Reaktorphysik – einfach erklärt

Gegenstand und Funktionsweise

Die Reaktorphysik umfasst die Reaktortheorie und die experimentelle Reaktorphysik. Sie untersucht die kernphysikalischen Vorgänge in einem Kernreaktor. Im Mittelpunkt steht die Wechselwirkung freier Neutronen mit Atomkernen in einem begrenzten Raumbereich. Das Fachgebiet wird daher hauptsächlich als „Neutronenphysik des Reaktors“ verstanden; gelegentlich wird dafür auch der Begriff „Reaktorneutronik“ verwendet.

Bei der Spaltung von Atomkernen entstehen freie Neutronen in hoher Anzahldichte und mit hoher kinetischer Energie. Sie bewegen sich sehr schnell durch den mit Materie erfüllten Raum, stoßen mit Atomkernen zusammen und geben dabei Energie ab. Durch diese Wechselwirkungen lösen sie verschiedene Kernreaktionen aus und verändern die Anzahldichten der vorhandenen Nuklide. Nach Sekundenbruchteilen werden sie überwiegend von spaltbaren Atomkernen eingefangen. Deshalb kann der radioaktive Zerfall des Neutrons mit einer Lebensdauer von 880 s in der Neutronenbilanz vernachlässigt werden. Mit der Absorption in einem Atomkern endet der Lebensweg des Neutrons. Kommt es bei einem spaltbaren Nuklid zur Spaltung, entsteht eine neue Generation von Neutronen.

Die Reaktorphysik baut auf der Kernphysik auf und entwickelte sich aus ihr. Für Kernreaktoren sind außerdem Thermodynamik und Strömungsmechanik wichtig, besonders bei Leistungsreaktoren. Reaktortechnik ist für Planung, Auslegung, Bau, Betrieb und Stilllegung zuständig. Die Kerntechnik umfasst die Reaktortechnik sowie unter anderem Nuklearmedizin, Strahlentherapie und weitere Anwendungen der Radioaktivität.

Grundgleichungen und wichtige Größen

Die grundlegende Gleichung ist die Boltzmannsche Neutronentransportgleichung. Sie ist eine reelle partielle Integro-Differentialgleichung für den Neutronenwinkelfluss ψ. Der Neutronenwinkelfluss ist klassisch-mechanisch interpretierbar und hängt von Ort, Neutronenenergie, Flugrichtung und Zeitpunkt ab. Die Gleichung kann nur numerisch näherungsweise gelöst werden.

Eine für die Praxis wichtige Näherung ist die Neutronendiffusionsgleichung. Im stationären Fall wird die Transportgleichung dabei durch eine elliptische partielle Differentialgleichung ersetzt; ihre Lösungsfunktion ist der Neutronenfluss. Die Reaktoranalysis bestimmt die Verteilung der Neutronen nach Ort, Energie, Flugrichtung und Zeitpunkt. Der Neutronenfluss ist dabei frei normierbar, etwa so, dass sein Maximalwert Eins beträgt.

Zu den wichtigsten Größen gehören:

Die Kernreaktionsratendichte r(x⃗,t) hat die Einheit r/(cm³ s) und ist ein Skalar.
Der Neutronenfluss Φ(x⃗,E,t) hat die Einheit n/(cm² s) und ist ein Skalar.
Das Neutronenflussspektrum φ(x⃗,E,t) hat die Einheit n/(cm² s eV) und ist ein Skalar.
Der Neutronenwinkelfluss ψ(x⃗,E,Ω,t) hat die Einheit n/(cm² s eV sr) und ist ein Skalar.
Die Neutronenstromdichte J⃗(x⃗,E,t) hat die Einheit n/(cm² s) und ist die einzige der aufgeführten Größen mit Vektorcharakter.
Die Neutronenanzahldichte n(x⃗,t), auch Neutronendichte genannt, hat die Einheit n/cm³.
Die Atomanzahldichte N(x⃗,t), auch Atomdichte genannt, hat die Einheit a/cm³.
Der mikroskopische Wirkungsquerschnitt σ(E) hat die Einheit cm²; der makroskopische Wirkungsquerschnitt Σ(x⃗,t) die Einheit 1/cm.
Der spezifische Abbrand B(x⃗,t) hat die Einheit kW d/g.
Die Neutronenfluenz Φₜ(x⃗,E) hat die Einheit n/cm².
Der effektive Neutronenmultiplikationsfaktor k_eff und die Reaktivität ρ sind dimensionslos.

