Ein gesintertes Uranpellet. Das Material ist vermutlichUrandioxid (UO2). Die Pellets sind meist schwachangereichert (zwischen 3 und 5 %) mit dem spaltbaren Isotope Uran-235. Der restliche Anteil ist das nicht-thermisch spaltbare Uran-238. Eine Vielzahl dieser Pellets werden in einen Brennstab aus einerHafnium-armenZirkonium-Legierung eingeschweißt und zu einemBrennelement zusammengefügt. Hafnium ist ein „Neutronengift“.
Kernbrennstoff (englischspecial nuclear material[1] oderenglischfissile material oderenglischnuclear fuel) ist das Material, in dem die nukleareSpaltreaktion in einer kritischen Anordnung (z. B.Kernreaktor) stattfinden kann.[2] Eine weitere Bezeichnung istSpaltstoff und bezieht sich genau auf die spaltbaren Nuklide (also beispielsweise Uran-235), nicht auf die anderen Komponenten, z. B. Uran-238, bei gewöhnlichem oder natürlichemUran.
Jeder Kernbrennstoff enthält mindestens ein spaltbaresNuklid, meist dasIsotop235U; auch das einzelne spaltbare Nuklid wird manchmal alsKernbrennstoff bezeichnet. Es gibt verschiedene Kernbrennstoffe für die verschiedenen Reaktortypen, siehe die Abschnitte weiter unten.
Der wohl bekannteste Kernbrennstoff ist Uran. DasSchwermetall wird heute in den meisten modernen Leistungsreaktoren nicht alsNatururan (viz. nicht angereichert), sondern in schwachangereicherter Form verwendet. Kernbrennstoffe bzw. Brennelemente (englischnuclear fuel assembly) werden alsabgebrannt bezeichnet, wenn diese nicht mehr maßgeblich zur Wärmeproduktion im Reaktor beitragen können und ersetzt werden müssen. Man spricht auch vonverbrauchtem Kernbrennstoff.
Im kommerziellen Kontext ist der Kernbrennstoff Uran Teil derKernenergiewirtschaft, genauer derUranwirtschaft.
Kernbrennstoffe sind besondere spaltbare Stoffe, nämlich
1. Plutonium-239 und Plutonium-241,
2. mit den Isotopen 235 oder 233 angereichertes Uran,
3. jeder Stoff, der einen oder mehrere der in den Nummern 1 und 2 genannten Stoffe enthält, oder
4. Stoffe, mit deren Hilfe in einer geeigneten Anlage eine sich selbst tragende Kettenreaktion aufrechterhalten werden kann und die in einer Rechtsverordnung bestimmt werden.[4]
Kernbrennstoffe können nach ihrer chemischen Beschaffenheit oder ihrer technischen Anwendungsform unterschieden werden. Die Veränderung der Zusammensetzung und weiterer Eigenschaften über die Gebrauchsdauer wird alsAbbrand bezeichnet.
Von den Kernbrennstoffen zu unterscheiden sind, umgangssprachlich, „Brutstoffe“, aus denen im Reaktorbetrieb neuer Kernbrennstoff „erbrütet“ werden kann. Die Brutstoffe werden manchmal auch alsschwache Kernbrennstoffe bezeichnet.[9] Damit sind primär diefertilen Isotope Uran-238 oder Thorium-232 gemeint.[10] Aus ersterem wird Plutonium-239, aus letzterem wird Uran-233 synthetisiert.
Im laufenden Reaktorbetrieb entstehen durchNeutroneneinfang im Kernbrennstoff weitere spaltbare Nuklide (Transurane bzw. die o. g. Brutstoffe), wie beispielsweise, wie im Atomgesetz erwähnt, die Isotope Plutonium-239 oder Pu-241. Plutonium-240 hingegen ist einNeutronengift, d. h. es hat einen hohenWirkungsquerschnitt (Wahrscheinlichkeit) für den Neutroneneinfang gegenüber Spaltung.
Transurane unterscheiden sich hinsichtlich ihrer möglichen Nutzbarkeit/Entsorgung von den radioaktivenSpaltprodukten. Plutonium wird inMOx Brennelementen wiederverwendet bzw. verbrannt.[11][12]
Die große Mehrheit der in Leistungsreaktoren verwendeten Kernbrennstoffe istoxidisch, z. B. die Moleküle UO2[13][14] bzw. PuO2. Sie werden primär inLeichtwasserreaktoren eingesetzt. Ihre Vorteile sind die thermische und chemische Stabilität bis in relativ hohe Temperaturbereiche. Zu den Nachteilen gehören die geringe thermische Leitfähigkeit.[15]
MetallischesUran wurde ursprünglich in einigen Kernreaktoren verwendet. Beispiele sindChicago Pile,EBR-1, EBR-2 oderMagnox-Reaktoren. Die Massen-Exploration und Produktion von metallischem Uran seit demManhattan-Projekt, seine große Wärmeleitfähigkeit sowie die hohe Dichte waren dafür ausschlaggebend. Aufgrund der Reaktionsfreudigkeit mit Wasser, spontanen Dichteänderungen bei gewissen Temperaturen sowie dem Anschwellen während des Betriebs findet metallischer Kernbrennstoff in Leistungsreaktoren keine Verwendung mehr. Metallisches Uran kommt weiterhin in schwach- bis hochangereicherter Form inForschungsreaktoren zum Einsatz.
