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Bei einem Kernkraftwerk wird die Energie zur Dampferzeugung durch eine kontrollierte Kettenreaktion von Kernspaltungen gewonnen. Im Reaktorkern werden die Uran- bzw. Plutoniumatome des Brennstoffes durch Neutronen gespalten. Die dabei freigesetzte thermische Energie wird an einen Primärkreislauf mit einer, je nach Kraftwerkart unterschiedlichen, Flüssigkeit abgegeben. Meist handelt es sich hierbei um Wasser oder flüssiges Natrium. Da diese Flüssigkeit radioaktiv ist, gibt sie ihre thermische Energie an einen Sekundärkreislauf ab, der meistens Wasser enthält. Dieses Wasser verdampft durch die große Hitze und treibt die Turbinen für den Generator an.
Da die Neutronen im Reaktorkern zu schnell sind, um bestimmte Stoffe ( z.B. Uran-238 ) in genügender Menge zu spalten, wird ein Moderator ( Bremssubstanz ) verwendet. Ein guter Moderator muss über einen großen Streuquerschnitt ( Wirkungsquerschnitt ), einen kleinen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen und eine möglichst kleine Massenzahl A verfügen. Typische Moderatoren sind schweres Wasser ( D2O ), Kohlenstoff in der Form von Graphit oder Beryllium.
Ein Kernreaktor kann sich nur dann selbst unterhalten, wenn das Verhältnis der Neutronenzahlen zweier, aufeinander folgender Spaltungsgenerationen mindestens eins ist. Ist dieses Verhältnis kleiner als eins, so ist es unterkritisch und die Kettenreaktion kommt zum Stillstand. Ist es genau eins, so ist es stationär. Es wird immer angepeilt, dieses stationäre Verhältnis zu erreichen. Kommt es aber dazu, dass das Verhältnis größer als eins ist, ist es überkritisch und die Kernspaltungen nehmen unkontrolliert zu. Die Folge wäre ein Super-GAU ( GAU bedeutet: größter anzunehmender Unglücksfall ). Um dies zu verhindern, werden Steuerstäbe mehr oder weniger weit in den Reaktorkern eingefahren. Diese Steuerstäbe bestehen aus Stoffen, die die Neutronen absorbieren und so für ein stationäres Verhältnis sorgen. Solche Neutronen absorbierenden Stoffe sind z. B. Bor oder Kadmium.
Für das erstmalige in Betrieb setzen eines Reaktors werden zwar die ersten Neutronen aus einer speziellen Neutronenquelle benötigt, aber nach einer zwischenzeitlichen Stilllegung ist dies nicht mehr nötig.
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