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Reaktorsimulation

NuclearReactor ist eine sogenannte Monte-Carlo-Simulation eines stark vereinfachten Kernreaktors. Mit diesem Programm können Sie selbst ausprobieren, wie man einen Reaktor steuert. Sie können verschiedene Experimente durchführen, die Ihnen einige grundlegende physikalische Zusammenhänge näher bringen. Sie müssen sich nur das Programm downloaden und es starten.


Systemanforderungen
Das Programm berechnet den Lebensweg jedes einzelnen simulierten Neutrons individuell und stellt ihn dabei gleichzeitig noch auf dem Bildschirm dar. Monte-Carlo-Simulation bedeutet, dass die Zufallsprozesse, die den Lebensweg des einzelnen Neutrons bestimmen, mit Hilfe von Zufallszahlengeneratoren vom Rechner quasi "ausgewürfelt" werden. Der Rechenaufwand ist enorm - deshalb können auch nicht mehr als 100000 Neutronen gleichzeitig simuliert werden, sonst geht der PC "in die Knie" (In einem richtigen Reaktor sind es viel mehr.....). Sie sollten deshalb einen guten PC haben, der möglichst über eine Taktfrequenz von mindestens 1 - besser jedoch 2 GHz - verfügt.

Vorschau
Bei Start des Programms wird ein Fenster geöffnet. Was wird dargestellt und welche Bedienelemente findet man?
Reaktorsimulation Vorschau


Links im Bild ist der Reaktorkern, auch Spaltzone genannt, dargestellt. Er besteht aus Brennelementen aus Uran-235 (grün), dem Moderator Wasser (gelb) und den Regelstäben (blau), die aus einem stark neutronenabsorbierenden Material bestehen.

Neutronen
Wenn der Reaktor in Betrieb ist, wuseln dort Neutronen herum. Davon gibt es zwei Arten: Die schnellen Neutronen (rote Punkte), die bei der Spaltung entstehen oder auch von der Neutronenquelle gebildet werden können, und die "thermischen" Neutronen (schwarze Punkte). Letztere sind die durch Zusammenstoß mit einem Wasserstoffkern des Moderators abgebremsten Neutronen. Nur sie können eine Spaltung auslösen. Während die schnellen Neutronen ziemlich rasch über den Platz sausen, bewegen sich die langsamen Neutronen eher stochastisch hin und her und legen dabei nur noch kurze Wegstrecken zurück. Diese Neutronen sind nicht schneller, als die thermische Bewegung der Wasserstoff-Moleküle, daher der Name.

Ein thermisches Neutron kann, wenn es sich im Brennstoff befindet, mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auf einen Uran-Kern treffen und eine Spaltung auslösen. Dabei werden 3 neue schnelle Neutronen gebildet. Sie können mit etwas Glück im Moderator (=Neutronen-Bremser) abgebremst werden, bevor sie aus dem Reaktor fliegen. Hier schließt sich der Kreis, eine Kettenreaktion wird möglich.

Nach dem Start des Programms wird man kaum Neutronen im Kern vorfinden. Nur gelegentlich treten einzelne Neutronen auf, die z.B. durch Spontanspaltungen oder durch Umwandlungen von Teilchen der Höhenstrahlung geboren werden. Diese werden jedoch viel zu schnell von den Regel- und Sicherheitsstäben abgefangen, so dass keine Kettenreaktion zustande kommen kann.

Neutronenquelle
Will man den Reaktor anfahren, so muss man zuerst eine Neutronenquelle einfahren. Der Reaktor kommt eigentlich auch ohne Quelle in Gang, denn es sind, wie schon gesagt, immer mal ein paar Neutronen vorhanden. Aber mit Quelle hat man von Anfang an eine gut messbare Neutronendichte im Reaktor - das macht den Anfahrprozess leichter beherrschbar. Drücken Sie also unter "Neutronenquelle" den Knopf "Einfahren". Jetzt kommen schnelle Neutronen aus der Quelle in alle Richtungen geschossen, sie werden abgebremst und können auch schon mal Spaltungen auslösen. Die Neutronendichte steigt an. Aber der Reaktor ist noch stark unterkritisch. Das kriegen Sie leicht heraus, indem Sie die Quelle noch einmal ausfahren - die Neutronendichte, angezeigt durch den Balken des Neutronendetektors sinkt rasch wieder ab.

