NuclearReactor - eine vereinfachte Online-Simulation eines Kernreaktors zum Experimentieren auf dem PC

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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.

Die vorliegende Ausgabe 1.2 ist um mehrere neue Möglichkeiten erweitert worden. Dazu zählt in erster Linie die Simulation des Abbrandes, d.h. der kontinuierliche Verbrauch des Brennstoffs wird - wie immer stark vereinfacht - berechnet. Der Reaktor geht dadurch nach einer Weile von selbst aus. Um mehr über alle neuen Möglichkeiten zu erfahren, klicken Sie hier!

Wie auch in der Ausgabe 1.1 kann dabei auch die die Wirkung des Reflektors demonstriert werden. Der Reflektor ist eigentlich nichts anderes, als die mit "Moderator" gefüllte umnittelbare Umgebung des "Reaktorkerns". Was "Moderator" und "Reaktorkern" bedeutet, erfahren Sie weiter unten. Für die Beschreibung der Reflektorsimulation, klicken Sie hier! Der Reaktor wird ansonsten genau so bedient, wie in der Version 1.0. Hier die Beschreibung der Grundfunktionen des Programms:

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.

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

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.

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.

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 schelle 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.

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.

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. 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. Es gibt noch ein paar anderer Verriegelungen. So können die Steuerstäbe nur hochgefahren werden, wenn die Sicherheitsstäbe schon ausgefahren sind. Diese wiederum lassen sich nur heben, wenn der Neutronendetektor in den untersten Messbereich geschaltet ist.

Irgend wann 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. Man kann den RESA-Knopf auch per Hand betätigen, also keine Angst! 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!

Das ist zunächst alles, was man mit der Programmversion NuclearReactor 1.0 machen kann. In der nächsten Ausgabe wird die Wirkung des sogenannten Reflektors demonstriert, danach kommt der Abbrand dran usw. usf. Wenn Sie Spass an dem Programm haben, dann schicken Sie mir eine E-mail: mailto:hmprasser@yahoo.com. Mehr Infos und andere Links zur Kernenergie finden Sie unter http://www.infokreis-kernenergie.org/ und natürlich bei http://www.ktg.org/.