Moderator (Physik)

Aufgabe und physikalisches Prinzip

Ein Moderator ist ein Material oder Bauteil, das freie, meist schnelle Neutronen abbremst. Das geschieht durch wiederholte elastische Streuung an leichten Atomkernen, also Nukliden mit niedriger Massenzahl. Bei jedem Stoß gibt das Neutron Energie an den getroffenen Kern ab. Der Kern nimmt diese Energie als Rückstoß auf und gibt sie durch weitere Stöße als Wärme an die umgebende Materie weiter.

Besonders wirksam ist ein Moderator, wenn die Masse seiner Atomkerne ungefähr der Neutronenmasse entspricht. Wasserstoff, insbesondere das häufigste Isotop ¹H mit einem einzelnen Proton als Kern, ist deshalb der wirksamste Moderator. Von dieser Moderation ist die Verlangsamung durch unelastische Streuung an mittelschweren Materialien wie Eisen zu unterscheiden. Diese auch „Degradation“ genannte Verlangsamung wird vor allem bei Neutronen im MeV-Bereich, etwa in Abschirmungen, eingesetzt. Dabei geht die Energie hauptsächlich in die Anregung des Atomkerns über, der sie anschließend als Gammastrahlung abgibt.

Geeignete Materialien und benötigte Stöße

Wasserstoff ist in vielen Stoffen, darunter Wasser, Paraffin und viele Kunststoffe, enthalten und stellt dort ungefähr zwei Drittel aller Atome. Ebenfalls verwendbar sind Deuterium als Bestandteil schweren Wassers, Beryllium und Kohlenstoff. Helium ist als stets gasförmiger Stoff praktisch wenig geeignet.

Die Bremswirkung wird unter anderem durch das mittlere logarithmische Energiedekrement beschrieben. Die folgende Übersicht bezieht sich auf ein durch Kernspaltung freigesetztes Neutron mit einer typischen Energie von etwa 2 MeV, das bis auf thermische Energie abgebremst wird:

• Wasserstoff: Kernmasse 1 u, Energiedekrement ξ = 1, Anzahl der Stöße 18.
• Deuterium: Kernmasse 2 u, ξ = 0,7261, Anzahl der Stöße 25.
• Beryllium: Kernmasse 9 u, ξ = 0,2078, Anzahl der Stöße 86.
• Kohlenstoff: Kernmasse 12 u, ξ = 0,1589, Anzahl der Stöße 114.
• Sauerstoff: Kernmasse 16 u, ξ = 0,1209, Anzahl der Stöße 150.
• Uran: Kernmasse 238 u, ξ = 0,0084, Anzahl der Stöße 2172.

Je kleiner die Masse des Atomkerns im Vergleich zum Neutron ist, desto mehr Stöße sind im Allgemeinen erforderlich.

Vergleich der Moderationsfähigkeit

Zum Vergleich von Moderatoren dient die Moderationsfähigkeit ξ · (σ_el / σ_γ).

Dabei ist ξ das mittlere logarithmische Energiedekrement, definiert als ξ = ln(E₀/Eₙ). σ_el bezeichnet den Wirkungsquerschnitt für elastische Neutronenstreuung, σ_γ den Wirkungsquerschnitt für Neutroneneinfang. Die Werte gelten für thermische Neutronen mit einer Energie von 0,0253 eV:

• Leichtwasser: ξ = 0,920; σ_el = 25,47; σ_γ = 0,33; σ_el/σ_γ = 77,17; Moderationsfähigkeit = 71.
• Schweres Wasser: ξ = 0,509; σ_el = 5,57; σ_γ = 0,0005; σ_el/σ_γ = 11139,49; Moderationsfähigkeit = 5670.
• Graphit: ξ = 0,128; σ_el = 5,25; σ_γ = 0,0035; σ_el/σ_γ = 1500; Moderationsfähigkeit = 192.

Leichtwasser besitzt trotz seines hohen Energiedekrements eine vergleichsweise niedrige Moderationsfähigkeit, weil es einen großen Neutroneneinfangquerschnitt hat.

