Kritische Masse

Begriff und Kritikalität

Die kritische Masse ist die Mindestmasse eines Objekts aus spaltbarem Material, bei der eine Kettenreaktion der Kernspaltung aufrechterhalten werden kann. Bei jeder Kernspaltung werden Neutronen frei. Kritisch ist das Material, wenn davon durchschnittlich genau ein Neutron eine weitere Spaltung auslöst. Die übrigen Neutronen verlassen das Objekt oder werden absorbiert. Die Reaktionsrate bleibt dann konstant; der Multiplikationsfaktor, also das Verhältnis der Neutronenzahl einer Generation zur vorherigen, beträgt 1. Diesen Zustand nennt man Kritikalität.

Bei einem Multiplikationsfaktor unter 1 ist das Material unterkritisch: Die Kettenreaktion klingt ab. Liegt der Faktor über 1, ist es überkritisch: Durchschnittlich verursacht jede Spaltung mehr als eine weitere Spaltung, sodass die Reaktionsrate ansteigt.

Einflussfaktoren und Richtwerte

Die kritische Masse ist kein fester Wert allein für ein bestimmtes Element. Sie hängt hauptsächlich vom verwendeten Nuklid oder Nuklidgemisch, von Dichte und Form des Objekts sowie von moderierenden, neutronenabsorbierenden und neutronenreflektierenden Stoffen ab. Ein Nuklid ist eine Atomkernsorte mit einer bestimmten Protonen- und Neutronenzahl.

Eine höhere Dichte senkt die kritische Masse. Am kleinsten ist sie bei einer Kugel, weil diese bei gegebenem Volumen die kleinste Oberfläche und damit den geringsten Neutronenverlust nach außen besitzt. Andere Formen benötigen eine größere Masse. Neutronenabsorber fangen Neutronen ein und erhöhen deshalb die kritische Masse. Ein Moderator bremst Neutronen ab; ein Neutronenreflektor lenkt entweichende Neutronen in das Material zurück. Beide können die kritische Masse verringern.

Tabellenwerte gelten üblicherweise für homogene, unkomprimierte Kugeln aus reinem Material. Für schnelle, unmoderierte Systeme zeigt sich der Einfluss eines Reflektors deutlich: Bei Uran-235 beträgt die kritische Masse ohne Reflektor 49,00 kg, mit 20 cm Wasser 22,80 kg und mit 30 cm Stahl 17,20 kg. Für Plutonium-239 lauten die entsprechenden Werte 10,00 kg, 5,42–5,45 kg und 4,49 kg. Die Tabelle nennt je nach Nuklid sehr unterschiedliche Werte, beispielsweise unreflektiert 2839,00 kg für Thorium-229, 6,79 kg für Neptunium-236 und 4,27 kg für Californium-254.

Die Angaben sind größtenteils theoretisch berechnet. Experimentelle Daten gibt es nur für einige Uran-, Neptunium- und Plutoniumisotope. Wegen unzureichend bekannter Wirkungsquerschnitte, also Wahrscheinlichkeiten bestimmter Kernreaktionen, bestehen teils erhebliche Unsicherheiten; auch scheinbar genaue Werte können stark unsicher sein. Für Protactinium-231 liegen widersprüchliche Angaben dazu vor, ob es eine Kettenreaktion aufrechterhalten kann. Für Thorium-228 war dies nach den bis Dezember 2008 öffentlich bekannten Daten ebenfalls nicht überprüfbar. In wässriger Lösung kann die kritische Masse mancher Nuklide um mehr als eine Größenordnung sinken. Für Berkelium-248, Californium-248, Einsteinium-252 und Mendelevium-258 fehlen evaluierte Daten. Fermium-257 kann eine Kettenreaktion aufrechterhalten, doch seine kritische Masse ist nicht angegeben.

Anwendung in Kernreaktoren

Ein Kernreaktor kann je nach Größe ein Vielfaches der kritischen Masse an Spaltstoff enthalten. Dieser liegt jedoch nicht als kompakte Kugel aus reinem Material vor, sondern ist räumlich verteilt und mit anderen Stoffen durchsetzt. Dazu gehören nicht spaltbare Nuklide, Hüllrohre, Kühlmittel, Neutronenabsorber und auch Moderatoren.

Mehrere voneinander unabhängige Sicherheitseigenschaften und Einrichtungen sollen eine unkontrollierte Kritikalität verhindern. Der Reaktor kann unterkritisch gemacht werden, indem man den Moderator entzieht oder Absorber einbringt. Besonders wichtig sind Steuerstäbe, die Cadmium- oder Borverbindungen enthalten und Neutronen aufnehmen. In Leistungsreaktoren und den meisten Forschungsreaktoren stellen die Steuerstäbe außerdem die für den Betrieb nötige verzögerte Kritikalität ein.

Bei schweren Unfällen mit Kernschmelze kann sich Spaltmaterial möglicherweise wieder kompakt ansammeln. Neuere Reaktorentwürfe besitzen deshalb einen Core-Catcher oder Kernfänger, der das geschmolzene Reaktormaterial, das Corium, auffängt. Er muss auch eine Rekritikalität verhindern, also die unbeabsichtigte erneute Bildung eines kritischen Zustands, besonders wenn Moderatoren aus dem beschädigten Reaktorkern vorhanden sind.

Bedeutung für Kernwaffen

Bei einer Kernwaffe werden unterkritische Mengen durch einen chemischen Sprengsatz sehr schnell so zusammengebracht, dass eine prompt überkritische Masse entsteht. Möglich sind etwa zwei jeweils unterkritische Teilstücke oder eine unterkritische Hohlkugel. „Prompt überkritisch“ bedeutet hier, dass die Kettenreaktion sehr rasch anwächst.

Um mit möglichst wenig Spaltstoff auszukommen, werden vor allem zwei Techniken eingesetzt. Bei der Kompression presst eine chemische Explosion das Material sehr schnell zu einer Kugel zusammen. Dadurch steigt seine Dichte, und die kritische Masse sinkt. Ein Neutronenreflektor kann ebenfalls die nötige Spaltstoffmasse herabsetzen, indem er Neutronen zurück in das Material lenkt; die gesamte Konstruktion wird dadurch jedoch verhältnismäßig schwer. Allgemein kann eine zunächst unterkritische Kugel durch günstigere Geometrie oder eine reflektierende Umhüllung kritisch beziehungsweise überkritisch werden.

Kritikalitätssicherheit

Die nukleare Kritikalitätssicherheit soll Menschen in Einrichtungen schützen, die mit spaltbarem Material arbeiten. Besonders die Handhabung außerhalb eines Kernreaktors – etwa chemische Prozessierung und mechanische Bearbeitung – unterliegt strengen Regeln. Das gilt auch für ausgediente Kernbrennstoffe. Einschlägige Sicherheitsvorschriften und Regelwerke sind unter anderem DIN 25403, KTA 3107 und ANSI/ANS-8.1.

In der Vergangenheit ereigneten sich auch tödliche Kritikalitätsunfälle. Ursache waren Leistungsexkursionen, also plötzliche starke Anstiege der Reaktionsleistung. Eine entscheidende Rolle spielte dabei nicht fachgerechter Umgang, insbesondere mit angereichertem Uran oder Plutonium. Die Sicherheitsmaßnahmen richten sich deshalb nicht nur nach der Masse, sondern ebenso nach Form, Dichte, räumlicher Anordnung sowie nach vorhandenen Moderatoren, Absorbern und Reflektoren.