Kernbrennstoff

Datei:Fuel Pellet.jpg

Ein gesintertes Uranpellet. Das Material ist vermutlich Urandioxid (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 einer Hafnium-armen Zirkonium-Legierung eingeschweißt und zu einem Brennelement zusammengefügt. Hafnium ist ein „Neutronengift“.

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Jeder Kernbrennstoff enthält mindestens ein spaltbares Nuklid, meist das Isotop ²³⁵U; auch das einzelne spaltbare Nuklid wird manchmal als Kernbrennstoff bezeichnet. Es gibt verschiedene Kernbrennstoffe für die verschiedenen Reaktortypen, siehe die Abschnitte weiter unten.

Der wohl bekannteste Kernbrennstoff ist Uran. Das Schwermetall wird heute in den meisten modernen Leistungsreaktoren nicht als Natururan (viz. nicht angereichert), sondern in schwachangereicherter Form verwendet. Kernbrennstoffe bzw. Brennelemente ({{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=en|SCRIPTING=Latn|SERVICE=englisch}}) werden als abgebrannt bezeichnet, wenn diese nicht mehr maßgeblich zur Wärmeproduktion im Reaktor beitragen können und ersetzt werden müssen. Man spricht auch von verbrauchtem Kernbrennstoff.

Im kommerziellen Kontext ist der Kernbrennstoff Uran Teil der Kernenergiewirtschaft, genauer der Uranwirtschaft.

Definition Kernbrennstoffe

Im deutschen Atomgesetz (AtG) wird der Begriff wie folgt spezifiziert:<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:AtG - Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=AtG - Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.gesetze-im-internet.de/atg/BJNR008140959.html%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=AtG - Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.gesetze-im-internet.de/atg/BJNR008140959.html}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=AtG - Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2025-04-02 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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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.{{#if:<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:§ 2 AtG - Einzelnorm|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=§ 2 AtG - Einzelnorm}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.gesetze-im-internet.de/atg/__2.html%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=§ 2 AtG - Einzelnorm}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.gesetze-im-internet.de/atg/__2.html}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=§ 2 AtG - Einzelnorm}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2022-05-12 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Kernbrennstoffe können nach ihrer chemischen Beschaffenheit oder ihrer technischen Anwendungsform unterschieden werden. Die Veränderung der Zusammensetzung und weiterer Eigenschaften über die Gebrauchsdauer wird als Abbrand bezeichnet.

In den USA regelt der Atomic Energy Act of 1954 (U.S. Code Titel 42 Division A<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:42 U.S. Code Chapter 23 Division A - Atomic Energy|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=42 U.S. Code Chapter 23 Division A - Atomic Energy}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.law.cornell.edu/uscode/text/42/chapter-23/division-A%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=42 U.S. Code Chapter 23 Division A - Atomic Energy}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.law.cornell.edu/uscode/text/42/chapter-23/division-A}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=42 U.S. Code Chapter 23 Division A - Atomic Energy}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2025-04-02 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Weitere Spaltstoffe sind auch die Isotope Am-242m, Cm-243, ..., Cf-249.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Brutstoffe

Von den Kernbrennstoffen zu unterscheiden sind, umgangssprachlich, „Brutstoffe“, aus denen im Reaktorbetrieb neuer Kernbrennstoff „erbrütet“ werden kann. Die Brutstoffe werden manchmal auch als schwache Kernbrennstoffe bezeichnet.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Damit sind primär die fertilen Isotope Uran-238 oder Thorium-232 gemeint.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Fertile material|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Fertile material}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/fertile-material.html%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Fertile material}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/fertile-material.html}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Fertile material}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:NRC{{#if: 2025-04-02 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Transurane

Im laufenden Reaktorbetrieb entstehen durch Neutroneneinfang 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 ein Neutronengift, d. h. es hat einen hohen Wirkungsquerschnitt (Wahrscheinlichkeit) für den Neutroneneinfang gegenüber Spaltung.

Transurane unterscheiden sich hinsichtlich ihrer möglichen Nutzbarkeit/Entsorgung von den radioaktiven Spaltprodukten. Plutonium wird in MO_x Brennelementen wiederverwendet bzw. verbrannt.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Chemische Unterteilung

