Thermischer Reaktor vs. schneller Reaktor: Unterschied und Vergleich

Key Take Away

1. Neutronengeschwindigkeit: Der grundlegende Unterschied zwischen thermischen Reaktoren und schnellen Reaktoren ist das Energieniveau der Neutronen, die die Spaltung verursachen. Thermoreaktoren verwenden langsame oder „thermische“ Neutronen, um die nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, während schnelle Reaktoren energiereiche oder „schnelle“ Neutronen verwenden.
2. Kraftstoff und Effizienz: Thermische Reaktoren verwenden als Brennstoff hauptsächlich Uran-235 oder Plutonium-239, die sowohl mit schnellen als auch mit langsamen Neutronen spaltbar sind. Schnelle Reaktoren können jedoch auch Uran-238, ein viel häufiger vorkommendes Isotop, effizient nutzen und daraus auch mehr Brennstoff (Plutonium-239) „züchten“, was zu einer besseren Brennstoffausnutzung und weniger Abfall führt.
3. Moderation und Kühlung: Thermische Reaktoren benötigen einen Moderator wie Wasser oder Graphit, um Neutronen auf thermische Energie zu verlangsamen, der in vielen Konstruktionen auch als Kühlmittel fungiert. Schnelle Reaktoren hingegen verwenden keinen Moderator, da das Ziel darin besteht, die Neutronengeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Stattdessen verwenden sie zur Kühlung Substanzen wie flüssiges Natrium, Blei oder geschmolzenes Salz, die die Neutronen nicht bremsen.

Was ist ein thermischer Reaktor?

Ein thermischer Reaktor ist eine Art Kernreaktor, der auf thermische Neutronen angewiesen ist, um eine Spaltkettenreaktion aufrechtzuerhalten. Es ist ein wesentlicher Bestandteil von Kernkraftwerken und Forschungsreaktoren. Der Begriff „thermisch“ bezieht sich auf die Tatsache, dass die im Spaltungsprozess verwendeten Neutronen auf niedrigere Energien verlangsamt oder abgemildert wurden, wodurch sie die Spaltung bestimmter Uran- und Plutoniumisotope wirksamer bewirken können.

Das Grundprinzip eines thermischen Reaktors besteht darin, die Geschwindigkeit der Kernspaltung durch die Verwendung eines Moderatormaterials zu steuern, das die bei der Spaltung erzeugten schnellen Neutronen verlangsamt. Der am häufigsten verwendete Moderator in thermischen Reaktoren ist entweder Wasser (Leichtwasserreaktoren) oder Graphit (graphitmoderierte Reaktoren).

Was ist ein schneller Reaktor?

Ein schneller Reaktor ist eine Art Kernreaktor, der schnelle Neutronen (Neutronen mit höherer kinetischer Energie) verwendet, um eine Kettenreaktion der Kernspaltung aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz zu thermischen Reaktoren, die auf thermischen (verlangsamten) Neutronen basieren, nutzen schnelle Reaktoren schnelle Neutronen, um bestimmte Isotope von Kernbrennstoffen wie Plutonium-239 und Uran-233 zu spalten. Schnelle Reaktoren sind darauf ausgelegt, Kernbrennstoffe effizient zu nutzen und im Vergleich zu herkömmlichen thermischen Reaktoren weniger radioaktive Abfälle zu produzieren.

Schnelle Reaktoren haben mehrere Vorteile, darunter das Potenzial für eine höhere Brennstoffeffizienz, eine Reduzierung langfristiger radioaktiver Abfälle und die Möglichkeit, bestimmte Kernbrennstoffe zu nutzen, die in thermischen Reaktoren nicht praktikabel sind. Allerdings bringen schnelle Reaktoren auch technische Herausforderungen und Sicherheitsbedenken mit sich, etwa das Risiko eines schnellen Leistungsanstiegs („sofortige kritische“ Ereignisse) und die korrosiven Eigenschaften flüssiger Metallkühlmittel.

Unterschied zwischen thermischem Reaktor und schnellem Reaktor

1. Neutronenenergie: Der Hauptunterschied zwischen thermischen Reaktoren und schnellen Reaktoren liegt in der Energie der Neutronen, die zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion der Kernspaltung verwendet werden. Bei thermischen Reaktoren werden thermische (verlangsamte) Neutronen verwendet, während bei schnellen Reaktoren schnelle Neutronen (Neutronen mit höherer kinetischer Energie) zum Einsatz kommen.
2. Brennstoffnutzung: Thermische Reaktoren verwenden angereicherten Uranbrennstoff; Einige verwenden Mischoxid-Brennstoff (MOX), der eine Kombination aus Uran- und Plutoniumisotopen enthält. Schnelle Reaktoren hingegen können ein breiteres Spektrum an Brennstoffarten nutzen, darunter Plutonium-239 und Uran-233, und haben das Potenzial, eine höhere Brennstoffeffizienz zu erreichen und weniger langlebige radioaktive Abfälle zu erzeugen.
3. Neutronenmoderation: In thermischen Reaktoren wird ein Moderator (z. B. Wasser oder Graphit) verwendet, um Neutronen zu verlangsamen, was die Wahrscheinlichkeit der Spaltung bestimmter Isotope erhöht. Schnelle Reaktoren arbeiten ohne Moderator oder verwenden nur eine minimale Moderation und sind für Spaltreaktionen auf schnelle Neutronen angewiesen.
4. Brutfähigkeit: Schnelle Reaktoren haben das Potenzial, „Brüter“ zu sein, was bedeutet, dass sie mehr spaltbares Material produzieren können, als sie während des Betriebs verbrauchen. Durch die Umwandlung nicht spaltbarer Isotope (z. B. Uran-238) in spaltbare Isotope wie Plutonium-239 können schnelle Reaktoren bei der Energieerzeugung zusätzlichen Kernbrennstoff erzeugen. Thermische Reaktoren verfügen nicht über nennenswerte Brutkapazitäten.
5. Kühlmittel: Thermische Reaktoren verwenden Wasser als Kühlmittel und manchmal auch als Moderator. Im Gegensatz dazu verwenden schnelle Reaktoren flüssige Metallkühlmittel wie Natrium oder Blei, die gute Wärmeübertragungseigenschaften haben und Wärme effizient aus dem Reaktorkern abführen können.

Vergleich zwischen thermischem Reaktor und schnellem Reaktor

Vergleichsparameter	Thermischer Reaktor	Schneller Reaktor
Neutronenenergie	Thermalisierte (verlangsamte) Neutronen	Schnelle Neutronen (höhere Energie)
Kraftstofftypen	Angereichertes Uran, MOX-Brennstoff	Plutonium-239, Uran-233 und mehr
Fuel Efficiency	Mäßige Kraftstoffeffizienz	Höhere Kraftstoffeffizienz (potenzieller Auslöser)
Kühlsystem	Wasserkühlmittel	Flüssigmetall-Kühlmittel (z. B. Natrium, Blei)
Atommüll	Produziert langlebigen radioaktiven Abfall	Kann langlebigen Abfall reduzieren (potenzieller Verursacher)

Bibliographie

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002954930900346X
2. https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.13182/NT88-129

Letzte Aktualisierung: 18. August 2023