Neutronenströmen

Neutronenströme bezeichnen in der Kernphysik die gerichtete Flussdichte von Neutronen durch ein Medium. Sie geben an, wie viele Neutronen pro Flächeneinheit und Zeit das Medium passieren und in welche Richtung sie sich bewegen. Der Neutronenfluss φ(r,t) ist eine skalare Größe, die die Anzahl der Neutronen pro Volumen pro Zeit beschreibt, während der Neutronenstrom J(r,t) ein Vektor ist, der die Richtung und die lokale Dichte des Flusses angibt. Der Begriff umfasst sowohl die Gesamtverteilung als auch die Energieabhängigkeit der Neutronen.

In der Diffusionstheorie folgt das Neutronenstromgesetz J = -D ∇φ, wobei D der Diffusionskoeffizient ist, der vom Material und der Neutronenenergie abhängt. In genaueren Transportmodellen besitzt der Fluss zusätzlich eine Winkel- und Energieabhängigkeit und wird durch die Boltzmann-Transportgleichung beschrieben. Typischerweise wird zwischen verschiedenen Energiegruppen unterschieden, z. B. schnellen, epithermalen und thermischen Neutronen, deren Strömungen unterschiedlich zur Reaktion im System beitragen.

Die Neutronenflussdichte und der Neutronenstrom sind Bestandteil der Kernreaktionstheorie und der Neutronentransportrechnung. Eine stationäre Situation erfüllt grob die Bedingung, dass die Divergenz des Flusses durch Absorption, Streuung und äußere Quellen ausgeglichen wird; bei zeitlicher Änderung folgt eine Kontinuitätsgleichung mit zeitabhängigen Termen. Diese Größen bestimmen maßgeblich Leistung, Brennstoffverbrauch und Schutzmaßnahmen in Kernreaktoren sowie in Materialforschung, Spaltkammern und Detektoren.

Messungen von Neutronenströmen erfolgen indirekt durch Detektoren, die den Neutronenfluss oder dessen Folgen erfassen; der aktuelle Zustand des Flusses wird oft durch Modelle und Simulationen aus den beobachteten Messgrößen abgeleitet.