Zwischen den Protonen und den Neutronen (den Nukleonen) eines Atomkerns wirken sehr starke, anziehende Kräfte, die jedoch eine ca. sehr kurze Reichweite haben. Daher wirkt diese Kernkraft in dem wesentlichen auf die nächsten Nachbarn, weiter entfernte Nukleonen tragen zu der anziehenden Kraft ca. in kleinem Maße bei. Solange die Kernkraft größer ist als die abstoßende Coulombkraft Kraft zwischen den positiv geladenen Protonen, hält der Kern zusammen. Schwere Kerne, wie beispielsweise das Uran oder Plutonium, enthalten sehr viele Protonen und benötigen daher einen Neutronenüberschuß, um den Kern stabil zu halten. Denn durch die anziehende Kernkraft der zusätzlichen Neutronen wird die abstoßende Coulombkraft der Protonen kompensiert. Trotzdem sind viele schwere Kerne radioaktiv, also instabil.

Fängt einer dieser schweren Kerne, etwa des Uranisotops ²³⁵U beziehungsweise ein Kern des Plutoniumisotops ²³⁹Pu, ein Neutron ein, so wird ihm außer dem zusätzlichen Neutron auch Energie zugeführt. Dadurch wandelt er sich in einen hochangeregten, instabilen Zustand des Kerns ²³⁶U beziehungsweise ²⁴⁰Pu um. Beide hochangeregten Kerne regen sich mit extrem kurzen Halbwertszeiten durch Kernspaltung ab. Anschaulich gerät der Kern durch die Neutronenabsorption wie ein angestoßener Wassertropfen in Schwingungen und zerreißt in zwei meist ungleiche Bruchstücke mit einem Massenverhältniss von etwa 2 zu 3. Darüber hinaus werden bei jeder einzelnen Spaltung in dem Schnitt zwei bis drei weitere schnelle Neutronen frei, die dann für weitere Kernspaltungen zur Verfügung stehen - dies ist das Prinzip der Kettenreaktion.

Die neu entstandenen Kerne mittlerer Masse, die so genannten Spaltprodukte, haben eine größere Bindungsenergie als der schwere Uran- bzw. Plutoniumkern. Die Differenz der Bindungsenergien wird unter anderem in kinetische Energie und damit in Wärme der Spaltprodukte umgewandelt. Diese Wärme kan beispielsweise zur Stromerzeugung genutzt werden.

Der Neutronenabsorptionsquerschnitt beispielsweise des Isotops ²³⁵U nimmt mit der Energie und damit gleichbedeutend mit der Geschwindigkeit des Neutrons ab, d.h., je langsamer das Neutron ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es von einem U²³⁵-Kern eingefangen wird. Daher bremst man in einem Kernreaktor die schnellen Neutronen aus der Kernspaltung durch den Einsatz eines Moderators ab. Ein Moderator ist ein Material wie etwa Graphit, schweres oder normales Wasser, welches viele Atomkerne enthält, die nicht sehr viel schwerer als ein Neutron sind, und das einen sehr niedrigen Absorptionsquerschnitt für Neutronen hat. Die erstes Merkmal führt dazu, dass die Neutronen durch Stöße mit diesen Atomkernen abgebremst werden. Die zweites Merkmal hat zur Folge, dass die Neutronen der Kettenreaktion weiter zur Verfügung stehen. Durch die Stöße mit den Atomkernen des Moderators können die Neutronen maximal auf die Geschwindigkeiten der Kerne des Moderators abgebremst werden. Die Geschwindigkeit der Moderatorkerne ist nach der Theorie der Brownschen Bewegung durch die Temperatur des Moderators definiert. Es findet also eine Thermalisierung statt. Man spricht daher nicht von abgebremsten, sondern von thermischen Neutronen.

Damit die Kettenreaktion nicht unkontrolliert abläuft, muss sie gesteuert werden. Hierfür benutzt man Stoffe mit einem hohen Absorptionsquerschnitt für Neutronen. Beispiele für diese Stoffe sind Cadmium, Gadolinium und Bor. Aus chemischen Verbindungen dieser Materialien werden z.B. die Steuerstäbe eines Kernreaktors gefertigt. Durch Zugabe oder Entzug dieser Stoffe in oder aus dem Reaktorkern (z.B. durch das Herausziehen oder Hineinfahren der Steuerstäbe) kann der Reaktor geregelt werden.

