Reaktorphysik

Die Reaktorphysik, die Reaktortheorie und Experimentelle Reaktorphysik umfasst, ist der Teilbereich der Physik, der sich mit den Bestandteilen eines Kernreaktors und den Ereignissen befasst, die sich in ihm abspielen. Sie ist deutlich von der Atomphysik abzugrenzen, die sich der Physik der Atomhülle widmet. Die Reaktorphysik hat sich aus der Kernphysik heraus entwickelt und wurde bis etwa zum Jahr 1955 mit zu ihr gezählt. Die Reaktorphysik baut auf der Kernphysik auf, die die Struktur von Atomkernen untersucht und Wirkungsquerschnitte von Kernreaktionen berechnet und misst.

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Projektive Darstellung des thermischen Neutronenflusses des Brennelements eines Druckwasserreaktors bei eingefahrenen Regelstäben als Beispiel des Ergebnisses einer reaktorphysikalischen Transportrechnung

Die Physik des Kernreaktors wird durch die Wechselwirkung von freien Neutronen mit Atomkernen in einem begrenzten Raumbereich geprägt. Die wichtigsten physikalischen Größen der Reaktorphysik sind die Anzahldichten der Atome (Atomkerne) und freien Neutronen, die Kernreaktionsraten und die Wirkungsquerschnitte der Kernreaktionen und der Neutronenfluss.

Physikalische Sicht auf einen Kernreaktor

Durch Spaltung von Atomkernen in einem Kernreaktor entstehen freie Neutronen in verhältnismäßig hoher Anzahldichte und mit hoher kinetischer Energie. Sie verbreiten sich im materieerfüllten Raum sehr schnell, vergleichbar mit Gasen, die jeden Raum ergreifen, der sich ihnen bietet. Sie wechselwirken je nach Art und Anzahldichte mit den Atomkernen, die sich mit ihnen im gleichen Raum befinden, auf vielfältige Weise durch Stöße. Die Neutronen verringern dabei ihre kinetische Energie, lösen unterschiedliche Kernreaktionen aus und verändern damit auch die Anzahldichten der sich in diesem Raumbereich befindlichen Nuklide. Sie werden schließlich überwiegend von spaltbaren Atomkernen in Bruchteilen von Sekunden wieder eingefangen. Deshalb ist auch der radioaktive Zerfall des Neutrons mit einer (Halbwertszeit 878 s) kein Thema bei der Neutronenbilanz. Mit der Absorption des Neutrons in einem Atomkern ist der Lebensweg dieses Neutrons beendet und eine neue Generation von freien Neutronen kann das Spiel von vorn beginnen, wenn der Atomkern spaltbar ist, der das Neutron eingefangen hat.

Grundlagen

Die grundlegende Gleichung der Reaktorphysik ist die Boltzmannsche Neutronentransportgleichung, aus der der Neutronenwinkelfluss berechnet wird. Diese partielle Integro-Differentialgleichung spielt in der Reaktorphysik die Rolle, die die Schrödingergleichung in der Quantenmechanik spielt. Der Neutronenwinkelfluss ist in seiner Bedeutung für die Reaktorphysik der Wellenfunktion der Quantenmechanik vergleichbar.

Die Boltzmannsche Neutronentransportgleichung ist mathematisch komplizierter als die Schrödingergleichung und kann nur näherungsweise numerisch gelöst werden. Sie ist aber insofern einfacher, weil sowohl alle Koeffizienten, die in die Gleichung eingehen, als auch der Neutronenwinkelfluss, der die Gleichung löst, deterministisch, also klassisch-mechanisch interpretierbar sind, die Wirkungsquerschnitte ausgenommen. Die imaginäre Einheit i tritt in der Boltzmannschen Neutronentransportgleichung nicht auf. Die Neutronenwinkeldichte ist folglich eine Funktion reeller Zahlen (und Größen). Eine Interpretation der Größen wie im Fall der Quantenmechanik ist in der Reaktorphysik nicht erforderlich.

Die für die Praxis wichtigste Näherung der Boltzmannschen Neutronentransportgleichung ist die Neutronendiffusionsgleichung. Mathematisch wird dabei die Neutronentransportgleichung im stationären Fall durch eine elliptische partielle Differentialgleichung angenähert, deren Lösungsfunktion der Neutronenfluss ist.

