Neutronenpopulation

Die Neutronenpopulation bezeichnet die Anzahl der Neutronen in einem gegebenen System, typischerweise im Kernreaktor, die zur Aufrechterhaltung einer Kernspaltungsreihe beitragen. Sie ist entscheidend für die Dynamik der Reaktion, da Neutronen sowohl die Spaltung weiterer Kerne verursachen als auch durch Absorption oder Auskehlung verloren gehen.

In einem Reaktor entstehen Neutronen vor allem als Prompt-Neutronen nach Spaltung; verzögerte Neutronen entstehen durch Zerfall von Spaltprodukten und verzögern den Anstieg der Reaktivität. Die Neutronenproduktion wird durch die Spaltungsrate, die Neutroneneinfangrate und die Neutronenverluste bestimmt. Die Verteilung von Neutronenarten sowie deren Lebensdauer bestimmen die zeitliche Entwicklung der Population.

Der relevante Kennwert ist der effektive Multiplikationsfaktor keff. Er ist das Verhältnis der Neutronenpopulation einer Generation zur vorherigen Generation. Keff > 1 bedeutet überkritisch, Keff = 1 kritisch, Keff < 1 subkritisch. In sicheren Reaktoren wird oft nahe 1 operiert, um eine kontrollierte Reaktion zu gewährleisten.

Der Neutronenlebenszyklus umfasst das schnelle Neutronenverhalten, die Generationzeit Λ und die verzögerten Neutronen. Die verzögerten Neutronen tragen nur einen kleinen Anteil zur Gesamtneutronenproduktion bei (Beta-Fraktion etwa 0,65 %), ermöglichen aber ein zeitlich gut steuerbares Management der Reaktion und sind maßgeblich für die Reaktorregelung.

Kinetische Modelle wie die Punktkinetik beschreiben zeitabhängige Änderungen der Neutronenpopulation als Reaktivität, Störgrößen und Steuerrohre. Reaktivität ρ misst Abweichungen von keff ≈ 1; Änderungen in ρ führen zu schnellen oder langsamen Änderungen der Neutronenzahl, abhängig von Λ und Beta.

Praktische Bedeutung: Die Neutronenpopulation ist zentral für Sicherheit, Steuerung und Effizienz von Kernkraftwerken, sowie in Forschung und Nukleartechnik. Messung und Simulation erfolgen durch Detektoren, Diffusionsmodelle und Transientenanalysen.