AlsBrutstoffe (englischfertile nuclear material) bezeichnet man in derKerntechnik bzw.ReaktorphysikNuklide, die zwar nicht durch thermischeNeutronen gespalten werden können, jedoch durchNeutronenabsorption und nachfolgendeKernumwandlungen in ein spaltbares (englischfissile) Nuklid umgewandelt werden können.[1]
Dieses spaltbare Nuklid kann anschließend durch die Absorption eines weiteren Neutrons gespalten werden und dabei Energie freisetzen. Brutstoffe werden hauptsächlich zur Herstellung vonSpaltstoffen genutzt.
Die bekanntesten Brutstoffe sindThorium-232 und dasUran-238. Beide Isotope wandeln sich nach Absorption eines Neutrons sowie anschließendenBetazerfällen in Uran-233 beziehungsweisePlutonium-239 um, die auch Spaltstoffe sind.
Des Weiteren kann Uran-234 zu Uran-235 durch Neutroneneinfang umgewandelt werden.
Die Nuklide Uran-233, Uran-235 und Plutonium-239 sind die bekanntesten spaltbaren Isotope. Sie sindKernbrennstoff und werden in Kernreaktoren oder Kernwaffen verwendet. Das Material wird im Rahmen derNichtverbreitung reguliert und beispielsweise durch dieInternationale Atomenergie-Organisation (IAEO) und viele weitere Fachorganisationen inspiziert bzw. kontrolliert.[2] Beispielsweise wird dieUrananreicherung überwacht.
Uran-238 ist in demKernbrennstoff einesBrennelements in verschiedenen Prozentanteilen und damit in jedem beladenen Kernreaktor vorhanden. In gewöhnlichem oder Natururan z. B. zu 99,3 %, d. h. nur 0,7 % sind spaltbares Uran-235.
Es bildet sich in jedem im Betrieb befindlichen Kernreaktor Plutonium, wobei alle Isotope entstehen: angefangen bei Pu-239 über das nicht spaltbare Pu-240 bis hin zum spaltbaren Pu-241 usw., bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Dabei wird Pu-239 und Pu-241 im laufenden Reaktorbetrieb neben Uran-235 auchgespalten. Diese Produktionskette war früh bekannt, deshalb wollte man spaltbares Material (hier Plutonium) in Kernreaktoren erzeugen. Dazu geeignet sind, im Vergleich zuthermischen (viz. langsame) Reaktoren, sog.schnelle Reaktoren. Erstere können Plutonium erzeugen, es findet eineKonversion statt, vgl.Konversionsrate. Der schnelle Reaktor (viz. Brutreaktor) war jedoch so gedacht, dass mehr spaltbares Material erzeugt wird, als verbraucht wird. Genauer gesagt würde ein Brutreaktor das erzeugte Plutonium verbrauchen, wohingegen ein Konverterreaktor lediglich Uran in Plutonium umwandelt. Die Entwicklung der Brutreaktoren fand in den 1960er- bis 1980er-Jahren statt, beispielsweise am StandortDounreay. Die Entwicklungsarbeiten wurden eingestellt, da die Technologie weder beherrschbar noch kommerzialisierbar war.[3]
Im erweiterten Sinne der Kerntechnik, d. h. der Technologie derKernfusion, spricht man vonBrutstoffen, die beispielsweise das seltene und radioaktive IsotopTritium als Teil einesKernfusionsreaktors bzw. dessen Fusionsbrennstoffzyklus erbrüten sollen.[4][5][6]