Neutronenfluss

Neutronenfluss, ein in der Technologie und Betriebspraxis der Kernreaktoren sehr viel verwendeter Begriff, ist fast immer als Kurzbezeichnung für den genaueren Begriff Neutronenflussdichte zu verstehen.^[1][2] Die Neutronenflussdichte ist die Anzahl der pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit hindurchtretenden (freien) Neutronen, also das Produkt aus der Neutronendichte (z. B. in Neutronen pro cm³) und der (mittleren) Geschwindigkeit der Neutronen (z. B. in cm/s). Ihre übliche Maßeinheit ist cm⁻²s⁻¹, also Neutronen pro Quadratzentimeter und Sekunde. Im Reaktor ist sie im Allgemeinen abhängig von Ort und Zeit, im kritischen Zustand nur vom Ort. Die Neutronenflussdichte lässt sich mittels Neutronendetektoren messen.

Der Neutronen-„Fluss“ im Sinne des allgemeinen physikalischen Flussbegriffs spielt in der Reaktortheorie eine Rolle. Er wird sinnvollerweise als (Neutronen-)Vektorfluss bezeichnet.^[3]

Totale und differentielle Neutronenflussdichte

Die in einem Raumbereich vorhandenen freien Neutronen haben im Allgemeinen verschiedene kinetische Energien. Die oben definierte Neutronenflussdichte, meist mit $ \Phi $ (großes Phi) bezeichnet, bezieht sich auf Neutronen aller Energien zusammen und wird deshalb genauer auch totale oder integrale Neutronenflussdichte genannt. Die Flussdichte bei einer bestimmten Neutronenenergie E, genauer: von Neutronen mit Energien zwischen E und E+dE, heißt differentielle oder energieabhängige Neutronenflussdichte $ \phi $ (kleines Phi):

$ \phi (E)={\frac {d\Phi }{dE}} $ .

Ihre Einheit ist dementsprechend z. B. cm⁻²s⁻¹MeV⁻¹.

Durch Integration einer Neutronenflussdichte über die Zeit, z. B. die Dauer einer Bestrahlung, ergibt sich die entsprechende (totale oder differentielle) Neutronenfluenz.

Bedeutung in der Reaktortechnik

Der Neutronenfluss (im Sinne von Neutronenflussdichte) ist relativ einfach zu messen, z. B. mit in den Reaktorkern eingebauten Spaltkammern. Er ist ein geeignetes Maß für die (Volumen-) Leistungsdichte an einer Stelle im Reaktor. Da das Energiespektrum näherungsweise im ganzen Reaktor gleich ist, genügt in der Praxis die Messung des totalen Flusses. Die Temperaturmessung wäre dagegen als Leistungsmaß nicht zielführend, denn die Temperatur an einer Stelle ist Resultat der Leistung an der Stelle selbst, der Leistung in benachbarten Bereichen in der jüngeren und mittleren Vergangenheit sowie der Kühlleistung.

Das Fluss-Messsignal wird daher allgemein zur Steuerung und Überwachung des Reaktors verwendet. Auch bei abgeschaltetem (unterkritischem) Reaktor wird die Flussmessung ständig in Betrieb gehalten. Da eine zu diesem Zweck eingebaute radioaktive Neutronenquelle stets für einen geringen Neutronenfluss sorgt, wird damit auch die Funktion der Messinstrumentierung dauernd überwacht.

Einzelnachweise

Literatur

Dieter Smidt: Reaktortechnik, Bd. 1, Karlsruhe 1976, ISBN 3-7650-2018-4

Dieter Emendörfer, Karl-Heinz Höcker: Theorie der Kernreaktoren, Bd. 1, Mannheim/Wien/Zürich 1982, ISBN 3-411-01599-3