Oxidische Kernbrennstoffe

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Die große Mehrheit der in Leistungsreaktoren verwendeten Kernbrennstoffe ist oxidisch, z. B. die Moleküle UO₂<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> bzw. PuO₂. Sie werden primär in Leichtwasserreaktoren eingesetzt. Ihre Vorteile sind die thermische und chemische Stabilität bis in relativ hohe Temperaturbereiche. Zu den Nachteilen gehören die geringe thermische Leitfähigkeit.<ref>{{#if:2015-07-02|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:Oak Ridge National Laboratory|Oak Ridge National Laboratory: }}{{#if:https://web.archive.org/web/20150702025219/http://web.ornl.gov/~webworks/cpr/v823/rpt/109264.pdf%7C{{#if:Thermophysical Properties of MOX and UO₂ Fuels including the Effects of Irradiation|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20150702025219/http://web.ornl.gov/~webworks/cpr/v823/rpt/109264.pdf}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Thermophysical Properties of MOX and UO₂ Fuels including the Effects of Irradiation}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.web.ornl.gov/~webworks/cpr/v823/rpt/109264.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7Cja}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Thermophysical Properties of MOX and UO₂ Fuels including the Effects of Irradiation}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.web.ornl.gov/~webworks/cpr/v823/rpt/109264.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Thermophysical Properties of MOX and UO₂ Fuels including the Effects of Irradiation}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:jaOak Ridge National LaboratorySeptember 2000https://web.archive.org/web/20150702025219/http://web.ornl.gov/~webworks/cpr/v823/rpt/109264.pdf{{#if: 19.4.2016 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Metallischer Kernbrennstoff

Metallisches Uran wurde ursprünglich in einigen Kernreaktoren verwendet. Beispiele sind Chicago Pile, EBR-1, EBR-2 oder Magnox-Reaktoren. Die Massen-Exploration und Produktion von metallischem Uran seit dem Manhattan-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 in Forschungsreaktoren zum Einsatz.

Andere feste Kernbrennstoffe

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Im Zuge der Weiterentwicklung von Reaktorsystemen („vierte Generation“) gibt es Konzepte zu carbidischen und nitridischen Kernbrennstoffen. Dabei stehen die Vorteile keramischer 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.

Flüssige Kernbrennstoffe

Eine weitere Entwicklung sind die Salzschmelzen, 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.

Technologische Unterteilung fester Kernbrennstoffe

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Brennstäbe

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 einer Granulat-Schüttung (siehe Pac-Kügelchen) verwendet werden. Das Hüllrohr besteht bei Leichtwasser- und Schwerwasserreaktoren aus Zirkalloy, bei Brutreaktoren aus Edelstahl.

Die Brennstäbe werden nicht einzeln verwendet, sondern bei allen Reaktortypen zu Bündeln (Brennelementen) zusammengefasst.

Brennelemente für Hochtemperaturreaktoren

Hochtemperaturreaktoren verwenden Kernbrennstoff, der – etwa in Form kleiner UO₂-Körner<ref name=HTGR>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:IAEA|IAEA: }}{{#if:|{{#if:High Temperature Gas Cooled Reactor Fuels and Materials|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=High Temperature Gas Cooled Reactor Fuels and Materials}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/TE_1645_CD/PDF/TECDOC_1645.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=High Temperature Gas Cooled Reactor Fuels and Materials}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/TE_1645_CD/PDF/TECDOC_1645.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=High Temperature Gas Cooled Reactor Fuels and Materials}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:März 20105{{#if: 21.4.2016 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Brennelemente für Forschungsreaktoren

In manchen Forschungs- und Ausbildungsreaktoren wurden und werden besondere Kernbrennstoffe benutzt: im Siemens-Unterrichtsreaktor Platten aus Polyethylen, die Uranoxid (U₃O₈)-Pulver enthielten; im TRIGA-Reaktor eine Verbindung von Uran, Zirkonium und Wasserstoff; im Münchner Forschungsreaktor FRM II speziell geformte Platten aus Uransilicid-Aluminium-Dispersionsbrennstoff.

Kernmaterialüberwachung und Sicherheit

Der Umgang mit Kernbrennstoffen ist gesetzlich durch das Atomgesetz geregelt. Im Zusammenhang mit Kernwaffen gibt der Nichtverbreitungsvertrag die Überwachung von Kernmaterial vor. Des Weiteren und im experimentellen Kontext spielt die Kritikalitätssicherheit eine wichtige Rolle im Umgang mit Kernmaterial.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Literatur (Auswahl)

{{#invoke:Vorlage:Siehe auch|f}}Hinweis: Kernbrennstoffe werden einführend in jedem Standardwerk zur Kernenergie oder Kerntechnik behandelt. Spezialgebiete sind die Physik/Chemie der Kernbrennstoffe und Actinoide, die Metallurgie der Kernbrennstoffe, Technik der Brennelemente und Wissenschaft der nichtnuklearer Materialien. Dazu gibt es jeweils einzelne Abhandlungen. Die folgende Literaturauswahl gibt nur einen groben Überblick über das breite Themengebiet.

Standardwerke

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Einzelnachweise