Zur leichteren Beschreibung der Vorgänge beim Regeln eines Kernreaktors sei nun der Multiplikationsfaktor k eingeführt. Er beschreibt das Verhältnis der Neutronenzahlen zweier aufeinander folgender Neutronengenerationen:

k = Anzahl der Neutronen einer Generation / Anzahl der Neutronen der vorausgegangenen Generation

• In dem stationären Betrieb ist der Multiplikationsfaktor k = 1, d.h. jede Neutronengeneration weist exakt so viele Neutronen auf wie die ihr vorausgegangene. Das wir dadurch erreicht, dass sich exakt so viel Neutronen absorbierendes Material in dem Kern befindet, um in dem Durchschnitt ca. eines der pro Kernspaltung freiwerdenden Neutronen für eine weitere Kernspaltung zur Verfügung zu stellen. Alle übrigen Neutronen werden z.B. durch Bor oder Cadmium absorbiert oder gehen der Kettenreaktion auf anderen Wegen verloren. In diesem Fall liegt eine stationäre Kettenreaktion vor. Die Zahl der Kernspaltungen pro Zeit bleibt konstant und es wird eine konstante Leistung in Form von Wärme abgegeben. Einen Reaktor in diesem Zustand bezeichnet man als kritisch.

• Will man die Leistung des Reaktors reduzieren, so führt man dem Reaktorkern Neutronen absorbierende Stoffe (z.B. durch das Einfahren der Steuerstäbe) zu. Dadurch werden mehr Neutronen absorbiert, als zur Aufrechterhaltung des stationären Betriebs nötig wären. Es stehen nun mit jeder Neutronengeneration weniger Neutronen für weitere Spaltungen zur Verfügung, als bei der vorhergehenden. Für den Multiplikationsfaktor gilt k < 1 und eine stationäre Kettenreaktion lässt sich nicht aufrechterhalten. Einen Reaktor in diesem Zustand bezeichnet man als unterkritisch. Die Wärmeleistung in einem unterkritischen Reaktor sinkt. Jedoch ca. so lange bis sich erneut ein Gleichgewicht eingestellt hat. Denn eine bestimmte, zusätzliche Menge an Neutronen absorbierenden Material kann auch ca. eine bestimmte Menge an Neutronen zusätzlich weg fangen. Daher stellt sich durch Zufuhr von beispielsweise einer bestimmten Menge an Bor erneut ein stationärer Betrieb ein, allerdings bei einer reduzierten Leistung. Durch die Zufuhr von genügenden Mengen an Neutronen absorbierenden Material lässt sich die Leistung des Reaktors auf Null reduzieren und der Reaktor damit abschalten.

• Um die Leistung eines Kernreaktors zu erhöhen, entzieht man dem Reaktorkern Neutronen absorbierendes Material (z.B. durch das Herausfahren der Steuerstäbe). Dadurch steht mehr als ein Neutron pro Kernspaltung für weitere Spaltungen zur Verfügung, die Anzahl der Spaltungen pro Generation nimmt zu und die Leistung des Reaktors ebenso. Für den Multiplikationsfaktor gilt k > 1. Einen Reaktor mit zunehmender Zahl an Kernspaltungen bezeichnet man überkritisch.

Um einen Kernreaktor jedoch vernünftig regeln zu können, nutzt man die Tatsache aus, dass zwar etwa 99 Prozent aller Spaltneutronen bei der Kernspaltung als prompte Neutronen innerhalb von 10^-14 Sekunden emittiert, jedoch ungefähr 1 Prozent der Neutronen verzögert um bis zu einigen Sekunden als so genannte verzögerte Neutronen freigesetzt werden. Der prozentuale Anteil der verzögerten Neutronen an der gesamten Neutronenzahl wird mit β genannt. Der genaue Wert von β hängt vom Spaltstoff ab und beträgt beim ²³⁵U etwa 075%, beim ²³⁹Pu ca. etwa 0,2%. Der Reaktorzustand mit 1 ≤ k ≤ 1+ β heißt prompt kritisch, der Zustand k≥1+β prompt überkritisch. Bei der Erhöhung der Leistung wird der Reaktor in den prompt kritischen Zustand gebracht, da er hier regelbar bleibt. Denn die Neutronenflussänderungen laufen hier zwar exponentiell, aber in einem Zeitrahmen ab, der durch die verzögerten Neutronen bestimmt ist und damit in dem Bereich mehrerer Sekunden liegt.