In Reaktorkinetik und Reaktordynamik, beides Teilbereiche der Reaktorphysik mit denen kurze zeitliche Änderungen der Reaktorparameter, insbesondere Störfälle, untersucht werden, wird die eigentliche Neutronenphysik mit Hydraulik, Fluiddynamik und Thermodynamik gekoppelt.

Trennung von Kernphysik und Reaktorphysik

Freie Neutronen in hoher Anzahldichte standen für Forschung und Anwendung erst seit Inbetriebnahme des ersten Kernreaktors, des Chicago Piles im Jahr 1942 zur Verfügung. Alle Forschungsarbeiten dazu und zu Kernreaktoren allgemein in den Jahren danach fielen, wie oben berichtet, in die Zuständigkeit der Kernphysik. Die Anzahl der Physiker, die sich ausschließlich mit Neutronenphysik und Kernreaktoren befassten, nahm deutlich zu, und die Methodik entfernte sich zunehmend von der der niederenergetischen Kernphysik. Deshalb trennten sich die Reaktorphysiker in der Mitte der 1950er Jahren von den Kernphysikern, was sich darin manifestierte, dass sie eigene Fachzeitschriften und Fachorganisationen gründeten und eigene Fachtagungen abhielten.

Als Meilenstein dieser Trennung kann die Erste Internationale Konferenz zur friedlichen Nutzung der Atomenergie in Genf im Jahr 1955 angesehen werden. Die Atomgroßmächte USA, UdSSR, Großbritannien und Frankreich gaben auf dieser Konferenz das erste Mal nicht nur einen Einblick in ihre Aktivitäten und Pläne bezüglich der zivilen Nutzung der Kernenergie, sondern auch in die reaktorphysikalische Forschung. Danach wurden in vielen Ländern nationale Kernforschungszentren gegründet, in Deutschland zum Beispiel das Kernforschungszentrum Karlsruhe, die Kernforschungsanlage Jülich und das Zentralinstitut für Kernphysik Rossendorf. Sie enthielten bereits Abteilungen, die Reaktorphysik oder Reaktortheorie im Namen trugen.

Als erste und älteste Fachzeitschrift, insbesondere für die Gebiete Reaktorphysik und Kerntechnik, wurde die Zeitschrift Nuclear Science and Engineering[1] 1956 gegründet. Die Zeitschrift versteht sich als „Quelle für Informationen über Grundlagen- und angewandte Forschung in allen wissenschaftlichen Bereichen im Zusammenhang mit der friedlichen Nutzung der Kernenergie sowie über Anwendungen von Kernteilchen und Strahlung.“ Sie wird von der American Nuclear Society herausgegeben. Eine der 19 Arbeitsgruppen dieser Gesellschaft trägt den Namen Reactor Physics.

Im Jahr 1957 wurde die halb-autonome Institution Nuclear Energy Agency (NEA) innerhalb der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) zur Förderung einer sicheren, umweltschonenden und wirtschaftlichen Nutzung der Kernenergie mit Sitz in Paris gegründet. Die Organisation betreibt verschiedene Nukleardatenbanken in ihren Nuclear Data Services und einen Computerprogrammdienst für Computerprogramme, die der friedlichen Nutzung der Kernenergie dienen. Ein nicht unerheblicher Teil der vom Computerprogrammdienst der NEA verwalteten und verteilten Programme wurde von Reaktorphysikern entwickelt oder werden von Reaktorphysikern und Reaktortechnikern genutzt. Zu den Nukleardatenbanken leisten sowohl Reaktorphysiker als auch Kernphysiker ihren Beitrag.

1957 erschien auch das erste Lehrbuch der Reaktorphysik und -technik in deutscher Sprache. Folglich konnte der Verfasser auf keine einheitliche und allgemein anerkannte deutsche Terminologie zurückgreifen. Er stand er vor der Wahl, entweder die englischen Fachausdrücke zu übernehmen oder eine eigene deutsche Terminologie zu prägen. Er entschied sich zu letzterem. Bereits in diesem Buch wird Reaktorphysik als gleichberechtigter Zweig der Physik neben der Kernphysik benannt.

