Neutronenkettenreaktion

Die Neutronenkettenreaktion ist ein Prozess, bei dem spontane oder angeregte Kernspaltungen in einem Material so viele neue Spaltungen auslösen, dass eine fortlaufende Folge von Spaltungsereignissen entsteht. Dabei werden bei jeder Spaltung mehrere Neutronen freigesetzt, die wiederum weitere Spaltungen verursachen können.

Bei jeder Spaltung werden typischerweise zwei bis drei Neutronen freigesetzt und Energie in Form von Gammastrahlung und kinetischer Energie der Spaltprodukte freigesetzt. Diese Neutronen können weitere Spaltungen in angrenzenden Kernen verursachen und so die Reaktionskette fortführen.

Der statistische Faktor, der die Fortsetzung der Reaktion bestimmt, wird als effektiver Multiplikationsfaktor k_eff bezeichnet. Ist k_eff kleiner als 1, ist die Kettenreaktion subkritisch; bei k_eff gleich 1 erreicht man kritische Bedingungen; k_eff größer als 1 bedeutet eine überkritische, wachsende Reaktion (oft als Grundlage von schnellen, unkontrollierten Reaktionen gesehen).

Ein wichtiger Unterschied ist die Rolle verzögerter Neutronen. Ein kleiner Anteil der Neutronen geht verzögert nach, mit Halbwertzeiten von Bruchteilen bis Minuten. Verzögerte Neutronen ermöglichen es, Reaktorprozesse zu steuern und zu stabilisieren; ohne sie wäre die Reaktion viel schwerer zu kontrollieren.

Neutronenkettenreaktionen sind zentral für Kernreaktoren zur Energieerzeugung und für Forschungsanlagen. Zur Regelung dienen Moderatoren, Steuerstäbe, Reflektoren sowie Kühlung und Sicherheitsmechanismen, um unkontrollierte Reaktionen zu verhindern und eine stabile Betriebsbedingung zu erhalten.

Historisch wurden Neutronenkettenreaktionen in den 1930er und 1940er Jahren erforscht; die ersten kontrollierten Kettenreaktionen wurden 1942 im Chicago Pile-1-Reaktor unter der Leitung von Enrico Fermi erzielt. Seitdem haben sie die Entwicklung von zivilen Kernkraftwerken sowie wissenschaftlicher Anwendungen geprägt.