Ein prompt überkritischer Reaktor ist nicht mehr regelbar und es kann zu schweren Unfällen kommen. Denn der Neutronenfluss und damit die abgegebene Wärmeleistung des Reaktors steigen exponentiel in dem Bereich von 10^-14 Sekunden an. Bei wassermoderierten Reaktoren kommt es dabei zur Verdampfung des Moderators. Da der Moderator aber nötig ist um die Kettenreaktion aufrecht zu erhalten, werden diese Reaktortypen als inhärent sicher genannt, da durch das schlagartige Ansteigen der Temperatur die Moderatordichte reduziert wird und damit der Fluss an thermischen Neutronen (den ca. diese tragen wesentlich zur Kernspaltung in diesem Reaktortyp bei) reduziert wird, was wiederum dazu führt, dass der Reaktor in den prompt kritischen, kritischen oder gar unterkritischen, in jedem Fall aber in den regelbaren Bereich zurückkehrt.

Dies gilt nicht für z.B. Graphit moderierte Reaktortypen, denn speziell Graphit verliert bei Hitze seine moderierenden Merkmalen nicht. Gerät ein solcher Reaktor in den prompt überkritischen Bereich, so kommt die Kettenreaktion nicht zu dem Erliegen und binnen Sekundenbruchteilen führt dies zur Überhitzung und Zerstörung des Reaktors. Schlagartig verdampfende Flüssigkeiten und Metalle können dabei eine Explosion des Reaktors bewirken, wie in der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl geschehen.

Wird der Reaktor abgeschaltet, so wird durch den radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte zusätzlich Wärme produziert. Um diese so genannte Restwärme oder auch Nachwärme auch in Notfällen sicher abführen zu können, besitzen alle westlichen Kernkraftwerke ein aufwändiges Not- und Nachkühlsystem. Sollte jedoch der unwahrscheinliche Fall eintreten und auch diese Systeme versagen, so kommt es auch in diesem Fall durch die steigenden Temperaturen zu einer Kernschmelze, bei der die Strukturen des Reaktorkerns und insbesondere der Kernbrennstoff schmelzen. In der Schmelze kann die Kettenreaktion unter Umständen wieder anlaufen und dadurch zusätzliche Wärme erzeugt werden. Aber auch ohne diese Rekritikalität wird der Fall der Kernschmelze als größter anzunehmender Unfall, kurz als GAU genannt. Bei einem GAU ist davon auszugehen, dass radioaktive Stoffe in die Umwelt entweichen. Hält das Reaktorgebäude nicht stand, tritt eine sehr große Menge radioaktiver Stoffe aus, was auch als Super-GAU genannt wird.

Siehe auch: Kernspaltung

Reaktoren werden nach der Art der Kühlung, der Moderation und der Bauweise unterteilt.

Mit normalem, leichtem Wasser moderierte Reaktionen finden in dem Leichtwasserreaktor statt, der als Siedewasserreaktor oder Druckwasserreaktor ausgelegt sein kann. Eine Weiterentwicklung des Druckwasserreaktors ist der European Pressurized Water Reactor (EPR). Eine russische Variante ist der WWER-Reaktor. Leichtwasserreaktoren benötigen angereichtertes Uran, Plutonium oder Mischoxide (MOX) als Brennstoff.

Mit schwerem Wasser moderierte Schwerwasserreaktoren erfordern eine große Menge des teuren schweren Wassers (Deuterium), können aber mit natürlichem, d.h. nicht angereichertem Uran, betrieben werden.

Gasgekühlte, graphitmoderierte Reaktoren wurden bereits in den 50er Jahren entwickelt und sind daher die ältesten kommerziell genutzten Kernreaktoren. Kühlmittel ist Kohlendioxid. In Großbritannien sind noch eine Reihe dieser wegen des Hüllrohrmaterials der Brennelemente (Magnesiumlegierung) als Magnox-Reaktoren genannten Anlagen in Betrieb. Ähnliche Anlagen wurden auch in Frankreich eingesetzt, sind aber inzwischen alle bereits abgeschaltet.

Ein Nachfolger der Magnox-Reaktoren ist der in Großbritannien entwickelte AGR-Reaktor (Advanced Gas-cooled Reactor). In dem Unterschied zu den Magnox-Reaktoren benutzt er jedoch leicht angereichertes Urandioxid statt Uranmetall als Brennstoff. Dies ermöglicht höhere Leistungsdichten und höhere Kühlmittelaustrittstemperaturen.

Ein Hochtemperaturreaktor (auch Kugelhaufenreaktor) nutzt ebenfalls Graphit als Moderator, als Kühlmittel wird Helium benutzt. Der Kernbrennstoff ist hier in Kugeln aus Graphit eingeschlossen. Dieser Reaktortyp gilt als einer der sichersten, da hier selbst bei einem Versagen der Not- und Nachkühlsysteme eine Kernschmelze aufgrund des hohen Schmelzpunktes des Graphit so gut wie ausgeschlossen ist.