Sicherheitsstäbe
Ziehen Sie jetzt bei eingefahrener Neutronenquelle die Sicherheitsstäbe. Es werden nun weniger Neutronen absorbiert, so dass die Neutronenanzahl weiter ansteigt. Durch die Neutronenmultiplikation bei den einsetzenden Spaltungen wirkt der Reaktor wie ein Neutronenverstärker. Aber noch immer ist er unterkritisch - nach Ausfahren der Quelle sinkt die Neutronendichte wieder rasch ab.

Die Sicherheitsstäbe lassen sich nur heben, wenn der Neutronendetektor in den untersten Messbereich geschaltet ist.

Steuerstäbe

Jetzt können Sie versuchen, den Reaktor überkritisch zu machen. Dazu ziehen Sie die Steuerstäbe hoch, vielleicht erst einmal bis zur Mitte des Kerns. Jetzt steigt die Neutronenanzahl auch nach Entfernen der Quelle weiter an. Dieser Anstieg verläuft exponentiell, also aufgepasst! Nicht vergessen, rechtzeitig auf den nächsthöheren Messbereich am Neutronendetektor umzuschalten.

Steuerstäbe können nur hochgefahren werden, wenn die Sicherheitsstäbe schon ausgefahren sind.

Reaktorschnellabschaltung
Wenn im jeweiligen Messbereich ein Wert von 90 % überschritten wird, dann kommt es zur Reaktorschnellabschaltung, auch RESA genannt. Alle Steuer- und Sicherheitsstäbe werden eingeworfen und der "Ofen ist aus". Aber zu schnelles Hochschalten wird auch bestraft. Es muss immer ein Mindestwert von 3 % erreicht sein, sonst spricht auch die RESA an. Das ist eine Strafe für den unaufmerksamen Reaktorfahrer. Man kann den RESA-Knopf auch per Hand betätigen.

Reaktorleistung

Irgendwann wird beim überkritischen Reaktor die Anzahl der Spaltungen pro Zeiteinheit so groß, dass der Leistungsmesser anfängt, auf die 100 %-Marke zuzugehen. Achtung! Bei 120 % Leistung wird auch automatisch abgeschaltet! Stabilisieren Sie die Leistung, z.B. bei 100 % - dazu fahren Sie die Stäbe ein. Suchen Sie den Punkt, wo der Reaktor genau kritisch ist, d.h. wo immer wieder genau eines der drei bei der Spaltung gebildeten Neutronen eine neue Spaltung auslöst. Die anderen zwei Neutronen werden dabei entweder von den Steuerstäben oder sogar ein paar vom Moderator absorbiert, oder sie fliegen aus der Spaltzone heraus und gehen so verloren. Wenn Sie die Leistung runterfahren wollen..... aber Sie haben längst verstanden, wie das geht. Fahren Sie Ihren Reaktor doch einfach ein paar mal hoch und runter, da bekommt man ein Gefühl für die Regelung mit den Absorberstäben. Sie können ja den Reaktor auch mal ohne Quelle anfahren, oder mal die Steuerstäbe ganz nach oben fahren.... Das ist lehrreich!

Reflektor/Moderator

Der Reflektor ist die mit Moderator gefüllte Umgebung des Reaktorkerns. Weiter nichts. Als Moderator dient of Wasser, aber auch Graphit oder Schweres Wasser kommt vor. Der Moderator bremst die bei der Spaltung entstehenden schnellen Neutronen ab. Das geschieht durch sogenannte "elastische Stöße", bei denen - ähnlich wie beim Billard - das Neutron mit einem Moderatorkern, z.B. mit dem Proton des Wasserstoffs im Wasser, zusammenstößt und dabei seinen Impuls an das Proton übergibt. Das Neutron "bleibt stehen" und der Wasserstoffkern fliegt weg. Der Stoß selbst verläuft nicht immer so ideal, das kennen wir ja auch vom Billard, aber langsamer wird das Neutron in jedem Fall. Die so abgebremsten Neutronen bewegen sich zum Schluss nur noch mit der Geschwindigkeit der Wasserstoffkerne, die ja nie genau Null ist wegen der thermischen Molekularbewegung. Deshalb spricht man bei den abgebremsten Neutronen auch von "thermischen" Neutronen. Der Sinn besteht darin, dass thermische Neutronen wesentlich leichter erneut eine Spaltung auslösen können, wenn sie auf einen Spaltstoffkern treffen. Dadurch lässt sich leichter eine Kettenreaktion aufrecht erhalten.

