erst nach einigen Millisekunden bis Minuten emittiert wird (verzögerte Neutronen). Die verzögerten Neutronen tragen einen Anteil β zum Multiplikationsfaktor k bei, der vom Spaltmaterial abhängt; bei 235U beträgt er etwa 0,75 %. Der oben beschriebene kritische Zustand mit konstanter Leistung, k = 1, bezieht sich auf alle Neutronen einschließlich der verzögerten. Er könnte daher genauer als verzögert kritisch bezeichnet werden.

Verzögert überkritisch

Eine Anordnung im Zustand 1 < k < 1 + β ist verzögert überkritisch, d. h. die Reaktorleistung steigt an, aber nur durch die Wirkung der verzögerten Neutronen und deshalb mit deren Zeitkonstante (im Sekundenbereich), so dass der Reaktor mit technischen Mitteln regelbar bleibt. Dieser Bereich wird zum „Anfahren“ des Reaktors und Erhöhen des Leistungsniveaus bis zur Nennleistung benutzt.

Prompt kritisch

Im Zustand mit k = 1 + β genügen die prompten Neutronen alleine zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion. Der Zustand ist unsicher, da die kleinste zufällige Erhöhung von k die Anordnung prompt überkritisch macht. Da solche zufälligen kleinen Schwankungen immer auftreten, ist die prompte Kritikalität die Grenze, bei deren Erreichen ein Reaktor „durchgeht“.

Prompt überkritisch

Im Zustand k > 1 + β ist eine Anordnung prompt überkritisch, d. h. der Neutronenfluss und damit die Leistung steigt exponentiell mit einer sehr kurzen Zeitkonstanten an, die durch die prompten Neutronen bestimmt wird. Dieser Anstieg ist mit äußeren technischen Mitteln nicht mehr schnell genug beeinflussbar. Kernwaffen sind zwischen Zündung und Explosion sehr kurz, aber weit prompt überkritisch.

Bei den meisten Reaktoren muss prompte Überkritikalität dagegen unbedingt vermieden werden. Die einzige Ausnahme bilden bestimmte Forschungsreaktoren, bei denen sehr kurz dauernde „Pulse“ prompter Überkritikalität (Prompt Burst) erzeugt und genutzt werden; Die Dopplerverbreiterung, ein physikalischer Effekt, der zwangsläufig mit der daraus folgenden Temperaturerhöhung eintritt, macht den Reaktor dann automatisch wieder unterkritisch. Ein Beispiel ist der Forschungsreaktor-Typ TRIGA.

Dollar

Der Unterschied β der Kritikalität zwischen verzögert kritisch und prompt kritisch wird in der englischsprachigen Literatur als 1 $ (unterteilt in 100 Cent) bezeichnet (diente beim Manhattan-Projekt der Verschleierung von Gesprächsinhalten bei Telefongesprächen, um Spionage zu erschweren). Zum Beispiel werden die Reaktivitätswerte von Steuerstäben praktischerweise in Cent angegeben. Die Reaktivitätswerte sind (näherungsweise) additiv, d. h. das Einfahren zweier Absorberstäbe von z. B. je 5 Cent bewirkt eine Reaktivität von −10 Cent.

Kritikalitätsstörfall

Bei Reaktoren wird eine ungewollte positive Reaktivitätszufuhr vom kritischen Normalbetrieb aus – also verzögerte oder gar prompte Überkritikalität – als Reaktivitätsstörfall bezeichnet. Bei anderen kerntechnischen Anlagen, die im Normalbetrieb weit unterkritische Anordnungen sind (z. B. Wiederaufarbeitungsanlagen oder Brennelementfabriken), ist der Begriff Reaktivität wenig gebräuchlich. Der Störfall durch (Über-)Kritikalität heißt hier Kritikalitätsstörfall, wie er beispielsweise 1999 in einer Anlage in der Nähe von Tōkai-mura (Japan) stattgefunden hat.

Siehe auch

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