mini |250px |Projektive Darstellung des thermischen Neutronenflusses in einem Brennelement eines Druckwasserreaktors bei eingefahrenen Regelstäben. Ergebnis einer reaktorphysikalischen Transportrechnung.
Die Reaktorphysik, die Reaktortheorie und experimentelle Reaktorphysik umfasst, beschäftigt sich mit den kernphysikalischen Vorgängen in einem Kernreaktor. Die Reaktorphysik wird geprägt durch die Wechselwirkung von freien Neutronen mit Atomkernen in einem begrenzten Raumbereich. Die wichtigsten physikalischen Größen der Reaktorphysik sind die Anzahldichten der Atome oder der Atomkerne und der freien Neutronen, die Kernreaktionsraten, die Wirkungsquerschnitte der Kernreaktionen und der Neutronenfluss. Das Fachgebiet Reaktorphysik umfasst hauptsächlich die „Neutronenphysik des Reaktors“, für die selten der Terminus „Reaktorneutronik“ verwendet wird.
Die Reaktorphysik baut auf der Kernphysik auf, hat sich aus ihr heraus entwickelt und wurde bis etwa Mitte der 1950er Jahre mit zu ihr gezählt. Es werden weiterhin Nukleardaten (Kerndaten) zwischen Kernphysikern und Reaktorphysikern ausgetauscht. Auch andere – im Folgenden nicht behandelte – physikalische Disziplinen wie Thermodynamik und Strömungsmechanik sind für Kernreaktoren von Bedeutung, insbesondere für Leistungsreaktoren.
Physikalische Sicht auf einen Kernreaktor Durch Spaltung von Atomkernen entstehen freie Neutronen in verhältnismäßig hoher Anzahldichte und mit hoher kinetischer Energie. Sie verbreiten sich im materieerfüllten Raum sehr schnell, vergleichbar mit einem Gas. Sie stoßen mit den Atomkernen, die sich im gleichen Raum befinden, zusammen, verringern dabei ihre kinetische Energie, lösen unterschiedliche Kernreaktionen aus und verändern damit die Anzahldichten der in diesem Raumbereich befindlichen Nuklide. Sie werden schließlich in Sekundenbruchteilen von Atomkernen, überwiegend von spaltbaren Atomkernen, wieder eingefangen. Deshalb kann der radioaktive Zerfall des Neutrons (Lebensdauer 880 s) in der Neutronenbilanz vernachlässigt werden. Mit der Absorption des Neutrons in einem Atomkern ist der „Lebensweg“ dieses Neutrons beendet; sofern der einfangende Kern ein spaltbares Nuklid ist und es tatsächlich zur Spaltung kommt, setzt er eine neue Generation von Neutronen frei.
Grundlagen mini| 250px |2D-Neutronenfluss in 3D-Darstellung über einer QuerschnittsflächeDer Schnitt kann parallel zu allen Außenflächen des Quaders geführt werden. Das Maximum des Neutronenflusses liegt im Mittelpunkt des Quaders. Wird der Schnitt nicht durch den Mittelpunkt geführt, verringert sich der Neutronenfluss gegenüber dem durch den Mittelpunkt geführten nur um eine Konstante, die mit dem Abstand des Schnitts vom Mittelpunkt kleiner wird. eines Kernreaktors in Gestalt eines Quaders mit homogen verteiltem Kernbrennstoff. Der Neutronenfluss hat an allen Außenflächen des Quaders den Zahlenwert Null, was vorgegeben wurde. Der Neutronenfluss ist frei normierbar,Da die Neutronendiffusionsgleichung eine homogene lineare Differentialgleichung ist, ist mit einer Neutronenfluss-Lösung auch der mit einer beliebigen Konstanten multiplizierte Neutronenfluss eine Lösung der Neutronendiffusionsgleichung. z. B. kann dem Maximalfluss der Zahlenwert Eins zugewiesen werden
Die grundlegende Gleichung der Reaktorphysik ist die Boltzmannsche Neutronentransportgleichung, eine reelle partielle Integro-Differentialgleichung, der der Neutronenwinkelfluss gehorcht. Sie kann nur numerisch näherungsweise gelöst werden.
Der Neutronenwinkelfluss, der die Gleichung löst, ist klassisch-mechanisch interpretierbar und eine Funktion reeller Größen.
Die für die Praxis wichtige Näherung der Boltzmannschen Neutronentransportgleichung ist die Neutronendiffusionsgleichung. Mathematisch wird dabei die Neutronentransportgleichung im stationären Fall durch eine elliptische partielle Differentialgleichung angenähert, deren Lösungsfunktion der Neutronenfluss ist.
