Albert Ziegler Hans-Josef Allelein Hrsg. Reaktortechnik Physikalisch-technische Grundlagen 2., neu bearbeitete Auflage 2013 Reaktortechnik Albert Ziegler · Hans-Josef Allelein Herausgeber Reaktortechnik Physikalisch-technische Grundlagen 2., neu bearbeitete Auflage 2013 Herausgeber Co-Autoren Albert Ziegler Stefan Brejora Estenfeld, Deutschland Kernkraftwerke Lippe-Ems GmbH Kernkraftwerk Emsland (KKE) Hans-Josef Allelein Lingen, Deutschland Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik Rheinisch-Westfälische Technische Ulf Ilg Hochschule (RWTH) Aachen EnBW Kernkraft GmbH Aachen, Deutschland Kernkraftwerk Philippsburg Philippsburg, Deutschland Stephan Jühe Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen Aachen, Deutschland ISBN 978-3-642-33845-8 ISBN 978-3-642-33846-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-33846-5 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Bei der Entstehung des Buches wurde mit großer Sorgfalt vorgegangen, trotzdem lassen sich Fehler nie vollständig ausschließen. Der Herausgeber und die Autoren haben sich bemüht, sämtliche Rechteinhaber von Abbildungen zu ermitteln. Wo dies nicht geschehen ist, bitten wir um einen Hinweis. Eine beabsichtigte Verletzung von Urheber- und Abbildungsrechten liegt nicht vor. Springer Vieweg © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1983, 2013 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science Business Media + www.springer-vieweg.de Immer greift die Macht der Normen g’rad an Gottes Plan vorbei! (aus Brumm, Bienchen Heinrich Böll, 1946) Danksagung Mein Dank an den Springer-Verlag allgemein gilt insbesondere Frau Hestermann- Beyerle und Frau Kollmar-Thoni, die uns mit routiniertem Verständnis klare Randbedingungen geschaffen haben, auf deren Basis wir inhaltlich arbeiten konnten. Großer Dank gilt meinen beiden Co-Autoren Dr. Ulf Ilg und Dr. Stefan Brejora, die die Kap. 13–15 erstellt haben. Ihre Fachkompetenz, die in die Ausgestaltung dieser Kapitel eingeflossen ist, bereichert den vorliegenden Band an wichtigen Stellen. Besonderer Dank gilt meinem Mitarbeiter und Co-Autor Dr. Stephan Jühe. Er hat nicht nur die Last der mühsamen Tagesarbeit bei der Erstellung unseres Buches getra- gen und wichtige Passagen um- oder neugeschrieben, sondern seinem Enthusiasmus für dieses Projekt ist es zu verdanken, dass wir es überhaupt in Angriff genommen und zum Abschluss gebracht haben. Aus dem Kreis meines Mitarbeiterstabs sind eine Reihe zumeist junger Damen und Herren zu nennen, die mit Fachkenntnis und Beharrlichkeit die anfallenden Arbeiten für Texterstellung, Textver- und Bildbearbeitung sowie Korrekturlesen geleistet haben: Frau Friederike Bostelmann, Frau Shanna Eismar, Frau Anna Feininger, Frau Sara Krajewski, Frau Dr. Bärbel Schlögl, Frau Anni Schulze, Frau Victoria Sosna, Herr Philipp Broxtermann, Herr Alexander Hundhausen, Herr Björn Krupa und Herr Stephan Struth. Frau Friederike Bostelmann und Herrn Stefan Herber danke ich für die Durchführung zahlreicher Rechnungen mit dem Monte-Carlo-Neutronenprogramm SERPENT, die uns erlauben, bei einer ganzen Reihe von Abbildungen den aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik wiederzugeben. Den Herren Stefan Glaubrecht, Detlef Hofbauer und Dr. Christian Schönfelder von der Firma Areva danke ich für ihre Unterstützung und insbesondere die Bereitstellung von Abbildungen für dieses Buch. „Last, but not least“ gilt mein Dank Herrn Jörg Boeven für seine administrative Unterstützung bei der Realisierung dieses Projektes. Zum Schluss noch ein Wunsch und eine Bitte: Alle Beteiligten hoffen, dass unsere neu herausgegebene Überarbeitung trotz der schwierigen Situation im Umfeld der deutschen Kerntechnik vielen mit der Thematik Befassten von Nutzen ist und auch an der ein oder anderen Stelle Freude bereitet. Trotz größter Mühe bei der Bearbeitung unsererseits VII VIII Danksagung werden Sie, verehrte Leserinnen und Leser, sicher zahlreiche Verbesserungsvorschläge für dieses Werk machen können. Ob sachliche Fehler, Hinweise jeglicher Art oder schlichtweg Rechtschreibfehler, bitte senden Sie uns diese an folgende E-Mail-Adresse: [email protected] Uns allen viel Freude! Kürten, 12. November 2012 Hans-Josef Allelein Inhaltsverzeichnis 1 Situation der Kernenergie in Deutschland ............................... 