PHYSOR

Konferenzen Physics of Reactors (PHYSOR), organisiert von der American Nuclear Society gemeinsam mit anderen internationalen Foren, finden alle zwei Jahre statt. Sie bringen Reaktorphysiker zusammen, um weltweites Fachwissen in Reaktorphysik, Kernreaktorforschung und -analyse und verwandten Fachgebieten auszutauschen. Die Themenbereiche (Conference Topics) der PHYSOR 2018 waren ähnlich zu denen, die im folgenden Abschnitt als Teilbereiche der Reaktorphysik aufgeführt sind.

Teilbereiche der Reaktorphysik

Die Reaktorphysik kann in folgende Teilbereiche untergliedert werden:

• Reaktoranalysis. Dieser Teilbereich widmet sich grundsätzlichen Fragen der Reaktorphysik, die für alle nachfolgenden Teilbereiche von Bedeutung sind oder sein könnten. Insbesondere zählt zur Reaktoranalysis die Entwicklung numerischer Lösungsverfahren der reaktorphysikalischen Grundgleichungen.

• Experimentelle Reaktorphysik. Seit Beginn der Kernenergetik werden in verschiedenen Forschungslaboratorien, überwiegend an Forschungsreaktoren, weltweit zahlreiche Experimente zu Kernenergie und Kerntechnik durchgeführt. Dazu gibt es nahe der Reaktorgebäude oft „Experimentierhallen“ mit verschiedenen Einrichtungen, die über Strahlrohre mit Neutronen versorgt werden, zum Beispiel am Forschungsreaktor München II. Ein Sitzungsbericht der Leibniz-Sozietät gibt einen Überblick über Experimente an den Forschungsreaktoren Rossendorfer Forschungsreaktor und Rossendorfer Ringzonenreaktor. Reaktorphysikalische Experimente erfordern große Investitionen in Bezug auf Infrastruktur, Fachwissen und Kosten.

Im Jahr 1999 wurde das Projekt International Reactor Physics Experiment Evaluation (IRPhE) als Pilotprojekt der NEA initiiert. Seit 2003 werden experimentelle Daten zur Reaktorphysik bewahrt, einschließlich Messmethoden und Daten für Anwendungen in der Kernenergie sowie die darin enthaltenen Kenntnisse und Kompetenzen. Die wichtigste gedruckte Publikation ist das jährlich erscheinende International Handbook of Evalueted Reactor Physics Benchmark Experiments.

• Deterministische Transporttheorie. Dieser Teilbereich, der auch die Neutronendiffusionstheorie einschließt, unterteilt die unabhängigen Variablen der Transportgleichung, den Raumbereich, die Energie und gegebenenfalls die Neutronenflugrichtung in diskrete Teile (Diskretisierung) und löst die entstehenden Differenzengleichungssysteme numerisch. Der Fokus liegt dabei vor allem auf dem kritischen, also stationären Reaktor. Aber auch zeitliche Änderungen über längere Zeiträume gehören in diesen Teilbereich, wobei anstelle der unahängigen Variablen Zeit die Größe Abbrand verwendet wird. Hierunter fallen Berechnungen des Energiespektrums der Neutronen und Erzeugung von Mehrgruppenquerschnitten sowie Gitter- und Zellprobleme.

• Monte-Carlo-Methoden. In diesem Teilbereich, der von einem Mathematiker im Kontext des Neutronentransports erfunden worden ist und heute auch in anderen Gebieten vielfach angewendet wird, simuliert man Lebenswege von Teilchen. Das Teilchen wird von seinem Auftreten in einem gegebenen Raumbereich (Geburt im oder Eintritt in den Raumbereich) über alle Kernprozesse innerhalb des Raumbereichs bis zu seinem Verschwinden aus diesem Raumbereich (Tod oder Austritt aus dem Raumbereich) verfolgt. Die Geometrie und Materialverteilung des Raumbereichs und die Nukleardaten sind bekannt und gehören zu den Eingabedaten. Über die Wahrscheinlichkeitsverteilung jedes Ereignisses kann man nun per Pseudozufallszahl jeden Lebensabschnitt des Teilchens statistisch verfolgen und aufzeichnen. Ein bekanntes Computerprogramm, das auf der Monte-Carlo-Methode basiert, ist das Transportprogramm MCNP.

