Kernreaktor

Ein Kernreaktor, auch Atomreaktor oder Atommeiler ist eine Anlage, in der eine Kernspaltungsreaktion kontinuierlich als Kettenreaktion im makroskopischen, technischen Maßstab abläuft.

Weltweit verbreitet sind Leistungsreaktoren, Kernreaktoranlagen, die durch die Spaltung (fission) von Uran oder Plutonium zunächst Wärme und daraus meist elektrische Energie (siehe Kernkraftwerk) gewinnen. Dagegen dienen Forschungsreaktoren zur Erzeugung von freien Neutronen, etwa für Zwecke der Materialforschung oder zur Herstellung von bestimmten radioaktiven Nukliden für medizinische oder ähnliche Zwecke.

Im Erdaltertum kam es in wenigen Uran-Lagerstätten zur neutroneninduzierten Kernspaltung (siehe Naturreaktor Oklo/Naturreaktor Gabun).

Ein Kernkraftwerk hat oft mehrere Reaktoren. Die beiden Begriffe werden oft ungenau verwendet. Zum Beispiel ist mit der Aussage „in Deutschland liefen bis zum Atomausstieg 17 Kernkraftwerke“ gemeint, dass 17 Kernreaktoren an deutlich weniger Standorten liefen. So etwa bestand das Kernkraftwerk Gundremmingen ursprünglich aus drei Reaktorblöcken; jeder Block besteht aus einem Reaktor mit Dampferzeuger und einem Turbosatz.

Die meisten Kernreaktoren sind ortsfeste Anlagen. In der Atom-Euphorie der späten 1950er und frühen 1960er Jahre kam der Gedanke an atomgetriebene Straßenfahrzeuge, Flugzeuge oder Raumschiffe auf. Inzwischen gibt es einige Kernreaktoren in U-Booten, Überwasserschiffen und Raumflugkörpern.

• Die USA besitzen zehn und Frankreich einen Flugzeugträger mit Atomantrieb,
• Sechs Atommächte besitzen atomgetriebene U-Boote,
• Einige Atomeisbrecher und atombetriebene Frachter sind in Betrieb

Funktionsweise

Die Kernspaltung

Zwischen den Protonen und den Neutronen eines Atomkerns wirken sehr starke anziehende Kräfte, die jedoch eine nur sehr begrenzte Reichweite haben. Daher wirkt diese Kernkraft im Wesentlichen auf die nächsten Nachbarn – weiter entfernte Nukleonen tragen zu der anziehenden Kraft nur in geringem Maße bei. Solange die Kernkraft größer ist als die abstoßende Coulombkraft zwischen den positiv geladenen Protonen, hält der Kern zusammen. Kleine Atomkerne sind stabil, wenn sie je Proton ein Neutron enthalten: ⁴⁰Ca ist das schwerste stabile Nuklid mit gleicher Protonen- und Neutronenzahl. Mit zunehmender Protonenzahl wird ein immer höherer Neutronenüberschuss zur Stabilität erforderlich; die abstoßende Coulombkraft der Protonen untereinander wird durch die anziehende Kernkraft der zusätzlichen Neutronen kompensiert.

Fängt ein sehr schwerer Kern, etwa des Uranisotops ²³⁵U oder des Plutoniumisotops ²³⁹Pu, ein Neutron ein, so wird er durch die gewonnene Bindungsenergie zu einem hoch angeregten, instabilen ²³⁶U- beziehungsweise ²⁴⁰Pu-Kern. Solche hochangeregten schweren Kerne regen sich mit extrem kurzen Halbwertszeiten durch Kernspaltung ab. Anschaulich gesagt gerät der Kern durch die Neutronenabsorption wie ein angestoßener Wassertropfen in Schwingungen und zerreißt in (meist) zwei Bruchstücke (mit einem Massenverhältnis von etwa 2 zu 3), die mit hoher Bewegungsenergie auseinanderfliegen; außerdem werden etwa zwei bis drei schnelle Neutronen frei. Diese Neutronen stehen für weitere Kernspaltungen zur Verfügung; das ist die Grundlage der nuklearen Kettenreaktion.