Die sowjetischen Reaktoren vom Typ RBMK nutzen ebenfalls Graphit als Moderator. Hier liegt das Graphit allerdings in riesigen Blöcken vor, durch die hunderte oder tausende (abhängig von der Leistung des Reaktors) Kanäle gebohrt sind in denen sich die so genannten Druckröhren mit den Brennelementen und der Wasserkühlung befinden. Diese Reaktortypen gelten aus verschiedenen Gründen als träge (was viel Zeit zu dem Regeln lässt), aber auch als extrem unsicher, da hier ein Kühlmittelverlust nicht mit einem Moderatorverlust gleichzusetzen ist. Die Reaktorblöcke in Tschernobyl sind von diesem Typ.

Daneben gibt es Brutreaktoren (Schnelle Brüter), in denen ²³⁸U in ²³⁹Pu umgewandelt wird. Brutreaktoren arbeiten mit schnellen Neutronen, und benutzen flüssiges Metall, wie z.B. Natrium als Kühlmittel.

Eine Besonderheit stellt der Naturreaktor in Oklo dar. Im vor Millionen Jahren eine Kettenreaktion durch das Eindringen von Wasser in eine natürliche Uranlagerstätte in Gang kam. Dies war möglich, da aufgrund der unterschiedlichen Halbwertszeiten von ²³⁵U und ²³⁸U der Anteil an ²³⁵U in dem Natururan bei etwa 3-5 Prozent lag. Heute liegt der Anteil bei ca. noch etwa 0,7 Prozent und bei einem Anteil von 1,5-5 Prozent spricht man von angereichertem Uran.

Derzeit wird global aktiv an neuen Reaktorkonzepten gearbeitet, insbesondere mit Blick auf den erwarteten wachsenden Energiebedarf.

Das von Kernreaktoren ausgehende Gefahrenpotential sowie die bislang ungelöste Frage der Lagerung der anfallenden radioaktiven Abfälle haben nach Jahren der Euphorie seit den 70 Jahren des 20. Jahrhunderts in vielen Ländern zu Protesten von Atomkraftgegnern und zu einer Neubewertung der Kernkraft geführt. Während in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts allgemein der Ausstieg aus der Kernkraft propagiert wurde, findet in vielen Ländern momentan ein Umdenken statt. Gründe sind neben den hohen Kosten für regenerative Energiequellen und fossile Energieträger die Versorgungsunsicherheit bei Öl und Gas. Daneben stellt die inzwischen durch internationale Verträge gesicherte Reduktion des CO₂-Austosses ein weiteres Hindernis für fossile Energieträger dar. Diesen Problem klassischer Energieträger steht ein wachsender Energiebedarf durch aufstrebende Volkswirtschaften wie etwa China gegenüber.

Aus diesen Gründen entschlossen sich einige europäische Staaten, wieder in die Kernkraft zu investieren. So bauen derzeit der deutsche Konzern Siemens und die französische Gruppe Areva einen Druckwasserreaktor vom Typ EPR in dem finnischen Olkiluoto; er soll 2009 ans Netz gehen. Russische Förderation will seine alten und teilweise maroden Kernkraftwerke erneuern und für mindestens 10 Jahre pro Jahr einen neuen Reaktorbau beginnen. In Frankreich wird ebenfalls über den Neubau eines Reaktors verhandelt, als Termin für die Fertigstellung wird das Jahr 2010 genannt. Schweden stoppte seine Pläne zu dem Atomausstieg. Daneben gibt es kleinere und größere Neubauprojekte in Iran, China, Nordkorea, und anderen Staaten.== Orte mit Atomreaktoren ==

• Liste der Kernkraftanlagen
• Liste der Kernkraftwerke in Deutschland
• Liste der Kernreaktoren in Österreich

• 29.09 1957 Mayak in dem Russischen Ural
• 8.10 1957 in Sellafield (früher Windscale) in Vereinigtes Königreich
• 28. März 1979 Three Mile Island bei Harrisburg, Pennsylvania, Vereinigte Staaten Amerika
• 26.04 1986 Tschernobyl, Ukraine

Siehe auch: Reaktorphysik, Kernkraftwerk, Liste der nuklearen Unfälle

Basiswissen zur Kernenergie (http://www.kernenergie-wissen.de)