• Brennstoffzyklus. Als Brennstoffzyklus werden in der Reaktorphysik (theoretische Aspekte) und Kerntechnik (Praxis) zusammenfassend alle Arbeitsschritte und Prozesse bezeichnet, die der Versorgung und Entsorgung radioaktiver Stoffe dienen. Die jeweiligen neutronenphysikalischen Untersuchungen, man denke an Kritikalitätsberechnungen zur sicheren Zwischenlagerung abgebrannter Brennelemente, gehören zum Arbeitsfeld der Reaktorphysik.

• Transienten- und Sicherheitsanalyse. Zur Reaktorphysik und zur Reaktortechnik gehört neben der Untersuchung von stationären bzw. quasistationären Zuständen des Kernreaktors auch die Untersuchung von Zuständen, wenn der effektive Neutronenmultiplikationsfaktor nicht gleich 1 ist. Damit werden Neutronenfluss und Reaktorleistung zeitabhängig. Eine zeitabhängige Reaktorleistung wirkt über den Temperaturkoeffizienten auch auf den effektiven Neutronenmultiplikationsfaktor zurück. Der Übergang von einem stationären zu einem speziellen zeitabhängigen Zustand wird als Transiente bezeichnet. Dieses zeitabhängige Verhalten spielt eine große Rolle im Fall von Reaktorstörfällen. Sie werden in verschiedene Kategorien unterteilt, zum Beispiel den Auslegungsstörfall eines Kernkraftwerks, für die die Sicherheitssysteme ausgelegt sind und von diesen beherrscht werden müssen, oder einen Kühlmittelverluststörfall, der zum Austreten von Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf des Kernreaktors führt. Die Sicherheit von Kernkraftwerken ist das oberste Kriterium für Auslegung, Genehmigung, Bau und Betrieb von Anlagen zur nuklearen Energieerzeugung. Durch Sicherheitskonzepte soll gewährleistet werden, Gefährdungen zu verhindern und Auswirkungen von Störfällen zu reduzieren. Besonders bei jeweils neuen Reaktorkonzepten spielt dabei die Reaktorphysik eine entscheidende Rolle.

• Nukleardaten (Kerndaten). Der Reaktorphysiker benötigt als Eingabedaten für seine Computerprogramme Nukleardaten für alle Nuklide, die in einem Kernreaktor bei seiner Inbetriebnahme eingesetzt werden oder die sich im Laufe des Betriebs durch Kernreaktionen bilden. Diese Nukleardaten werden überwiegend aus Messungen gewonnen. Die theoretische Kernphysik kann diese Größen in fast keinem Fall mit einer Genauigkeit berechnen, die heute für reaktorphysikalische Berechnungen erforderlich ist.

Wirkungsquerschnitte für 6 Kernreaktionen von Neutron und Atomkern ²³⁵U und ihre Summe als Funktion der kinetischen Energie der Neutronen. In der Legende steht hier teilweise z statt des üblichen Symbols n für Neutron (Datenquelle: JEFF, graphische Darstellung: Kerndatenbetrachter JANIS 4)

Nukleardaten sind somit von grundlegender Bedeutung insbesondere für Reaktorphysiker und -techniker, können es aber auch für Biologen und Ärzte zum Beispiel sein. Nukleardaten umfassen die physikalischen Größen der radioaktiven Zerfallseigenschaften, Spaltausbeuten und Wechselwirkungsdaten (Wirkungsquerschnitte, Resonanzparameter, Energie- und Winkelverteilungen ...) für verschiedene Projektile (Neutronen, Protonen etc.), und das über einen weiten Energiebereich dieser Projektile.