Das Einheitensymbol n steht für die Anzahl der Neutronen, r für die Anzahl der Kernreaktionen, a für die Anzahl der Atome, sr für Steradiant, W für Watt und d für Tag. Der Neutronenfluss wird trotz seines Namens weder als physikalischer Fluss noch als Flussdichte im üblichen Sinn verstanden; auch beim makroskopischen Wirkungsquerschnitt kann die Bezeichnung zu Missverständnissen führen.

Analyse- und Rechenmethoden

Eine allgemein verbindliche Untergliederung der Reaktorphysik gibt es nicht. In Anlehnung an die Konferenzen Physics of Reactors (PHYSOR) werden mehrere Teilbereiche unterschieden.

Die Reaktoranalysis entwickelt die physikalischen und numerisch-mathematischen Verfahren zur Berechnung der Neutronenverteilung. Sie behandelt sowohl Zellberechnungen für Teilbereiche des Reaktors als auch globale Reaktorberechnungen für den gesamten Reaktor und seine nähere Umgebung. Die numerischen Näherungsverfahren unterscheiden sich je nach Reaktortyp und werden fortlaufend weiterentwickelt.

Die deterministische Transporttheorie, einschließlich der Neutronendiffusionstheorie, diskretisiert Ort, Energie und gegebenenfalls Flugrichtung. Dadurch entstehen Differenzengleichungssysteme, die numerisch gelöst werden. Im Mittelpunkt steht meist der kritische, stationäre Reaktor. Berechnet werden unter anderem Neutronenspektren, Mehrgruppenquerschnitte sowie Gitter- und Zellprobleme. Bei längerfristigen Änderungen wird anstelle der Zeit häufig der Abbrand als unabhängige Größe verwendet.

Monte-Carlo-Methoden verfolgen den Lebensweg einzelner Teilchen: von ihrer Entstehung oder ihrem Eintritt in einen Raumbereich über alle Kernprozesse bis zu ihrem Tod oder Austritt. Geometrie, Materialverteilung und Nukleardaten sind Eingaben. Mithilfe von Pseudozufallszahlen werden die einzelnen Ereignisse entsprechend ihren Wahrscheinlichkeiten statistisch simuliert. Bekannte Programme sind MCNP und SERPENT.

In Reaktorkinetik und Reaktordynamik werden kurze zeitliche Änderungen der Reaktorparameter untersucht. Dazu wird die Neutronenphysik mit Fluiddynamik und Thermodynamik gekoppelt. Bei Transienten ist der effektive Neutronenmultiplikationsfaktor nicht gleich 1; Neutronenfluss und Reaktorleistung ändern sich mit der Zeit. Eine veränderte Leistung beeinflusst über den Temperaturkoeffizienten wiederum k_eff. Wichtige Fälle sind Auslegungsstörfälle, Kühlmittelverluststörfälle und Reaktivitätsstörfälle, bei denen eine unbeabsichtigte Zufuhr von Reaktivität zu einer Leistungsexkursion führen kann.

Daten, Anwendungen und Reaktortypen

Reaktorphysikalische Computerprogramme benötigen Nukleardaten für alle Nuklide, die beim Betrieb eingesetzt werden oder durch Kernreaktionen entstehen. Diese Daten werden überwiegend gemessen, weil die theoretische Kernphysik sie meist nicht mit der für reaktorphysikalische Berechnungen erforderlichen Genauigkeit bestimmen kann. Zu den Nukleardaten gehören radioaktive Zerfallseigenschaften, Spaltausbeuten sowie Wechselwirkungsdaten wie Wirkungsquerschnitte, Resonanzparameter und Energie- und Winkelverteilungen für verschiedene Projektile und weite Energiebereiche.

Die Daten werden in Datenbanken gespeichert. EXFOR enthält experimentelle Daten, ENDF, JEFF und ENSDF eingeschätzte Daten, während PENDF und GENDF verarbeitete Datenformate sind. Das Visualisierungsprogramm JANIS ermöglicht nach einer Einarbeitung den Zugriff auf numerische Werte und grafische Darstellungen. Atommassen gehören streng genommen nicht zu den Kerndaten, werden aber benötigt, um die Anzahldichten der Nuklide zu berechnen. Geschätzte Atommassen erscheinen in größeren Zeitabständen in einer Atomic Mass Evaluation.

Der Brennstoffzyklus umfasst theoretisch in der Reaktorphysik und praktisch in der Kerntechnik alle Arbeitsschritte und Prozesse zur Versorgung und Entsorgung radioaktiver Stoffe. Dazu zählen beispielsweise Kritikalitätsberechnungen für die sichere Zwischenlagerung abgebrannter Brennelemente. Die Umweltauswirkungen nuklearer Aktivitäten werden ebenfalls mit Computerprogrammen untersucht; 2018 waren im NEA-Computer Program Service mehr als 170 Programme der Kategorie Environmental and Earth Sciences verzeichnet, an deren Entstehung Reaktorphysiker beteiligt waren.