Was macht der Moderator nun außerhalb des Reaktorkerns in dessen Umgebung? Ganz einfach: Alle Neutronen, die den Kern verlassen, sind zunächst mal für die Kettenreaktion verloren. Das sieht man deutlich, wenn man das Programm startet. Der Bereich um den Kern herum ist noch leer, gekennzeichnet durch die Farbe Weiß. Fahren Sie den Reaktor an und versuchen Sie eine Steuerstabstellung zu finden, bei der die Leistung bzw. die Neutronendichte bei ausgefahrener Neutronenquelle annähernd konstant bleibt. In diesem Fall ist der Reaktor genau kritisch.

Klicken Sie nun auf Reflektor. Der Raum in der Umgebung des Kerns füllt sich mit Moderator (gelb). Sofort werden schnelle Neutronen, die den Kernverlassen, dort in langsame umgewandelt (moderiert). Diese thermischen Neutronen wandern umher und können mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in den Kern zurück gelangen. Das Ergebnis: Der Reaktor wird ohne dass man die Steuerstabstellung verändert, überkritisch, d.h. die Leistung beginnt zuzunehmen. Auch themische Neutronen, die aus dem Kern ausströmen, haben eine gewisse Chance, vom Reflektor zurückbefördert zu werden. Aber das Ganze ist keine Reflektion im Sinne eines Spiegels, es ist eher eine diffuse Reflektion, deshalb spricht man bei den zurückbeförderten Neutronen auch von "Albedo". Sie können auch gern ein zweites Mal auf den Knopf "Reflektor" drücken, dann wird er wieder abgelassen. Experimentieren Sie ruhig mit den verschiedenen Steuermöglichkeiten, schlimmstenfalls lösen Sie eine Schnellabschaltung aus!

Moderatorablass

Wenn Sie den Knopf "Moderatorablass" betätigen, dann verschwindet der Moderator auch aus dem Reaktorkern, Die Folge: Auch ohne die Absorberstäbe einzufahren, stirbt die Kettenreaktion sehr schnell aus. Das Ablassen des Moderators ist deshalb eine Möglichkeit der Schnellabschaltung ..... aber nur in kleinen Forschungsreaktoren, bei denen der Moderator nicht gleichzeitig als Kühlmittel dient! Denn in einem Leistungsreaktor muss der Brennstoff auch nach der Abschaltung weiter gekühlt werden, weil durch den radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte noch bis zu 6 % der Wärmeleistung entsteht, die bei Normalbetrieb produziert wird.

Spaltungszähler

Mit dem Spaltungszähler direkt unterhalb des Neutronendetektors erhalten Sie eine Angabe der bisher stattgefundenen Kernspaltungen. Diese Zahl ist proportional der insgesamt freigesetzten Energie (natürlich nur qualitativ, denn es finden ja nur vergleichweise sehr wenig Spaltungen statt, weil es sich um eine stark vereinfachte Simulation handelt).

Wenn Sie den Reaktor bei eingeschalteter Abbrandoption einmal mit und ein zweites mal ohne Reflektor betreiben, bis die Ketternreaktion versiegt, dann sehen Sie, dass durch die verbesserte Neutronenbilanz bei Verwendung eines Reflektors mehr Brennstoff aus dem Kern geholt werden kann.

Steuerstabstellung digital
Rechts neben den Knöpfen zum Verfahren der Steuerstäbe finden Sie eine Digitalanzeige der Steuerstabstellung. 0 % bedeutet: Stäbe ganz eingefahren, 100 %: Stäbe ganz oben. So können Sie eine Steuerstabstellung leichter wiederfinden.