Moderatoren in Kernreaktoren

Das wichtigste Einsatzgebiet sind Kernreaktoren. Bei der Spaltung von Uran-235 oder Plutonium-239 entstehen schnelle Neutronen. Diese lösen nur selten eine weitere Kernspaltung aus; thermische Neutronen bewirken dies wegen ihres größeren Wirkungsquerschnitts mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit. Ein moderierter Reaktor benötigt deshalb für eine selbsterhaltende Spaltungskettenreaktion wesentlich weniger Kernbrennstoff als ein schneller Reaktor ohne Moderator. In Kernkraftwerken werden dafür leichtes Wasser, schweres Wasser und Kohlenstoff in Form von Graphit verwendet.

In Leichtwasserreaktoren dient gewöhnliches Wasser als Moderator. Es absorbiert jedoch Neutronen. Zum Ausgleich werden angereichertes Uran mit einem höheren Anteil an ²³⁵U und eine größere Uranmenge verwendet. Leichtwasser ist preiswert und nicht brennbar. Bei einer Überhitzung verdampft es; dadurch fehlt die Moderation und die Kettenreaktion erlischt.

Reiner Graphit ist relativ einfach herzustellen und absorbiert nur sehr wenige Neutronen. Graphitmoderierte Reaktoren können daher mit nicht angereichertem Natururan betrieben werden. Der 1942 unter Leitung von Enrico Fermi in Chicago gebaute erste funktionsfähige Versuchsreaktor war so konstruiert. Zu den graphitmoderierten Leistungsreaktoren gehören die britischen Magnox-Reaktoren und die später in der Sowjetunion entwickelten RBMK-Reaktoren, die heute nur noch in Russland in Betrieb sind. Beim Unfall von Tschernobyl 1986 behielt der Graphit trotz der Überhitzung seine moderierenden Eigenschaften. Die Kettenreaktion konnte nicht unterbrochen werden; es kam zu einer starken Leistungssteigerung, zur Überhitzung der Brennelemente und zu einem enormen Druckanstieg mit explosionsartiger Zerstörung des Reaktorraums. Der größte Schaden entstand durch den Brand des Graphits, dessen heiße Rauchgase radioaktive Partikel in große Höhen transportierten. Ein weiterer graphitmoderierter Typ ist der gasgekühlte Hochtemperaturreaktor.

Weitere Reaktoreigenschaften und Anwendungen

Die Wahl des Moderators beeinflusst Größe, Brennstoff und Betrieb eines Reaktors:

• Schweres Wasser hat nur eine geringe Tendenz zum Neutroneneinfang. Mit ihm moderierte Reaktoren können Natururan verwenden und vergleichsweise klein gebaut werden. Deshalb werden sie bei mobilen Anwendungen wie Atom-U-Booten bevorzugt eingesetzt.
• Leichtes Wasser absorbiert Neutronen durch die Reaktion ¹H(n, γ)²H. Deshalb benötigen solche Reaktoren angereichertes Uran und deutlich mehr Volumen.
• Graphit absorbiert nur wenig, bremst Neutronen aber erst nach vielen Stößen ab. Graphitmoderierte Reaktorkerne sind daher deutlich größer als die von Leichtwasserreaktoren.
• Brutreaktoren enthalten keinen Moderator, weil dort die Spaltung durch schnelle Neutronen erwünscht ist. Das als Kühlmittel verwendete Natrium mit der Massenzahl 23 besitzt eine deutlich geringere moderierende Wirkung als Wasser.

Moderatoren werden außerdem in Neutronenabschirmungen eingesetzt, häufig zusammen mit einem Absorber für thermische Neutronen, etwa Bor oder einer Lithiumverbindung. Mit einer Neutronenquelle dienen sie dazu, ein Neutronenspektrum mit großem thermischem Anteil bereitzustellen, beispielsweise für Neutronenaktivierungsmessungen. In vielen Neutronendetektoren werden Neutronen zunächst auf thermische Energie abgebremst, damit anschließend eine Absorptionsreaktion zu ihrem Nachweis genutzt werden kann, etwa ¹⁰B(n, α). Ein Beispiel ist der Long Counter. In diesen Anwendungen wird meist Wasserstoff verwendet, häufig als festes Paraffin oder als Kunststoff.