Steuerstab

Abbildung 1. Ein Druckwasserreaktor mit Steuerstäben, die aus dem Kopf des Reaktors herausragen.

Ein Steuerstab ist ein Gerät, das dazu dient, Neutronen zu absorbieren, so dass die im Reaktorkern stattfindende nukleare Kettenreaktion durch weiteres Einschieben der Stäbe verlangsamt oder ganz gestoppt bzw. durch leichtes Herausziehen beschleunigt werden kann. Im Wesentlichen sorgen die Steuerstäbe für eine Echtzeit-Kontrolle des Spaltungsprozesses und stellen sicher, dass dieser aktiv bleibt, während sie gleichzeitig verhindern, dass er außer Kontrolle gerät.

Bei der Spaltung von Uran-235 werden im Durchschnitt 2,5 Neutronen freigesetzt, aber nur ein Neutron wird benötigt, um die nukleare Kettenreaktion konstant aufrechtzuerhalten. Die Steuerstäbe absorbieren diese zusätzlichen Neutronen und können dazu verwendet werden, die Leistung des Reaktors zu regulieren. Wenn sie um die Standardmenge eingeschoben werden, befinden sie sich in der Kritikalität und die Leistungsabgabe bleibt gleich. Wird der Stab hineingeschoben, sinkt die Anzahl der Neutronen zusammen mit der Leistungsabgabe und der Reaktor befindet sich unterhalb der Kritikalität. Das Gegenteil ist der Fall, wenn die Stäbe etwas herausgezogen werden, da die Spaltung über die Kritikalität hinausgeht. Dies ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Ein Schema, das zeigt, wie sich die Leistung des Reaktors ändert, je nachdem, wie stark die Steuerstäbe (grün dargestellt) eingesetzt sind. Auf der linken Seite werden die Steuerstäbe mehr als üblich eingesetzt, wodurch die Leistung des Reaktors sinkt. Rechts werden die Steuerstäbe weniger als üblich eingesetzt, was die Leistungsabgabe erhöht.

Ausführung

Steuerstäbe sind Stäbe, Platten oder Rohre, die ein Material (wie Bor oder Hafnium) enthalten, das Neutronen absorbiert. Mehrere dieser Steuerstäbe, etwa in der Größe von Brennstäben, sind in gleichmäßigem Abstand angeordnet und an einem Ende durch eine Metallhalterung, die sogenannte Spinne, verbunden. Typische Reaktoren können etwa 50 dieser Cluster mit 20 einzelnen Steuerstäben in jedem Cluster enthalten.

Die Fähigkeit eines Steuerstabs, Neutronen zu absorbieren, um die Spaltungskettenreaktion zu steuern, erfordert die Wahl eines Materials, das eine hohe Neutronenabsorptionsfähigkeit besitzt. Das Maß dafür, wie gut ein Material Neutronen absorbiert, ist bekannt als sein Neutronenabsorptionsquerschnitt, oder , gemessen in Scheunen (entspricht 10-28 Quadratmetern). Im Allgemeinen werden Steuerstäbe aus Cadmium, Hafnium oder angereichertem Bor hergestellt.

Neben der Wahl des Materials sind auch die mechanischen Eigenschaften und die Kosten für die Konstruktion eines Steuerstabs wichtig. Bor-10 zum Beispiel ist einer der besten Neutronenabsorber, eignet sich aber nicht für den Bau von Steuerstäben, da es extrem spröde ist. Außerdem muss natürliches Bor angereichert werden, um vernünftige Absorptionswerte zu erreichen, was sehr teuer wird.

Sicherheitsvorkehrungen

Steuerstäbe sind wichtige Sicherheitsmerkmale von Reaktoren, da sie dem Benutzer erlauben, die Leistung des Reaktors zu kontrollieren. In einigen Reaktortypen, vor allem in CANDU-Reaktoren, werden die Steuerstäbe von Elektromagneten gehalten. Das bedeutet, dass bei einer Art von Stromausfall oder Signalverlust die Steuerstäbe sofort losgelassen werden und aufgrund der Schwerkraft in den Reaktorkern fallen. Dies verhindert die Fortsetzung der Spaltreaktion und dient als primäres Abschaltsystem für den Notfall. Diese Fallbewegung kann auch manuell ausgelöst werden, wenn die Maschinerie, die die Stäbe oben hält, in irgendeiner Weise versagt. Wenn die Steuerstäbe in den Reaktor fallen, handelt es sich um einen Vorgang, der als Scramming bezeichnet wird. Bei Siedewasserreaktoren ist die Konstruktion anders, da die Steuerstäbe nach oben in den Reaktor geschoben werden müssen, da sie sich bei dieser Konstruktion am Boden des Reaktors befinden.