Erbrüten von Plutonium

Mein Versuch zur Physik der Reaktoren wurde zum Suchbegriff „brutverfahren für atomkraft“ gefunden. Dazu gibt er aber nicht sehr viel her.
In jedem Kernspaltungsreaktor entsteht aus dem vorhandenen Uranisotop U-238 durch Neutroneneinfang und zwei nachfolgende Betazerfälle Plutonium, bevorzugt das Isotop Pu-239, allerdings durch weitere Neutroneneinfänge auch schwerere Isotope.
Der Vogang läuft so ab: Ein Atomkern des Isotops U-238 fängt ein Neutron ein. Dabei entsteht ein Kern des Isotops U-239. Kerne dieses Isotops sind radioaktiv, sie zerfallen zu 100% durch Elektronenemission (Betazerfall) zum Neptuniumisotop Np-239. Die Halbwertszeit beträgt 23,45 Minuten. Das Np-239 ist wieder instabil mit einer kurzen Halbwertszeit von 2,355 Tagen und wiederum ein Betastrahler. Es zerfällt zum relativ langlebigen Plutoniumisotop Pu-239. Dieses ist ein Alphastrahler mit einer Halbwertszeit von etwa 24’000 Jahren und zerfällt zu Uran U-235. Damit ist es stabil genug, dass es sich in Brut- und anderen Reaktoren ansammelt. Zudem ist es ein Kernbrennstoff, der in einer Kettenreaktion eingesetzt werden kann.
Die beiden Betazerfallsschritte laufen nach einem recht festen Schema ab und zudem noch so schnell, dass nach einiger Zeit das Pu-239 mit Abstand häufiger im Material auftaucht als die beiden „Unterwegsisotope“. An diesen Schritten kann man nichts ändern, und diese Schritte laufen ohnehin so ab, dass das erwünschte Produkt Pu-239 entsteht.
Der erste Schritt ist der Neutroneneinfang. Wie wahrscheinlich dieser Neutroneneinfang ist, wird durch den Einfangquerschnitt wiedergegeben. Dieser geht überraschenderweise mit zunehmender kinetischer Energie der Neutronen zurück (siehe z.B. http://www.igcar.ernet.in/nuclear/neutron_interactions.htm). Auf den ersten Blick ist das erstaunlich, denn Brutreaktoren werden nicht moderiert, laufen also mit Neutronen höherer kinetischer Energie. Läge sie niedriger, würden die Neutronen mit höherer Wahrscheinlichkeit eingefangen.
Der Knackpunkt liegt woanders: Die Zahl der Neutronen, die bei einer Spaltung von U-235 frei wird, liegt bei der Kernspaltung in nicht moderierten Reaktoren höher (siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Brutreaktor#Brennstoff-Brutprozess). Damit ein Brutreaktor mehr Kernbrennstoff erzeugen kann, als er selbst verbraucht, ist man darauf angewiesen, pro Spaltung mindestens ein Neutron für eine Brutreaktion nutzen zu können. Das geht nur dann, wenn die Spaltungsreaktion am Anfang mehr als zwei Neutronen freisetzt: Eines wird für das Aufrechterhalten der Kettenreaktion benötigt, das andere dafür, den verbrauchten Brennstoffkern durch einen erbrüteten Brennstoffkern zu ersetzen. Alle weiteren Neutronen sind „Reserve“ für weitere Brutvorgänge und im Reaktor verloren gegangene Neutronen.
Warum gibt es nur ganz wenige Brutreaktoren? Der Grund hierfür liegt in den technischen Anforderungen, die die schnelle Kettenreaktion mit den schnellen Neutronen an die Reaktorkonstruktion stellt. Damit der Reaktor nicht moderiert ist, fällt Wasser als Kühlmittel schon mal aus. Dieses wäre in großen Mengen im Reaktor unterwegs und wäre infolgedessen ein stark wirksamer Moderator. Es kommen also nur Kühlmittel mit schweren Isotopen und niedrigem Einfangquerschnitt in Frage oder solche, die nur mit einer geringen Zahl von Atomen unterwegs sind, d.h. Gase. Als schweres Isotop ist prinzipiell Natrium geeignet. Um allerdings damit einen Kühlkreislauf aufzubauen, muß es flüssig sein und bleiben. Dieses Alkalimetall hat einen Schmelzpunkt von etwa 97 Grad Celsius. Wenn der Reaktor heruntergefahren ist, muss der Kühlkreislauf beheizt werden, damit das Kühlmittel flüssig bleibt. Schwerer wiegt aber, dass Natrium chemisch sehr reaktiv ist und beispielsweise mit Wasser heftig unter Wasserstoffbildung reagiert. Das stellt ein sehr großes Risiko für den Reaktor als solchen dar, da der Kontakt des Kühlmittels mit Wasser katastrophale Folgen hat. Daher werden ggf. konstruktive Maßnahmen getroffen, um insbesondere den primären Natriumkreislauf wirksam vom Wasser-Dampfkreislauf des Turbinensystems zu trennen. Wasser ist hier für Notkühlung oder als Löschmittel nicht brauchbar. Ein Brutreaktor ist eine sehr spezielle und sehr aufwändige Anlage und deshalb schwierig und damit teuer zu betreiben. Zusätzlich reduziert das das Betriebsrisiko des Reaktors nicht gerade.

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