Fachdisziplinen, in denen kurze zeitliche Änderungen der Reaktorparameter, insbesondere Störfälle, untersucht werden, sind die Reaktorkinetik und die Reaktordynamik. In ihnen wird die Neutronenphysik mit Fluiddynamik und Thermodynamik gekoppelt.
Zur Geschichte der Trennung von Kernphysik und Reaktorphysik Freie Neutronen in hoher Anzahldichte standen für Forschung und Anwendung erst seit Inbetriebnahme des ersten Kernreaktors Chicago Pile im Jahr 1942 zur Verfügung. Alle Forschungsarbeiten dazu und zu Kernreaktoren allgemein in den Jahren danach fielen zunächst in die Zuständigkeit der Kernphysik. Die Anzahl der Physiker, die sich ausschließlich mit Neutronenphysik und Kernreaktoren befassten, nahm deutlich zu, und die Methodik entfernte sich zunehmend von der der niederenergetischen Kernphysik. Deshalb trennten sich die Reaktorphysiker in der Mitte der 1950er Jahre von den Kernphysikern, was sich in eigenen Fachzeitschriften und Fachorganisationen manifestierte.
Als Meilenstein dieser Trennung kann die Erste Internationale Konferenz zur friedlichen Nutzung der Atomenergie in Genf im Jahr 1955 angesehen werden. Die Atomgroßmächte USA, UdSSR, Großbritannien und Frankreich gaben auf dieser Konferenz das erste Mal einen Einblick in ihre Aktivitäten und Pläne bezüglich der zivilen Nutzung der Kernenergie und in die reaktorphysikalische Forschung. Danach wurden in vielen Ländern nationale Kernforschungszentren gegründet, in Deutschland zum Beispiel das Kernforschungszentrum Karlsruhe, die Kernforschungsanlage Jülich und das Zentralinstitut für Kernphysik Rossendorf. Sie enthielten bereits Abteilungen, die Reaktorphysik oder Reaktortheorie im Namen trugen.
Die beiden ersten Fachzeitschriften, insbesondere für die Gebiete Reaktorphysik, Reaktortechnik und Kerntechnik, waren die Zeitschriften Nuclear Science and EngineeringNuclear Science and Engineering und Атомная энергия (Atomnaja energija)Атомная энергия, beide im Jahr 1956 gegründet. Beide Zeitschriften verstehen sich als „Quellen für Informationen über Grundlagen- und angewandte Forschung in allen wissenschaftlichen Bereichen im Zusammenhang mit der friedlichen Nutzung der Kernenergie sowie über Anwendungen von Kernteilchen und Strahlung.“ Nuclear Science and Engineering wird von der American Nuclear Society herausgegeben. Eine der 19 Arbeitsgruppen dieser Gesellschaft trägt den Namen Reactor Physics.
Im Jahr 1957 wurde die halbautonome Institution Nuclear Energy Agency (NEA) innerhalb der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) zur Förderung einer sicheren, umweltschonenden und wirtschaftlichen Nutzung der Kernenergie mit Sitz in Paris gegründet. Die Organisation betreibt verschiedene Nukleardatenbanken in ihren Nuclear Data ServicesNuclear Data Services und einen ComputerprogrammdienstComputerprogrammdienst für Computerprogramme, die der friedlichen Nutzung der Kernenergie dienen. Ein nicht unerheblicher Teil der vom Computerprogrammdienst der NEA verwalteten und verteilten Programme wurde von Reaktorphysikern entwickelt oder wird von Reaktorphysikern und Reaktortechnikern genutzt. Zu den Nukleardatenbanken leisten sowohl Reaktorphysiker als auch Kernphysiker ihren Beitrag.
Im gleichen Jahr 1957 erschien das erste Lehrbuch der Reaktorphysik und -technik in deutscher Sprache. Folglich konnte der Verfasser auf keine einheitliche und allgemein anerkannte deutsche Terminologie zurückgreifen. Er stand vor der Wahl, entweder die englischen Fachausdrücke zu übernehmen oder eine eigene deutsche Terminologie zu prägen und entschied sich zu Letzterem. Bereits in diesem Buch wird Reaktorphysik als gleichberechtigter Zweig der Physik neben der Kernphysik benannt.
