Spaltstoff

In der Reaktorphysik bezeichnet man als Spaltstoffe Nuklide, die durch thermische Neutronen gespalten werden können^[1]. Dabei ist zu beachten, dass nicht jede Wechselwirkung eines thermischen Neutrons mit dem Atomkern eines Spaltstoffs zwangsläufig zu einer Kernspaltung führt, da der Vorgang bzw. die Kernreaktion statistischer Natur ist – möglich sind auch andere Reaktionen wie z. B. Neutronenstreuung oder Neutroneneinfang ohne Spaltung.

Beschreibung

Grundlegend wird bei der Spaltung eines Spaltstoffkerns die sogenannte Kernenergie freigesetzt. Außerdem entstehen in der Regel – abhängig vom jeweiligen Spaltstoff – im Durchschnitt zwei bis drei Neutronen pro Spaltung, die wiederum neue Kernspaltungen auslösen können (Kettenreaktion).

Der Begriff Spaltstoff kann sich auf quantitative oder makroskopische Mengen nuklearen Materials beziehen. Eine weitere gängige Bezeichnung ist Kernbrennstoff. Im Falle von nichtthermischen Neutronen u. a. kernphysikalischen Aspekten, spricht man auch von Brutstoffen. Beispielsweise ist Uran-238 nur mit Neutronen hoher Energie bzw. Geschwindigkeit spaltbar, zählt jedoch nicht zu den Spaltstoffen, sondern Brutstoffen, da es spaltbares Material (genauer: Plutonium) durch radioaktiven Zerfall bzw. Umwandlung erzeugt.

Anwendungen

Im zivilen Bereich wird die Kernspaltung unter anderem zur Energiegewinnung, im militärischen Bereich in Kernwaffen eingesetzt. Die wichtigsten Spaltstoffe sind Uran-233 und -235 und Plutonium-239 und -241. Die kleinste bzw. geringste Spaltstoffmasse, die eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion in Gang setzt, wird als kritische Masse bezeichnet. Sie beträgt bei einer homogenen Kugel aus Uran-235 etwa 46,7 kg, bei Plutonium-239 ca. 10 kg.^[2] Wenn eine derartige Kugel beispielsweise von Wasser als Moderator umgeben ist, verändert sich die kritische Masse (sie würde reduziert).

Sicherheit im Umgang mit Spaltstoffen

Die kritische Masse kann durch technische Maßnahmen verringert werden. Zu beachten ist, dass auch flüssige Medien, beispielsweise aufgelöste Spaltstoffe in der Prozesstechnik, zu einer kritischen Masse führen können. Feste (metallische) und wässrige Spaltstoffe unterliegen einer Vielzahl verschiedener Parameter. Heutzutage berücksichtigt man aus Sicherheitsgründen (vgl. Leistungsexkursion) die folgenden Bausteine oder Parameter, die mit der Abkürzung MAGIC-MERV zusammengefasst werden:

• M: Masse
• A: Absorption
• G: Geometrie
• I: Interaktion
• C: Konzentration
• M: Moderation
• E: Anreicherung
• R: Reflektor
• V: Volumen

Literatur

Siehe auch: Kernbrennstoff, Reaktorphysik und Actinoide