Ohne Neutronen geht im Kernreaktor gar nichts. Denn erst die Neutronen regen das Zerfallen großer Atomkerne an, die sogenannte „induzierte Kernspaltung“.

Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Atomkerne Neutronen einfangen können. Und das geht am Besten, wenn die Neutronen langsam sind. Sonst ist die Wahrscheinlichkeit nur gering, dass sich Neutron und Kern für eine ausreichend lange Zeit nahe genug kommen.

Allerdings sind die Neutronen, die bei der Spaltung von Kernen frei werden, meistens zu schnell: Sie besitzen große Bewegungsenergie. Ein „Moderator“ muss daher die schnellen Spaltneutronen so weit abbremsen, dass sie für den nächsten Spaltprozess zur Verfügung stehen und auf diese Weise die Kettenreaktion in Gang bleibt.

Man teilt Neutronen je nach Geschwindigkeit (bzw. Bewegungsenergie) in drei Gruppen ein:

1. langsame (thermische) Neutronen (unter 10 eV)
2. mittelschnelle Neutronen (10 eV bis 0,1 MeV)
3. schnelle Neutronen (mehr als 0,1 MeV)

Bei der Spaltung eines Kerns Uran-235 werden neben anderen Spaltprodukten auch schnelle Neutronen frei. Meistens beträgt ihre Energie rund 0,7 MeV, im Mittel liegt sie bei etwa 1,5 MeV.

Ein Moderator ist ein Stoff, in dem schnelle Neutronen, wie sie in Spaltprozessen entstehen, durch Stöße langsamer werden. So stehen sie für weitere Spaltreaktionen zur Verfügung.

Welche Eigenschaften sollte ein guter Moderator wohl besitzen? 

Ein guter Moderator hat mehrere wichtige Eigenschaften:

1. Die Atomkerne dieser Stoffe sollten eine ähnliche Masse wie die Neutronen besitzen, denn dadurch wird die meiste Energie bei den Stößen weitergegeben. Warum, beschreiben wir auf der nächsten Seite.
2. Der Stoff sollte die Neutronen möglichst nicht „einfangen“ und „verschlucken“. Schließlich will man sie nur abbremsen und dann weiter verwenden!
3. Es dürfen den Neutronen nicht zu wenige Atomkerne begegnen. Die Abbrems-Wirkung wäre dann zu schwach. Das heißt: Die Dichte des Moderators darf nicht zu gering sein. Und die Dichte hängt wiederum von der Temperatur des Moderators ab.

Das „schwere Wasser“ (D₂O), eine Verbindung aus schwerem Wasserstoff (Deuterium) und Sauerstoff, eignet sich hervorragend als Moderator. Es verschluckt kaum Neutronen, und die Kerne haben fast dieselbe Masse wie die Neutronen.

Normales Wasser, also H₂O (im Gegensatz zum "schweren" Wasser in der Reaktortechnik auch "leichtes" Wasser genannt) ist ebenfalls ein guter Moderator, auch wenn es mehr Neutronen einfängt als schweres Wasser. Aber dafür ist es viel billiger.

Ein anderer guter Moderator ist Kohlenstoff (Graphit).

Wenn man sich ein wenig mit Impuls- und Energieerhaltung auskennt, dann kannst man das auch in Formeln berechnen.

Im Kugelspiel steckt ähnlich wie im Zusammenprall von Neutronen mit den Atomkernen des Moderators die Impuls- und die Energieerhaltung. Gesamtimpuls und Gesamtenergie vor und nach dem Stoß bleiben jeweils gleich. Auch die Massen ändern sich nicht: es handelt sich um einen elastischen, zentralen Stoß.

Wie sieht das in Formeln aus?

Der Impulserhaltungssatz liefert:
m₁ • v_{1 vorher} = m₁ • v_{1 nachher} + m₂ • v_{2 nachher}

Der Energieerhaltungssatz liefert:

½ • m₁ • v_{1 vorher}² = ½ • m₁ • v_{1 nachher}² + ½ • m₂ • v_{2 nachher}²

Es kann vorausgesetzt werden, dass eine der Kugeln vorher in Ruhe ist und der Stoß zentral erfolgt. 

Diese beiden Gleichungen kann man ineinander setzen:

v_{1 nachher} = v_{1 vorher} • (m₁ - m₂) / (m₁ + m₂)

Das heißt: Wenn die Masse m₁ der ersten Kugel (also des Neutrons) viel kleiner ist als die der zweiten Kugel (also des angestoßenen Atoms oder Moleküls des Moderators), dann wird ihre Geschwindigkeit einfach ins Negative umgekehrt: „Sie prallt ab und fliegt zurück“. Beim umgekehrten Verhältnis bewegt sie sich nahezu ungebremst weiter. Sind die Massen m₁ und m₂ dagegen gleich, dann ist

v_{1 nachher} = 0 und v_{2 nachher} = v_{1 vorher}

Anders ausgedrückt: Das Neutron gibt beim Stoß seine ganze Bewegungsenergie ab – es verliert seine Geschwindigkeit.

Die Wirkung eines Moderators ist abhängig von seiner Temperatur. Bei welcher Temperatur arbeiten Wassermoleküle wohl besser als Moderator?

a) bei hoher Temperatur

b) bei tiefer Temperatur