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Kettenreaktion bei der Kernspaltung und Kernreaktoren

PhysikQuanten- und KernphysikAlter 17–18

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Langsame Neutronen spalten Uran-235-Kerne, und jede Spaltung setzt 2–3 Neutronen frei. Wählen Sie die U-235-Anreicherung, den Moderator, die Eintauchtiefe der Steuerstäbe und die Kerngröße, sodass die Kettenreaktion unterkritisch, kritisch oder überkritisch wird, mit dem Multiplikationsfaktor k, einem Diagramm der Neutronen je Generation und einer Aufschlüsselung, was mit den Neutronen geschieht. Die Ansicht Reaktor betreibt einen Druckwasserreaktor mit Kühlmittel, Leistung, Abschaltung und Nachwärme; Energie berechnet E = Δmc² für eine Spaltung und vergleicht sie mit der Kernfusion; Abgebrannte Brennelemente zeigt, wie der Abfall zerfällt.

Lektion: Kernspaltung, Kettenreaktion, kritische Masse, Kernreaktoren und Kernfusion

Was sie zeigt

Bei der Kernspaltung wird ein langsames Neutron von einem Uran-235-Kern absorbiert, der in zwei kleinere Kerne zerfällt und dabei 2 oder 3 Neutronen und etwa 200 MeV Energie freisetzt. Löst im Mittel genau eines dieser Neutronen eine weitere Spaltung aus, ist der Multiplikationsfaktor k = 1 und die Kettenreaktion kritisch; bei k < 1 erlischt sie, bei k > 1 wächst sie. Ein Reaktor hält k = 1 mit angereichertem Brennstoff, einem Moderator, der die Neutronen abbremst, Steuerstäben, die sie absorbieren, und einem Kern, der groß genug ist, damit wenige entweichen. Die Energie stammt aus einem Massenverlust, E = Δmc².

So funktioniert es

Wählen Sie in Kettenreaktion die U-235-Anreicherung und den Moderator, stellen Sie Steuerstäbe eingefahren und Kerngröße ein und klicken Sie auf 1 Neutron abschießen oder 100 Neutronen abschießen; beobachten Sie die Balken je Generation. Bewegen Sie in Reaktor die Steuerstäbe, verringern Sie den Kühlmitteldurchfluss oder klicken Sie auf Schnellabschaltung (SCRAM). Energie vergleicht Spaltung und Fusion; Abgebrannte Brennelemente zeigt den Zerfall des Abfalls.

Einstellbare Parameter

  • Ansicht Kettenreaktion, Reaktor, Energie, Abgebrannte Brennelemente
  • U-235-Anreicherung 0,7 % (natürlich), 3 %, 5 %, 20 %, 90 %
  • Moderator Keiner, Wasser, Schweres Wasser, Graphit
  • Steuerstäbe eingefahren 0–100 %
  • Kerngröße (relativ) 1–10

Fragen zum Erkunden

  1. Warum kann Natururan mit Graphit oder schwerem Wasser eine Kettenreaktion aufrechterhalten, aber nicht mit normalem Wasser?
  2. Was geschieht mit der Neutronenzahl je Generation, wenn k etwas größer als 1 ist?
  3. Warum muss ein Reaktor auch nach dem Abschalten weiter gekühlt werden?

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