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  • 4.1.3. Charakteristische Eigenschaften der Kernspaltung a)Spaltung asymmetrisch Vielzahl hochangeregter Tochterkerne Beispiele: 1000 verschiedene -instabile Kerne nach Spaltung langlebige -Strahler zusammen mit 239 Pu heien radioaktiver Mll b)Neutronenberschuss in Tchtern: viele -instabile Tochterkerne (oft langlebig)
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  • c)Bruchstcke hochangeregt & Neutronenberschuss prompte ( t < 10 16 s ) Neutronen-Emission Beispiele: n-Energiespektrum Abdampfen von bewegter Quelle Z 90: Neutronen-Vermehrung Kettenreaktion mglich
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  • d)Verzgerte Neutronen ( t 0,2 s 60 s ) ca. 1% der Neutronen sind verzgert -Zerfall t Verzgerung e)Energiebilanz der -Spaltung Y Klein 100 MeV (Spaltkerne) 8 MeV Y Gro 70 MeV (Spaltkerne) 7 MeV n n 5 MeVNeutrinos ( e )12 MeV (prompt) 7 MeV gesamt: 210 MeV
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  • f)Ternre Spaltung in ca. 1% der Flle: groe Strahlenbelastung durch Tritium symmetrisch g)Spaltquerschnitte: Reaktor funktioniert f tot 1 235 U: f tot 1 fr E n 0 ( thermische Neutronen ) f tot 0 fr E n 1 MeV ( Spalt-Neutronen ) Thermalisierung der Neutronen durch Vielfachstreuung in einem Moderator ist notwendig
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  • 4.2. Kernreaktoren 4.2.1. Neutronen in Materie Abbremsung der Neutronen durch elastische Kernste: keine Anregung, kein Einfang, keine Spaltung Kinematik der Reaktion Beispiele: Dynamik der Reaktion: Dominant s-Wellen-Streuung des n C.M.S. im kinematisch erlaubten Bereich
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  • Mittlerer Energieverlust der Neutronen pro Sto: Beispiel: Wasser ( H 2 O ) als Moderator Streuung an Protonen, A 1 Grobabschtzung der Zahl k der Ste bis zur Thermalisierung:
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  • Zahl k der Ste bis zur Thermalisierung fr realistisches E n -Spektrum: ModeratorH 2 OD 2 O 12 C 4 HeU k 18 25 114 43 2172 Groe Dichte Bremszeiten krzer als bei 4 He Absorptionsprozesse: z.B. n p d in H 2 O allgemeine Forderung: abs el Moderator el / cm abs / cm abs el H 2 O 0,43 51,8 100 D 2 O 2,4 13000 5000 12 C 2,7 2500 1000 U 15 107 10 bei
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  • Kriterien zur Wahl des Moderators: abs gro geringe Neutronenverluste el klein kompakter Reaktor mglich Moderator gleichzeitig als Khlmittel geeignet ? Sicherheit, Kosten, Beispiele: H 2 O:Moderator Khlmittel Druckwasserreaktor ( DWR ), Siedewasserreaktor ( SWR ) 12 C:Khlmittel 4 He Hochtemperaturreaktor ( HTR ) D 2 O:Moderator Khlmittel Natururanreaktor
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  • Weitere Neutronenverluste: 238 U-Absorption Reaktorgifte, z.B. das Spaltprodukt 135 Xe: f ( 235 U ) 500 b abs 3 000 000 b Steuermaterialien ( Cd, B ) kontrollierte Neutronen-Absorption Reaktorbrennstoff: tot ( 235 U ) f ( 235 U )
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  • 4.2.2. Neutronenbilanz und Vierfaktorformel Ziel: Stabiler Reaktorbetrieb mit thermischen Neutronen Methode: Verfolgung einer Neutronengeneration Monte Carlo Simulation Definition: (i) Teilchenzahldichte des Materials i Ausgangspunkt: ein thermisches Neutron a) Regenerationsfaktor: mittlere Spaltneutronen ( alle schnell ) durch Absorption eines thermischen Neutrons im Spaltisotop b) Schnellspaltfaktor: ( schnelle ) Neutronen werden pro Einfang eines thermischen Neutrons insgesamt erzeugt gesamtes n-Spektrum thermische n
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  • c) Verlust ( im endlichen Reaktor ): 1 P S ( 1 P S ) der erzeugten schnellen n verlassen den Reaktor P S schnelle Neutronen verbleiben im Reaktor pro Einfang eines thermischen Neutrons d) Resonanzentkommfaktor: Wahrscheinlichkeit fr Abbremsung ohne Absorption im Resonanzgebiet Verlust: ( 1 P R ) der Neutronen verlassen den Reaktor beim Abbremsen p P S P R abgebremste ( thermische ) Neutronen verbleiben im Reaktor Bild 1
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  • 4.2.2. Bild 1
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  • e) Nutzungsfaktor: Verlust: ( 1 P th ) der thermischen Neutronen verlassen den Reaktor vor der Absorption p f P S P R P th thermische Neutronen werden vom Spaltisotop eingefangen absorbiert im Spaltisotop insgesamt absorbiert zurck nach e) a)
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  • Effektiver Nutzungsfaktor: Unendlicher Reaktor: Vierfaktorformel Stationrer Betrieb k eff 1 Beispiel: Reaktor mit Natururan, 12 C-Moderator, He-Khlung 1,33 1,02 p 0,89 f 0,88 k 1,06 sehr wenig Spielraum fr weitere Verluste ! Erhhung von k : Anreicherung von 235 U Natur: 0,7 % Kernreaktor: 2,3 % 3 % Atombombe: 90 %
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  • 4.2.3. Reaktordynamik Einfaches Modell mit prompten und verzgerten Neutronen: k k eff Reaktivitt Lebensdauer einer n-Generation ( typisch 10 3 10 4 s ) Zerfallskonstante fr Erzeugung verzgerter Neutronen ( typisch ln2 / 12 s ) c Teilchendichte der verzgerten Neutronen Bruchteil der verzgert produzierten Neutronen ( 6 10 3 ) n(t) Teilchendichte der Neutronen zur Zeit t Direkte Komponente: Zusammenspiel n c: t t nc n n n n c c ( 1 )
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  • 4.2.4. Bild 1 4.2.4. Bild 2
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