Wichtige reaktorphysikalische Größen Die bis 1948 herausgearbeiteten physikalischen Größen der Reaktortheorie hat ein Mitarbeiter des Oak Ridge National Laboratory zusammengestellt. Etwa Ende 1950 war diese erste Phase der „Größenfindung“ abgeschlossen. Dabei haben die Reaktorphysiker einigen wenigen Größen Namen gegeben, die nicht konsistent mit den üblichen Regeln der Namensgebung von Größen innerhalb der Physik sind. Eine von diesen ist die Neutronenfluss genannte Größe. Sie wird nach der Kernreaktionsratendichte als die wichtigste Größe der Reaktorphysik angesehen. Diese Größe ist weder ein „Fluss“ noch eine „Flussdichte“ im physikalischen Sinne. Missverständnisse, die mit dem Namen dieser Größe verknüpft sind, ziehen sich durch die ganze Entwicklungsgeschichte der Reaktorphysik und sind zum Teil bis heute noch nicht ausgeräumt. Bei einer anderen reaktorphysikalischen Größe, die makroskopischer Wirkungsquerschnitt genannt wurde, ist das ähnlich, wenn auch mit weniger offensichtlichen Konsequenzen als beim Neutronenfluss.
In der nachfolgenden Tabelle sind stellvertretend für hunderte reaktorphysikalische Größen diejenigen Größen aufgeführt, die vom Zeitpunkt des Abschlusses der „Größenfindung“ an bis heute zu den wichtigsten der Reaktorphysik zählen. Nach dem Größensymbol sind in Klammern die unabhängigen Variablen aufgeführt, die für die entsprechende Größe relevant sind. Dabei steht für den Ort, für die Neutronenenergie, für den Raumwinkel und für den Zeitpunkt. Das Einheitensymbol steht hier für „Anzahl der Neutronen“, das Einheitensymbol für „Anzahl der Kernreaktionen“ und das Einheitensymbol für „Anzahl der Atome“. Man beachte, dass mit dem Größensymbol für die Neutronendichte und dem für die Kernreaktionsratendichte zwar die gleichen Buchstaben verwendet werden wie für Einheiten, jene Größensymbole sich aber im Schriftschnitt kursiv von diesen Einheitensymbolen unterscheiden.
{| class="wikitable" |- !Symbol !!Einheit !!Name !!Typ |- | || ||Kernreaktionsratendichte ||Skalar |- | || ||Neutronenfluss ||Skalar |- | || ||Neutronenflussspektrum ||Skalar |- | || ||Neutronenwinkelfluss ||Skalar |- | || ||Neutronenstromdichte ||Vektor |- | || ||Neutronenanzahldichte („Neutronendichte“) ||Skalar |- | || ||Atomanzahldichte („Atomdichte“) ||Skalar |- | || ||Wirkungsquerschnitt ||Skalar |- | || ||Makroskopischer Wirkungsquerschnitt ||Skalar |- | || ||Spezifischer Abbrand ||Skalar |- | || ||Neutronenfluenz ||Skalar |- | || ||Effektiver Neutronenmultiplikationsfaktor ||Skalar |- | || ||Reaktivität ||Skalar
Das Einheitensymbol steht für die Raumwinkeleinheit Steradiant, für die Leistungseinheit Watt und für die Zeiteinheit Tag. In der letzten Spalte der Tabelle ist der Variablentyp (Skalar oder Vektor) der jeweiligen Größe angegeben. Mit Ausnahme der Neutronenstromdichte sind alle hier gelisteten Größen vom Typ Skalar, wie eine Massendichte zum Beispiel auch.
Atomic Energy Research mini|Plakat des 7th AER Symposium on VVER Reactor Physics and Reactor Safety im Jahr 1997
Atomic Energy Research (AER) ist eine Gemeinschaft von Reaktorphysikern und Ingenieuren aus Ländern, die Kernreaktoren vom Typ WWER betreiben oder betrieben haben. Thematische Arbeitsgruppen untersuchen theoretische und praxisnahe wissenschaftliche Probleme und tauschen ihre Erfahrungen aus. Seit 1991 wird in jedem Herbst ein AER-Symposium organisiert.
Es gibt folgende Arbeitsgruppen (Stand 2020):
Verbesserung, Erweiterung und Validierung parametrisierter Kerndatenbibliotheken mit wenigen Gruppen für Reaktoren vom Typ WWER-440 und WWER-1000 Core Design (Fortgeschrittene Brennstoffkreisläufe, Codevalidierung) Core Monitoring (Neutronenflussrekonstruktion, In-Core Messungen) WWER-Reaktorsicherheitsanalyse Physikalische Probleme bei abgebrannten Brennelementen, Radioaktive Abfälle und Stilllegung von Kernkraftwerken Perspektiven und Nachhaltigkeit des Brennstoffkreislaufs Thermohydraulik, CFD
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