Die Nukleardaten sind in Datenbanken gespeichert und werden von dort verbreitet. Spezielle Formate existieren für experimentelle Daten (EXFOR), eingeschätzte Daten (ENDF, JEFF, ENSDF) oder verarbeitete Daten (PENDF, GENDF). Die Nukleardaten sind jedoch so vielgestaltig und ihre Menge so groß, dass in der Regel ein Anwender die Hilfestellung eines auf Nukleardaten spezialisierten Fachmanns in Anspruch nehmen wird, meist eines spezialisierten Reaktorphysikers. Mit dem Visualisierungsprogramm Java-based Nuclear Information Software (JANIS) zum Beispiel ist es jedoch jedermann und jederzeit möglich, nach endlicher Einarbeitungszeit auf numerische Werte aller dieser Datenbanken und grafische Darstellungen ohne vorherige Kenntnis der Speicherformate zuzugreifen.

Eine zweite Kategorie von Daten, die streng genommen nicht zu den Kerndaten gehören, sind die Atommassen. Sie werden benötigt, um die Anzahldichten aller in einem Raumbereich vorhandenen Nuklide zu berechnen. Sie stehen stellvertretend für die Kernmassen. Eingeschätzte Atommassen werden in größeren Zeitabständen in einer Atomic Mass Evaluation veröffentlicht.

• Reaktorkonzepte. Das Forschungsgebiet Reaktorkonzepte für den Leistungsbetrieb ist, was die Reaktorphysik betrifft, keineswegs abgeschlossen. Relativ gut erforscht sind die klassischen Reaktortypen sowie eine Reihe von Sondertypen. Seit dem Jahr 2000 stehen sechs Reaktortypen der IV. Generation auf dem Prüfstand:
  • Schneller gasgekühlter Reaktor,
  • Höchsttemperaturreaktor,
  • Leichtwasserreaktor mit überkritischem Wasser als Moderator, Kühlmittel und Wärmeüberträger,
  • Schneller natriumgekühlter Reaktor,
  • Schneller bleigekühlter Reaktor und
  • Salzschmelzenreaktor.

• Forschungsreaktoren. Sie dienen Forschungszwecken (physikalischen, kern- und materialtechnischen Untersuchungen) und produzieren Radionuklide für Medizin und Technik. Es wird die Neutronenstrahlung des Reaktors und nicht die Wärmeenergie genutzt. Der bekannteste deutsche Forschungsreaktor wird deshalb Forschungsneutronenquelle genannt. Außerdem dienen Forschungsreaktoren zu Ausbildungszwecken. Jeder Forschungsreaktor benötigt detaillierte reaktorphysikalische Begleitrechnungen, vor allen dann, wenn dieser vielfältig genutzt wird.

• Spallationsquellen. Als Spallation bezeichnet man eine Kernreaktion, bei der ein energiereiches Teilchen (etwa ein Proton mit 500 MeV) einen Kern trifft, aus ihm zunächst ein oder mehrere Nukleonen „herausschlägt“ und zusätzlich den Kern „aufheizt“. Als Folge dieser Aufheizung „verdampfen“ aus dem Kern viele weitere Nukleonen. Spallationsneutronenquellen stellen eine Alternative für Forschungsreaktoren dar. Sie sind wegen des notwendigen Großbeschleunigers komplizierter und aufwändiger als Reaktoren, haben aber Vorteile hinsichtlich der leichten Ein- und Abschaltbarkeit und in Bezug auf radioaktiven Abfall. Die Forschungsarbeiten zur Spallationsquelle fallen zum Teil in die Zuständigkeit der Kernphysik (Verdampfungsmodelle) als auch in die der Reaktorphysik (Neutronenausbreitung).

• Umweltauswirkungen nuklearer Aktivitäten. Bei Reaktorphysikern der ersten Stunde, also dem Teil der Physiker, die sich von den Entwicklung der Atomwaffen abgewandt und der friedlichen Nutzung der Kernenergie zugewandt hatten, standen die Umweltaspekte der Nukleartechnik immer ganz oben auf ihrer Agenda. Sie waren sich der Ambivalenz dieser Technik stets bewusst. Auch heute leisten Reaktorphysiker zum Thema Umweltaspekte ihre Beiträge. In der Kategorie Environmental and Earth Sciences des NEA-Computer Program Services sind im Jahr 2018 mehr als 170 Computerprogramme verzeichnet, an deren Entstehen auch Reaktorphysiker beteiligt waren.