Im Zuge der Weiterentwicklung von Reaktorsystemen („vierte Generation“) gibt es Konzepte zucarbidischen undnitridischen Kernbrennstoffen. Dabei stehen die Vorteilekeramischer Stoffe im Vordergrund. Zum Teil wurden diese bereits in den 1950er und 1960er Jahren erprobt, aber zugunsten der Oxide nicht weiter verfolgt. Die Vorteile liegen im Vergleich zu den Oxiden bei höheren Dichten, vergleichbar hohen Schmelztemperaturen und der etwa zehnfach höheren Wärmeleitfähigkeit.
Eine weitere Entwicklung sind dieSalzschmelzen, in denen der Brennstoff aufgelöst wird. Ein Beispiel ist FLiNaK. Durch die flüssige Phase ergeben sich ganz andere technologische Möglichkeiten und Herausforderungen an das Reaktordesign. Vorteile sind u. a. eine mögliche kontinuierliche Reinigung von Spaltprodukten, der hohe mögliche Temperaturbereich und der Wegfall der Brennelementherstellung. Ein großer Nachteil ist die Korrosivität der Salze. Zusammen mit wässrigen Uranlösungen wurden auch diese Konzepte bereits früher untersucht, dann aber nicht weiter verfolgt. Auch sie erleben im Rahmen der vierten Generation neue Aufmerksamkeit.
Brennstäbe sind mit Abstand die am weitesten verbreitete Form von Kernbrennstoff. Typischerweise umschließt ein mehrere Meter langes, gasdichtes Hüllrohr einen Stapel von keramischen Brennstoff-Presslingen (Pellets). Keramischer Brennstoff kann aber auch in Form einerGranulat-Schüttung (siehePac-Kügelchen) verwendet werden. Das Hüllrohr besteht beiLeichtwasser- undSchwerwasserreaktoren ausZirkalloy, beiBrutreaktoren aus Edelstahl.
Die Brennstäbe werden nicht einzeln verwendet, sondern bei allen Reaktortypen zu Bündeln (Brennelementen) zusammengefasst.
Hochtemperaturreaktoren verwenden Kernbrennstoff, der – etwa in Form kleiner UO2-Körner[16] – inGraphit eingebettet ist. Diese Brennelemente sind bei manchen Konstruktionen tennisballgroße Kugeln, bei anderen senkrechte Säulen von prismatischem Querschnitt.[16]
In manchenForschungs- und Ausbildungsreaktoren wurden und werden besondere Kernbrennstoffe benutzt: imSiemens-Unterrichtsreaktor Platten aus Polyethylen, die Uranoxid (U3O8)-Pulver enthielten; imTRIGA-Reaktor eine Verbindung von Uran, Zirkonium und Wasserstoff; im Münchner ForschungsreaktorFRM II speziell geformte Platten aus Uransilicid-Aluminium-Dispersionsbrennstoff.
Der Umgang mit Kernbrennstoffen ist gesetzlich durch das Atomgesetz geregelt. Im Zusammenhang mit Kernwaffen gibt derNichtverbreitungsvertrag die Überwachung von Kernmaterial vor. Des Weiteren und im experimentellen Kontext spielt dieKritikalitätssicherheit eine wichtige Rolle im Umgang mit Kernmaterial.[17]
Hinweis: Kernbrennstoffe werden einführend in jedem Standardwerk zur Kernenergie oder Kerntechnik behandelt. Spezialgebiete sind diePhysik/Chemie der Kernbrennstoffe und Actinoide, dieMetallurgie der Kernbrennstoffe,Technik der Brennelemente undWissenschaft der nichtnuklearer Materialien. Dazu gibt es jeweils einzelne Abhandlungen. Die folgende Literaturauswahl gibt nur einen groben Überblick über das breite Themengebiet.
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Walter D. Wilkinson, William F. Murphy:Nuclear Reactor Metallurgy. D. Van Nostrand Company, Princeton, NJ 1958 (englisch).
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