1 2 Struktur der Materie und Kernreaktionen ............................... 3 2.1 Strukturbereiche und ihre Physik ................................... 3 2.1.1 Struktur der Atomkerne .................................... 7 2.1.2 Struktur der Nukleonen ..................................... 9 2.1.3 Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik .............. 10 2.1.4 Kernaufbau ............................................... 13 2.1.5 Bindungsenergie ........................................... 15 2.1.6 Schalenmodell ............................................. 17 2.1.7 Tröpfchenmodell .......................................... 23 2.1.8 Stabilität der Atomkerne .................................... 25 2.2 Radioaktivität .................................................... 27 2.2.1 α-Strahlung ............................................... 28 2.2.2 β-Strahlung ............................................... 30 γ 2.2.3 -Strahlung ............................................... 32 2.2.4 Nachweis von α-, β- und γ-Strahlung ......................... 34 2.3 Kernumwandlungen .............................................. 35 Literatur .............................................................. 38 3 Kernspaltung ......................................................... 39 3.1 Auslösung der Kernspaltung ....................................... 39 3.2 Spaltprodukte .................................................... 42 3.3 Energiefreisetzung bei der Spaltung ................................. 45 3.4 Neutronenerzeugung .............................................. 47 3.4.1 Neutronenausbeute ........................................ 47 3.4.2 Verzögerte Neutronen ...................................... 47 3.4.3 Energiespektrum der Spaltneutronen ......................... 53 Literatur ............................................................. 55 IX X Inhaltsverzeichnis 4 Neutronenreaktionen ................................................. 57 4.1 Wechselwirkung von Neutronen mit Materie ......................... 57 4.1.1 Neutronenstrom und Neutronenflussdichte ................... 57 4.1.2 Schwächung eines Neutronenstrahles ......................... 58 4.1.3 Wirkungsquerschnitt ....................................... 59 4.2 Wirkungsquerschnitte für Einzelprozesse ............................ 60 4.3 Reaktionswahrscheinlichkeit ....................................... 61 4.3.1 Makroskopischer Wirkungsquerschnitt ....................... 61 4.3.2 Reaktionsrate .............................................. 64 4.4 Energieabhängigkeit der Wirkungsquerschnitte ....................... 65 4.4.1 1/v-Bereich ................................................ 66 4.4.2 Resonanzbereich ........................................... 66 4.4.3 Schneller Bereich ........................................... 67 4.4.4 Korrektur der thermischen Wirkungsquerschnitte .............. 68 4.5 Differentieller Wirkungsquerschnitt ................................. 73 4.5.1 Differentieller Streuquerschnitt der Energieverteilung ........... 73 4.5.2 Isotrope Streuung .......................................... 74 4.6 Bremsung von Neutronen ......................................... 76 4.6.1 Der Bremsstoß ............................................. 77 4.6.2 Energieverteilung nach dem Stoß ............................. 78 4.6.3 Lethargie .................................................. 79 4.6.4 Mittlerer Energieverlust pro Stoß ............................. 80 4.6.5 Bremszeit ................................................. 83 4.6.6 Stoßdichte und Bremsdichte ................................. 84 4.7 Resonanzabsorption .............................................. 85 Literatur .............................................................. 