Reaktorphysik und Reaktortechnik

Reaktorphysik und Reaktortechnik verhalten sich zueinander wie Physik und Technik im allgemeinen. Die Reaktorphysiker untersuchen die Gesetzmäßigkeiten der Vorgänge in einem Kernreaktor und stellen Rüstzeug bereit. Die Reaktortechniker setzen dieses Wissen anwendungsorientiert um und fügen ihr bei Entwurf und Betrieb eines Reaktor gesammeltes Können und Wissen hinzu und stimulieren nicht selten die Reaktorphysiker zu weiterer Grundlagenforschung. Der Wirkungsradius der Kerntechnik genannten Fachrichtung ist wiederum etwas größer als der der Reaktortechnik und schließt diese mit ein. Man denke zum Beispiel an die Technik der Nuklearmedizin und der Strahlentherapie. Planung, Auslegung, Bau, Betrieb und Stilllegung eines Kernreaktors fallen weitgehend in die Zuständigkeit der Reaktor- bzw. Kerntechnik.

Lehrbücher, die Neutronenphysik oder Neutron physics im Titel führen, widmen sich ebenfalls der Reaktorphysik und weniger der Physik des Neutrons selbst (Neutronenstruktur) oder der Physik der neutroneninduzierten Kernreaktionen in AGB-Sternen zum Beispiel.

Reaktorphysikalische Computerprogramme

Als sich die Reaktorphysik als eigenständiger Zweig der Physik herausbildete, gab es eine Besonderheit, die so noch nie in der Physik aufgetreten war, weil sie wegen fehlender Rechentechnik nicht auftreten konnte: Der parallele, verzahnte Fortschritt zwischen physikalischer Theorie und entsprechenden numerischen Computerprogrammen. In den Jahren nach etwa 1960 verwendete ein Reaktortheoretiker einen nicht unerheblichen Teil seiner Arbeitszeit dazu, sein Computerprogramm zu programmieren und zu testen, wobei die Programmiersprache fast ausschließlich Fortran war und noch ist. Nur in einer kurzen Zeitspanne nach 1960 wurden reaktorphysikalische Programme in Europa auch in Algol 60 erstellt. Die reaktorphysikalischen Programme loteten stets den Speicherplatz und die Rechengeschwindigkeit der Großrechner bis an deren Grenzen aus und stimulierten die Entwicklung der numerischen Mathematik wesentlich.

Neben dem bereits erwähnten reaktorphysikalischen Programm zur Simulation nuklearer Prozesse MCNP soll hier stellvertretend für hunderte von reaktorphysikalischen Computerprogrammen eines genannt werden, das deterministische Neutronendiffusionsprogramm PDQ. Es ist ein zweidimensionales Reaktordesign-Programm, in der Programmiersprache Fortran geschrieben und 1957 veröffentlicht. Es lief auf dem Computer IBM 704. Das war der erste ab 1954 in kleiner Stückzahl hergestellte Großrechner, der Gleitkommaarithmetik beherrschte und ab 1957 mit einem Fortran-Compiler ausgeliefert wurde.

PDQ berechnet eine diskrete numerische Näherung des Neutronenflusses aus den zeitunabhängigen Neutronendiffusionsgleichungen für wenige Energiegruppen für einen heterogenen Reaktor in einem zweidimensionalen rechteckigen Bereich. Die unabhängigen Ortsvariablen sind entweder (x, y) in kartesischen Koordinaten oder (r, z) in Zylinderkoordinaten.

Die Entwicklungsarbeiten an diesem Programm, an dem auch der Mathematiker Richard S. Varga beteiligt war, wird bis heute als Meilenstein in der computergestützten numerischen Mathematik betrachtet. Zum Beispiel wurde für das SOR-Verfahren, die Successive Over-Relaxation zur iterativen Lösung eines linearen Gleichungssystems, von David Young eine Methode zur Berechnung des optimalen Beschleunigungsparameters entwickelt und in diesem Kontext erstmals angewendet. Das Programm PDQ war Vorbild für dutzende Computerprogramme mit gleicher Zielstellung weltweit. Es wurde über Jahrzehnte weiterentwickelt und verlor (wie alle Feingitter-Neutronendiffusionsprogramme) erst nach der Entwicklung so genannter Nodaler Diffusionsprogramme seine dominierende Stellung in der Reaktorphysik.