Für den Leistungsbetrieb werden klassische Reaktortypen und neue Konzepte untersucht. Seit dem Jahr 2000 stehen sechs Reaktortypen der IV. Generation auf dem Prüfstand: der schnelle gasgekühlte Reaktor, der Höchsttemperaturreaktor, der Leichtwasserreaktor mit überkritischem Wasser als Moderator, Kühlmittel und Wärmeüberträger, der schnelle natriumgekühlte Reaktor, der schnelle bleigekühlte Reaktor und der Salzschmelzenreaktor.

Forschungsreaktoren dienen physikalischen, kern- und materialtechnischen Untersuchungen, der Produktion von Radionukliden für Medizin und Technik sowie der Ausbildung. Genutzt wird vor allem die Neutronenstrahlung, nicht die Wärmeenergie. Nullleistungsreaktoren beziehungsweise kritische Anordnungen wie SNEAK ermöglichen unter anderem Messungen der räumlichen Neutronenfluss- und Leistungsverteilung, von Steuerstab-Reaktivitätswerten, Konversionsraten, Neutronenspektren und Reaktivitätskoeffizienten.

Entwicklung, Fachgemeinschaft und Programme

Freie Neutronen in hoher Anzahldichte standen erst seit der Inbetriebnahme des ersten Kernreaktors Chicago Pile im Jahr 1942 für Forschung und Anwendung zur Verfügung. Bis zur Mitte der 1950er Jahre wurde die Forschung zunächst der Kernphysik zugerechnet. Wegen der wachsenden Zahl spezialisierter Reaktorphysiker und der zunehmenden Eigenständigkeit ihrer Methoden bildete sich die Reaktorphysik als eigener Zweig heraus. Als wichtiger Meilenstein gilt die Erste Internationale Konferenz zur friedlichen Nutzung der Atomenergie in Genf 1955. Danach entstanden nationale Kernforschungszentren, darunter in Deutschland Karlsruhe, Jülich und Rossendorf, mit eigenen Abteilungen für Reaktorphysik oder Reaktortheorie. Die ersten einschlägigen Fachzeitschriften Nuclear Science and Engineering und Атомная энергия wurden 1956 gegründet. 1957 entstand die Nuclear Energy Agency (NEA) innerhalb der OECD; sie betreibt Nukleardatenbanken und einen Dienst für Computerprogramme. Im selben Jahr erschien das erste deutschsprachige Lehrbuch der Reaktorphysik und -technik.

Atomic Energy Research (AER) verbindet Reaktorphysiker und Ingenieure aus Ländern mit WWER-Reaktoren. Seit 1991 findet jährlich im Herbst ein AER-Symposium statt. Arbeitsgruppen befassen sich unter anderem mit Kerndatenbibliotheken, Core Design, Core Monitoring, WWER-Sicherheitsanalyse, abgebrannten Brennelementen und radioaktiven Abfällen, Brennstoffkreislauf sowie Thermohydraulik und CFD. Die PHYSOR-Konferenzen der American Nuclear Society und internationaler Partner finden alle zwei Jahre statt und dienen dem weltweiten Austausch über Reaktorphysik, Reaktorforschung und Reaktoranalyse.

Das 1957 veröffentlichte zweidimensionale Fortran-Programm PDQ berechnet für wenige Energiegruppen eine diskrete Näherung des Neutronenflusses aus den zeitunabhängigen Diffusionsgleichungen. Es behandelt heterogene Reaktoren in rechteckigen Bereichen mit den Ortskoordinaten (x,y) oder (r,z). PDQ war Vorbild für zahlreiche Programme und verlor seine dominante Stellung erst nach der Entwicklung nodaler Diffusionsprogramme. Die NEA sammelt, testet und verteilt Computerprogramme; allein in der Kategorie Static Design Studies sind 60 Fortran-Programme aufgeführt.

Zu den bekannten Reaktorphysikern zählen Eugene Wigner und Alvin M. Weinberg; seit 1990 vergibt die American Nuclear Society jährlich den Eugene P. Wigner Reactor Physicist Award. In Deutschland werden Karl Wirtz und Rudolf Schulten genannt. Reaktorphysik und verwandte Gebiete werden unter anderem in Aachen, Dresden und Karlsruhe, an den technischen Hochschulen in Zürich und Lausanne, an der Technischen Universität Wien, an der Universität Paris-Saclay, an der Universität Grenoble Alpes und an der Technischen Universität Delft gelehrt und erforscht.