Siehe auch: Kernreaktorphysik, Kernspaltung und Schwerwasser

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Der Schlüssel zur Aufrechterhaltung einer nuklearen Kettenreaktion in einem Kernreaktor besteht darin, im Durchschnitt genau eines der Neutronen zu verwenden, die aus jedem Kernspaltungsereignis freigesetzt werden, um ein anderes Kernspaltungsereignis (in einem anderen spaltbaren Kern) zu stimulieren. Mit sorgfältiger Auslegung der Reaktorgeometrie und sorgfältiger Kontrolle der vorhandenen Substanzen, um die Reaktivität zu beeinflussen, kann eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion oder „Kritikalität“ erreicht und aufrechterhalten werden.,

Natürliches Uran besteht aus einer Mischung verschiedener Isotope, hauptsächlich 238U und einer viel geringeren Menge (etwa 0,72 Gew. -%) von 235U.238U kann nur durch relativ energetische Neutronen, etwa 1 MeV oder höher, gespalten werden. Keine Menge an 238U kann „kritisch“ gemacht werden, da sie dazu neigt, parasitisch mehr Neutronen zu absorbieren, als sie durch den Spaltprozess freisetzt. 235U hingegen kann eine selbsterhaltende Kettenreaktion unterstützen, aber aufgrund der geringen natürlichen Fülle von 235U kann natürliches Uran selbst keine Kritikalität erreichen.,

Der Trick, um Kritikalität nur mit natürlichem oder niedrig angereichertem Uran zu erreichen, für das es keine „nackte“ kritische Masse gibt, besteht darin, die emittierten Neutronen (ohne sie zu absorbieren) bis zu dem Punkt zu verlangsamen, an dem genug von ihnen eine weitere Kernspaltung in der kleinen Menge von 235U verursachen können, die verfügbar ist. (238U, das der Großteil des natürlichen Urans ist, ist auch mit schnellen Neutronen spaltbar.) Dies erfordert die Verwendung eines Neutronenmoderators, der praktisch die gesamte kinetische Energie der Neutronen absorbiert und sie bis zu dem Punkt verlangsamt, an dem sie das thermische Gleichgewicht mit dem umgebenden Material erreichen., Es hat sich als vorteilhaft für die Neutronenwirtschaft erwiesen, den Neutronenenergiemäßigungsprozess physikalisch vom Urankraftstoff selbst zu trennen, da 238U eine hohe Wahrscheinlichkeit hat, Neutronen mit mittleren kinetischen Energieniveaus zu absorbieren, eine Reaktion, die als „Resonanz“ – Absorption bekannt ist. Dies ist ein grundlegender Grund für die Konstruktion von Reaktoren mit getrennten Festbrennstoffsegmenten, die vom Moderator umgeben sind, und nicht von einer Geometrie, die eine homogene Mischung aus Brennstoff und Moderator ergibt.,

Wasser ist ein ausgezeichneter Moderator; Die gewöhnlichen Wasserstoff-oder Protiumatome in den Wassermolekülen sind einem einzelnen Neutron sehr nahe, und so führen ihre Kollisionen zu einer sehr effizienten Impulsübertragung, ähnlich konzeptionell der Kollision zweier Billardkugeln. Gewöhnliches Wasser ist nicht nur ein guter Moderator, sondern auch sehr effektiv bei der Absorption von Neutronen., Und so wird die Verwendung von normalem Wasser als Moderator leicht so viele Neutronen absorbieren, dass zu wenige übrig bleiben, um eine Kettenreaktion mit den kleinen isolierten 235U-Kernen im Brennstoff aufrechtzuerhalten, wodurch eine Kritikalität in natürlichem Uran ausgeschlossen wird. Aus diesem Grund erfordert ein Leichtwasserreaktor, dass das 235U-Isotop in seinem Urankraftstoff als angereichertes Uran konzentriert wird, im Allgemeinen zwischen 3% und 5% 235U nach Gewicht (das Nebenprodukt aus diesem Prozessanreicherungsprozess ist bekannt als abgereichertes Uran und besteht daher hauptsächlich aus 238U, chemisch rein)., Der Grad der Anreicherung, der erforderlich ist, um Kritikalität mit einem Licht-Wasser-Moderator zu erreichen, hängt von der genauen Geometrie und anderen Konstruktionsparametern des Reaktors ab.

Eine Komplikation dieses Ansatzes ist die Notwendigkeit von Urananreicherungsanlagen, deren Bau und Betrieb im Allgemeinen teuer sind. Sie stellen auch ein nukleares Proliferationsproblem dar; Die gleichen Systeme, die zur Anreicherung des 235U verwendet werden, können auch verwendet werden, um viel „reineres“ Waffenmaterial (90% oder mehr 235U) herzustellen, das für die Herstellung einer Kernwaffe geeignet ist., Dies ist keineswegs eine triviale Übung, aber machbar genug, dass Anreicherungsanlagen ein erhebliches nukleares Proliferationsrisiko darstellen.

Eine alternative Lösung des Problems besteht darin, einen Moderator zu verwenden, der Neutronen nicht so leicht wie Wasser absorbiert. In diesem Fall können möglicherweise alle freigesetzten Neutronen gemildert und in Reaktionen mit dem 235U verwendet werden, in diesem Fall gibt es genug 235U in natürlichem Uran, um die Kritikalität aufrechtzuerhalten. Ein solcher Moderator ist schweres Wasser oder Deuteriumoxid., Obwohl es dynamisch mit den Neutronen ähnlich wie leichtes Wasser reagiert (wenn auch mit weniger Energieübertragung im Durchschnitt, da schwerer Wasserstoff oder Deuterium etwa doppelt so groß ist wie Wasserstoff), hat es bereits das zusätzliche Neutron, das leichtes Wasser normalerweise absorbieren würde.