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Neutronen in Kernreaktoren: Wie fördern sie Spaltungsreaktionen?
Neutronenstrahlung ist eine Form ionisierender Strahlung von freien Neutronen bei Kernreaktionen. Sie entsteht bei Kernspaltung und Kernfusion und reagiert anschließend mit den Kernen anderer Atome zu neuen Nukliden und kann weitere Neutronen freisetzen. Substrahlung. Neutronen selbst sind ungeladen und verfügen daher bei ihrer Ausbreitung über eine höhere Durchdringungskraft als andere Strahlungsarten. Daher ist ihre Anwendung bei der Erzeugung von Kernenergie und verwandten Bereichen besonders wichtig.
Neutronenquellen
Neutronen können bei der Kernspaltung, der Kernfusion, dem radioaktiven Zerfall und sogar bei der Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit der Erdatmosphäre freigesetzt werden. Zu den häufigsten großflächigen Neutronenquellen zählen Kernreaktoren und Teilchenbeschleuniger.
Eine der typischen Neutronenquellen ist die Erzeugung freier Neutronen bei der Kollision von Barium-Gammastrahlen mit Berylliumkernen.
Neutronen bei der Kernspaltung
In Kernreaktoren werden Neutronen üblicherweise in langsame (thermische) Neutronen und schnelle Neutronen unterteilt. Thermische Neutronen weisen hinsichtlich ihrer Energieverteilung eine ähnliche Maxwell-Boltzmann-Verteilung wie Gase auf und können leicht von Atomkernen eingefangen werden, was die Hauptursache für Kernspaltungskettenreaktionen ist. Um eine wirksame Kettenreaktion der Kernspaltung aufrechtzuerhalten, müssen die durch die Kernspaltung erzeugten Neutronen von spaltbaren Kernen eingefangen werden, die dann eine Spaltung durchlaufen und weitere Neutronen freisetzen.
Um schnelle Neutronen in thermische Neutronen abzubremsen, werden häufig Neutronenmoderatoren wie Graphit oder leichtes Wasser in den Reaktor eingebracht, um die Einfangseffizienz zu erhöhen.
Klima-Neutronen
Klimaneutronen werden durch kosmische Strahlung auf der Erdoberfläche und in der Atmosphäre erzeugt und haben typischerweise höhere Energien als Neutronen in Kernreaktoren. Diese Neutronen können bei der Wechselwirkung mit Stickstoff-14 in Kohlenstoff-14 umgewandelt werden, eine Eigenschaft, die bei der Radiokarbon-Datierung häufig genutzt wird.
Anwendungen von Neutronen
Kalte, heiße und thermische Neutronenstrahlung wird häufig in Streu- und Beugungsexperimenten eingesetzt, um die Eigenschaften von Materialien in Bereichen wie Materialwissenschaft, Kristallographie und Biologie zu bewerten. Zur Behandlung von Krebs nutzt man bei der Bor-Neutroneneinfangtherapie ebenfalls die stark durchdringende und zerstörerische Wirkung von Neutronen mit dem Ziel, Tumorzellen anzugreifen. Neutronen können außerdem zur Abbildung industrieller Komponenten genutzt werden, was für Branchen wie die Kernenergie, die Luft- und Raumfahrt sowie die Herstellung hochzuverlässiger Sprengstoffe von Bedeutung ist.
Mechanismus und Eigenschaften der Neutronenionisation
Da Neutronen keine Ladung haben, unterscheidet sich ihr Ionisierungsmechanismus von dem geladener Teilchen. Wenn durch die Absorption von Neutronen Gammastrahlen emittiert werden, entfernen diese Gammastrahlen Elektronen aus den Atomen und verursachen so eine indirekte Ionisierung. Neutronenstrahlung ist äußerst durchdringend und kann in manchen Fällen sogar die Wirkung von Gammastrahlen übertreffen.
Gesundheitsgefahren und -schutz
Das größte Gesundheitsrisiko durch Neutronenstrahlung geht von der Aktivierung radioaktiver Stoffe aus, die sie verursachen kann. Dadurch werden viele Stoffe, darunter auch menschliches Gewebe, radioaktiv. Aufgrund ihrer hohen Energie sind Neutronen eine gefährliche Strahlungsart. Bei externen Strahlungsquellen basieren Schutzmaßnahmen vor allem auf strahlenabschirmenden Materialien, wie etwa Wasser oder wasserstoffreichen Materialien, welche die Auswirkungen der Neutronenstrahlung wirksam blockieren können.
Einfluss von Materialien
Hochenergetische Neutronen können Materialien im Laufe der Zeit beschädigen und zersetzen. Wenn das Material mit Neutronen bombardiert wird, reagieren die Stoßreaktionen mit den Kernen, was zur Bildung von Versetzungen und Defekten führt. Dieser Prozess verringert die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Materials, insbesondere in Druckbehältern von Kernreaktoren.
AbschlussDa die Nachfrage nach Kernenergie steigt, wird in der Neutronenforschung weiterhin nach besseren Schutzmaßnahmen und Anwendungstechnologien gesucht. Wir sollten genauer nachdenken: Welche Rolle und welchen Einfluss spielen diese unsichtbaren Kräfte in unserem täglichen Leben?