Neutronendichteverteilungen

Rechts oben im Programmfenster sind die Knöpfe "Neutronenverteilungen, horizontal" und "vertikal" zu finden. Wenn Sie darauf klicken, erhalten Sie nach einigen Sekunden in einem neuen Fenster die gerade vorliegende Neutronendichteverteilungen angezeigt. Die rote Kurve zeigt die Verteilung der schnellen Neutronen und die schwarze die der thermischen Neutronen. Deutlich erkennbar wird das "Buckling", d.h. die Aufwölbung der Verteilung. Zum Rand hin muss die Neutronendichte abnehmen, da aus den Randbereichen mehr Neutronen in die Umgebung entweichen, als aus dem Zentrum.

Vergleichen Sie auch die Verteilungen mit und ohne Reflektor. Hierbei erkennt man die vergleichmäßigende Wirkung des Reflektors deutlich!

Die thermischen Neutronen weisen stärkere Unterschiede zwischen den Bereichen mit Spaltstoff und den Moderatorgebieten auf. Sie werden im Moderator durch Abbremsung der schnellen Neutronen gebildet, und im Brennstoff verschwinden sie, unter Auslösung von Spaltungen, versteht sich. Deshalb ist die thermische Neutronendichte im Moderator höher als im Brennstoff. Die Unterschiede sind bei einem richtigen Reaktor auch vorhanden, aber nicht so stark ausgeprägt, weil der Brennstoff durch die dünnen Brennstäbe feiner im Kern verteilt ist, als in der Simulation.

Die vertikalen Verteilungen sind auch interessant, denn sie zeigen zusätzlich die Deformation der Neutronendichteverteilung durch die Wirkung der Regelstäbe.

Sie können leicht Verteilungen zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten, d.h. bei verschiedenen Reaktorzuständen miteinander vergleichen. Dazu drücken Sie den Knopf für das jeweilige Profil einfach zum zweiten gewünschten Zeitpunkt noch einmal. Dann bleiben die Kurven der ersten Darstellung noch in blassen Farbtönen erhalten und die neuen Kurven können mit den alten verglichen werden.

Abbrandoption
Wählen Sie vor Reaktorstart die Option "Abbrand" an. Das Programm simuliert dann den Verbrauch des Spaltstoffs. Das Grün, in dem der Spaltstoff dargestellt ist, wird dabei mit wachsendem Abbrand immer dunkler. In jedem Pixel der Spaltzonendarstellung wurden 10 Urankerne angenommen. Im Reaktormodell ist also extrem (!!!) weniger Spaltstoff, als in einem originalen Reaktor. Doch wie schon gesagt, werden ja auch nur sehr viel weniger Neutronen simuliert. Das Ganze ist so aufeinander abgeglichen, dass der Brennstoff nach ca. 10 Minuten erschöpft ist. In der Realität läuft ein Reaktor mit einer Brennstoffbeladung natürlich viel länger - ein Leistungsreaktor typischerweise 1 Jahr. Sie werden merken, dass man mit zunehmendem Abbrand die Steuerstäbe immer weiter aus dem Kern heraus fahren muss, um den Reaktor kritisch zu halten. Das liegt daran, dass die weniger Uran zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion da ist und ausserdem die Spaltprodukte auch Neutronen absorbieren, die der Kettenreaktion verloren gehen. Am Ende sind die Regelstäbe ganz oben und die Kettenreaktion komt zum erliegen. Das ist das Ende der Reaktorkampagne. Jetzt muss man neuen Brennstoff einladen, wenn´s weiter gehen soll. An der Verteilung der Grüntöne können Sie nun erkennen, wo der Abbrand am stärksten war, nämlich im Zentrum, wo die Neutronendichte am größten ist und damit die meisten Spaltungen stattfinden. Wenn Sie am Ende der Kampagne die Option "Reflektor" zuschalten, dann wird der Reaktor nochmal überkritisch und Sie können ihn noch etwas länger betreiben. Dabei wird die Neutronendichteverteilung am Rand des Kerns angehoben und dort wächst dann auch der Abbrand.

Dialogfeld Sicherheitskreis
Damit man in Zukunft weiss, wieso der Reaktor sich plötzlich abschaltet, gibt es eine Dialogbox, in der der Grund für das Einwerfen der Sicherheitsstäbe angezeigt wird. Die Box befindet sich rechts neben der RESA-Taste (Reaktorschnellabschaltung).


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