In dem oben erwähnten Dienst für Computerprogramme (Computer Program Services) der NEA werden vorwiegend, aber nicht ausschließlich, reaktorphysikalische Programme gesammelt, getestet und an Institute und Universitäten der Mitgliedsstaaten der OECD kostenlos weitergegeben. Allein in der reaktorphysikalischen Kategorie Static Design Studies sind dort 60 Fortranprogramme gelistet.

Bedeutende Reaktorphysiker

Eugene Wigner (links) und Alvin Weinberg im Oak Ridge National Laboratory

Seit 1990 wird jährlich der Eugene P. Wigner Reactor Physicist Award von der American Nuclear Society für herausragende Leistungen an Reaktorphysiker vergeben. Er ist zu Ehren von Eugene Paul Wigner benannt, der auch der erste Preisträger war. Der zweite Preisträger, der Reaktorphysiker Alvin M. Weinberg, ist durch das Lehrbuch The physical theory of neutron chain reactors, das er gemeinsam mit seinem Lehrer Wigner verfasst hat, unter Reaktorphysikern weltweit bekannt geworden. Von 1955 bis 1973 leitete er das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) als Direktor.

1973 wurde Weinberg von der Nixon-Administration als Leiter des ORNL entlassen, weil er für eine hohe nukleare Sicherheit und den Salzschmelzenreaktor (MSR) eingetreten war und dessen Entwicklung, die Weinberg seit 1955 vorangetrieben hatte, gestoppt. Es gab eine kurze Wiederbelebung der MSR-Forschung am ORNL als Teil der Nonproliferationsprogramms der Carter-Administration eine abschließende Publikation, die von vielen immer noch als Referenzdesign für kommerzielle Salzschmelzenreaktoren angesehen wird.

Rudolf Schulten erläutert das Brennelement eines Kugelhaufenreaktors

In Deutschland ist insbesondere der Reaktorphysiker Rudolf Schulten zu nennen, ein Visionär einer eigenständigen Reaktorentwicklung und nachhaltigen Energiewirtschaft. 1957 wurde Schulten Lehrbeauftragter für Kernenergiegewinnung und Reaktorkonstruktion und 1961 Honorarprofessor für Reaktorphysik, beides an der Technischen Hochschule Karlsruhe. Er verfasste 1960 zusammen mit Wernfried Güth ein Lehrbuch Reaktorphysik. Schulte hat dann die Idee des Kugelhaufenreaktors von Farrington Daniels aufgegriffen, die er bei seinen Besuchen bei Alvin Weinberg im ORNL kennengelernt hatte.

Siehe auch

• Reaktortechnik
• Kerntechnik

Literatur

Standardlehrbücher

Zu den Themen Reaktorphysik, Reaktortheorie und Reaktoranalysis gibt es weit über hundert Lehrbücher. Die hier aufgeführten Standardlehrbücher wurden nach eine Befragung von Reaktorphysikern ausgewählt.