90 5 Unendlich ausgedehnter Reaktor ....................................... 93 5.1 Kettenreaktionen ................................................. 93 5.2 Multiplikation in homogenen Medien ............................... 95 5.3 Generationszyklus ................................................ 97 5.4 Vier-Faktoren-Formel ............................................. 98 5.5 Reaktivität ....................................................... 99 5.6 Homogene und heterogene Anordnungen ........................... 101 5.7 Berechnung der Vier Faktoren ...................................... 102 5.7.1 Berechnung von η .......................................... 103 5.7.2 Berechnung von f .......................................... 104 5.7.3 Berechnung von ε .......................................... 105 5.7.4 Berechnung von p in homogener Anordnung .................. 109 5.7.5 Berechnung von p in heterogener Anordnung ................. 110 5.7.6 Berechnung von p in quasihomogener Anordnung ............. 112 Literatur .............................................................. 113 Inhaltsverzeichnis XI 6 Neutronentransport ................................................... 115 6.1 Bewegung der Neutronen .......................................... 115 6.2 Allgemeine Transportgleichung .................................... 118 6.3 Monte-Carlo ..................................................... 122 6.4 Vereinfachungen der Transportgleichung ............................ 123 6.4.1 PN-Näherung der Transportgleichung ........................ 123 6.4.2 Diffusionsgleichung ........................................ 126 6.4.3 Das Ficksche Gesetz ........................................ 126 6.4.4 Lösung der Diffusionsgleichung .............................. 132 6.4.5 Grenzbedingungen ......................................... 132 6.4.6 Fermi-Alter-Theorie ........................................ 136 Literatur .............................................................. 138 7 Diffusionsgleichung für den endlichen Reaktor .......................... 139 7.1 Multiplikationsfaktor für ein endlich ausgedehntes System ............. 139 7.2 Konzept einer kritischen Anordnung ................................ 141 7.3 Kritische Abmessungen eines endlichen Systems ...................... 145 7.3.1 Kugelförmige Reaktoren .................................... 145 7.3.2 Reaktoren mit Quaderform .................................. 147 7.3.3 Reaktoren mit Zylinderform ................................. 148 7.4 Neutronenphysikalische Optimierung von Reaktoren .................. 151 7.5 Heterogene Reaktoren ............................................. 153 7.5.1 Berechnung des Neutronenflusses in der Einheitszelle ........... 154 7.5.2 Berechnung des heterogenen Reaktors ........................ 162 7.6 Multigruppenrechnung ............................................ 164 7.6.1 Bestimmung der Mehrgruppenkonstanten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 7.6.2 Mehrgruppendiffusionsgleichung ............................ 168 7.7 Thermischer Reaktor mit Reflektor .................................. 172 Literatur .............................................................. 176 8 Reaktordynamik ...................................................... 177 8.1 Charakterisierung der relevanten Phänomene ........................ 177 8.2 Punktkinetische Gleichungen ...................................... 178 8.2.1 Kinetik der verzögerten Neutronen ........................... 178 8.2.2 Einfache Lösung der punktkinetischen Gleichungen ............ 180 8.3 Reaktivitätseffekte durch Temperaturänderung ....................... 181 8.4 Mittel- und langfristige Effekte ..................................... 185 8.4.1 Brennstoffabbrand ......................................... 185 8.4.2 Aufbau höherer Isotope ..................................... 188 8.4.3 Aufbau von Spaltprodukten ................................. 188 8.4.4 Spaltproduktvergiftung ..................................... 191 Literatur .............................................................. 196