Welche Strahlung besteht aus langsamen Neutronen?

Thermische Neutronen: Die Schlüsselspieler in Kernreaktoren

Neutronenstrahlung ist eine Form ionisierender Strahlung, die aus ungeladenen Neutronen besteht. Sie entsteht bei Kernreaktionen, insbesondere bei der Kernspaltung, und zeichnet sich durch ihre hohe Durchdringungsfähigkeit aus. Im Gegensatz zu Alpha- oder Beta-Strahlung wird sie von Luft kaum beeinflusst und kann auch dickere Materialschichten durchdringen. Innerhalb dieser Neutronenstrahlung spielen die langsamen Neutronen, genauer gesagt die thermischen Neutronen, eine besonders wichtige Rolle, insbesondere im Kontext von Kernreaktoren.

Was macht thermische Neutronen so besonders? Die Bezeichnung "thermisch" bezieht sich auf ihre Geschwindigkeit bzw. ihre kinetische Energie. Sie haben ihre Energie durch Stöße mit anderen Atomen (insbesondere Moderatoren wie Wasser, schweres Wasser oder Graphit) so weit reduziert, dass sie sich im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung befinden. Das bedeutet, ihre durchschnittliche kinetische Energie entspricht der thermischen Energie der Umgebungstemperatur. Bei Raumtemperatur beträgt diese Energie etwa 0,025 Elektronenvolt (eV), was einer Geschwindigkeit von etwa 2200 Metern pro Sekunde entspricht.

Warum sind thermische Neutronen in Kernreaktoren so wichtig?

Die Antwort liegt in ihrer Wechselwirkung mit spaltbarem Material wie Uran-235 oder Plutonium-239. Thermische Neutronen haben eine viel höhere Wahrscheinlichkeit, eine Kernspaltung auszulösen als schnelle Neutronen. Dies ist ein entscheidender Faktor für die Aufrechterhaltung einer kontrollierten Kettenreaktion in einem Kernreaktor.

Hier eine detailliertere Erklärung:

• Höherer Wirkungsquerschnitt: Der Wirkungsquerschnitt ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit einer bestimmten Kernreaktion. Für die Spaltung von Uran-235 oder Plutonium-239 ist der Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen deutlich höher als für schnelle Neutronen. Dies bedeutet, dass ein thermisches Neutron mit größerer Wahrscheinlichkeit auf einen Urankern trifft und diesen spaltet, wodurch weitere Neutronen freigesetzt werden.

• Effizientere Kettenreaktion: Da thermische Neutronen die Spaltung effizienter auslösen, ermöglichen sie eine stabile und kontrollierte Kettenreaktion. Schnelle Neutronen würden oft ohne Spaltung durch den Reaktorkern fliegen oder von anderen Materialien absorbiert werden, wodurch die Kettenreaktion zum Erliegen käme.

• Moderation: Der Prozess der Verlangsamung der Neutronen, bekannt als Moderation, ist daher essenziell. Materialien wie Wasser, schweres Wasser oder Graphit werden als Moderatoren eingesetzt, um die schnellen Neutronen, die bei der Spaltung entstehen, auf thermische Energieniveaus zu bringen. Diese moderierten, thermischen Neutronen können dann die Spaltung weiterer Urankerne auslösen und die Kettenreaktion aufrechterhalten.

Zusammenfassend lässt sich sagen:

Thermische Neutronen sind Neutronen, die durch Stöße mit anderen Atomen auf eine Geschwindigkeit reduziert wurden, die dem thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung entspricht. Sie sind in Kernreaktoren unverzichtbar, da sie einen deutlich höheren Wirkungsquerschnitt für die Spaltung spaltbarer Materialien aufweisen und somit eine effiziente und kontrollierte Kettenreaktion ermöglichen. Die Verlangsamung der Neutronen, die Moderation, ist ein entscheidender Schritt, um diese thermischen Neutronen zu erzeugen und die Kernspaltung effizient zu nutzen.