• Samuel Glasstone, Milton C. Edlund: The elements of nuclear reactor theory. MacMillan, London 1952 (VII, 416 S.).  Diese Monografie nimmt eine herausragende Stellung ein, weil sie wie keine andere die damals junge Generation der Reaktorphysiker in West und Ost und die späteren Lehrbuchschreiber geprägt hat. Sie ist im 6. Druck vom Februar 1957 vollständig online einsehbar.[2]. Volltextsuche ist möglich. Übersetzung: Samuel Glasstone, Milton C. Edlund, Kernreaktortheorie, Eine Einführung, Springer, Wien, 1961, 340 S.
• Alvin M. Weinberg, Eugene Paul Wigner: The physical theory of neutron chain reactors. Univ. of Chicago Press, Chicago 1958, ISBN 0-226-88517-8 (XII, 800 S.). 
• John R. Lamarsh: Introduction to nuclear reactor theory. Addison-Wesley, Reading, Mass. 1966 (XI, 585). 
• George I. Bell, Samuel Glasstone: Nuclear reactor theory. Van Nostrand Reinhold, New York 1970 (XVIII, 619 S.). 
• James J. Duderstadt, Louis J. Hamilton: Nuclear reactor analysis. Wiley, New York 1976, ISBN 978-0-471-22363-4 (xvii, 650 S.). 
• Rudi J. J. Stamm'ler, Máximo J. Abbate: Methods of steady-state reactor physics in nuclear design. Acad. Press, London 1983, ISBN 0-12-663320-7 (XVI, 506). 
• Аполлон Николаевич Климов: Ядерная физика и ядерные реакторы. Атомиздат, Москва 1971 (384 S.). 
• Paul Reuss: Neutron physics. EDP Sciences, Les Ulis, France 2008, ISBN 978-2-7598-0041-4 (xxvi, 669). 
• Elmer E. Lewis: Fundamentals of nuclear reactor physics. Academic Press, Amsterdam, Heidelberg 2008, ISBN 978-0-12-370631-7 (XV, 293). 
• Weston M. Stacey: Nuclear Reactor Physics. Wiley, 2018, ISBN 978-3-527-81230-1 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 25. August 2018]). 

Lehrbücher in deutscher Sprache

• Ferdinand Cap: Physik und Technik der Atomreaktoren. Springer, Wien 1957 (XXIX, 487, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 21. August 2018]).  Dieses Buch ist aus Vorlesungen entstanden, die der Verfasser seit dem Studienjahr 1950/51 an der Universität Innsbruck gehalten hat.
• Karl Wirtz, Karl H. Beckurts: Elementare Neutronenphysik. Springer, Berlin 1958 (VIII, 243 S., eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 21. August 2018]). 
• Aleksej D. Galanin: Theorie der thermischen Kernreaktoren. Teubner, Leipzig 1959 (XII, 382 S.).  Die Monografie ist 1957 original in russischer Sprache erschienen und 1960 bei Pergamon Press in englischer Übersetzung unter dem Titel Thermal reactor theory.
• Rudolf Schulten, Wernfried Güth: Reaktorphysik. Bibliogr. Institut, Mannheim 1960 (171 S.). 
• John J. Syrett: Reaktortheorie. Vieweg, Braunschweig 1960 (VIII, 107). 
• Josef Fassbender: Einführung in die Reaktorphysik. Thiemig, München 1967 (VIII, 146). 
• Dieter Emendörfer, Karl-Heinz Höcker: Theorie der Kernreaktoren. Bibliographisches Institut, Mannheim, Wien, Zürich 1970 (380 S.). 

Lehrbücher zur Reaktortechnik

• Werner Oldekop: Einführung in die Kernreaktor- und Kernkraftwerkstechnik: Teil I: Kernphysikalische Grundlagen, Reaktorphysik, Reaktordynamik. Thiemig, München 1975, ISBN 3-521-06093-4 (272 S.). 
• Dieter Smidt: Reaktortechnik. [2. Aufl.]. Braun, Karlsruhe 1976, ISBN 3-7650-2019-2 (XVI, 325 S.). 
• Albert Ziegler: Lehrbuch der Reaktortechnik. Springer, Berlin, Heidelberg [u. a.] 1983, ISBN 3-540-12198-6 (XI, 242 S.). 
• Albert Ziegler, Hans-Josef Allelein (Hrsg.): Reaktortechnik: Physikalisch-technische Grundlagen. 2., neu bearbeitete Auflage 2013. Springer Vieweg, Berlin 2013, ISBN 978-3-642-33846-5 (634 S., eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 21. August 2018]). 

Internetdokumente

• H. van Dam, T. H. J. J. van der Hagen, J. E. Hoogenboom: Nuclear Reactor Physics. 2008, abgerufen am 21. August 2018. 
• DOE-HDBK-1019/2-93: Fundamentals Handbook Nuclear Physics and Reactor Theory: Volume 2 Reactor Theory. 1993, abgerufen am 21. August 2018. 

Weblinks

• Radiation Safety Information Computational Center
• OECD NEA Data Bank
• Internationale Atomenergie-Organisation