Quelltext der Seite Abbrand (Kerntechnik)

Mit '''Abbrand''' ({{enS|burnup}})<ref>{{Internetquelle |url=https://www.world-nuclear.org/information-library/facts-and-figures/nuclear-glossary.aspx |titel=Nuclear Glossary - World Nuclear Association |hrsg=[[World Nuclear Association]] |abruf=2023-08-27}}</ref>, auch ''spezifischer Abbrand'', wird die in einem [[Leistungsreaktor]] produzierte [[Thermische Energie|Wärmeenergie]] pro Masse des [[Kernbrennstoff]]s bezeichnet. Diese [[physikalische Größe]] Abbrand ist das (lokale) Maß für die Energieausbeute des Brennstoffs. Als allgemeiner Begriff bezieht sich Abbrand aber auch auf die Begleiterscheinungen, wie die Veränderungen in der Nuklidzusammensetzung des Brennstoffs oder Alterung und [[Verschleiß]] der [[Brennelement]]e.

== Definition ==
Die Größe ''Abbrand'' kann verschieden definiert werden.<ref>{{Literatur |Titel=Energietechnik: Systeme zur konventionellen und erneuerbaren Energieumwandlung. Kompaktwissen für Studium und Beruf |Hrsg=Richard Zahoransky |Verlag=Springer Fachmedien Wiesbaden |Ort=Wiesbaden |Datum=2022 |ISBN=978-3-658-34830-4 |DOI=10.1007/978-3-658-34831-1 |Online=https://link.springer.com/10.1007/978-3-658-34831-1 |Abruf=2023-08-27}}</ref> Meist wird der Quotient aus der gesamten Wärmeenergie <math>E</math>, die vom Kernbrennstoff bis zu einem bestimmten Zeitpunkt freigesetzt wurde, und dessen Masse <math>m</math> betrachtet. Der Abbrand <math>B</math> ist dann

:<math>B = \frac{E}{m}</math>.

Hierbei ist mit <math>m</math> meist die Masse des Brennstoffs ''vor'' Beginn der Kernspaltung gemeint, also im Allgemeinen die des frischen Brennstoffs. Statt der [[Internationales Einheitensystem|SI-Einheit]] [[Joule|J]]/[[Kilogramm|kg]] wird üblicherweise MWd/kg verwendet, also „Megawatt-Tage pro Kilogramm“. Die Abkürzungen ''U'' für ''Uran'' oder ''SM'' für ''Schwermetall'' als verdeutlichender Zusatz an die Einheit angehängt; das spezifiziert als Bezug das ursprünglich vorhandene Kernbrennstoff-Metall, ohne den [[Sauerstoff]] des Oxids, die Strukturteile (Hüllrohre usw.) und die im Betrieb entstandenen weiteren spaltbaren Anteile.<ref name="Zaho">R. Zahoransky (Hrsg.): ''Energietechnik''. 7. Auflage, Springer 2015, ISBN 978-3-658-07453-1, S. 109</ref> Es handelt sich also nicht um den sonst üblichen Begriff ''[[Schwermetalle|Schwermetall]]''. Da 1000 MW = 1 GW und 1000 kg = 1 t ist, kann die Maßeinheit ohne Unterschied auch GWd/t SM (englisch: GWd/MTU, metric ton of uran) geschrieben werden. Da die [[Nennleistung]] der Reaktoren in Megawatt bekannt ist, und Brennstoff meist in Kilogramm bzw. Tonnen gemessen wird, ist die Berechnung einfach - die Anzahl Vollasttage wird mit der Nennleistung multipliziert und man erhält den (durchschnittlichen) Abbrand. Wichtig ist dabei, dass der Abbrand sich auf die ''thermische'' Leistung, nicht die elektrische (Netto-)Leistung bezieht.

Mit „Abbrand“ ohne nähere Angabe ist oft der höchste erzielbare oder der beim Entladen aus dem Reaktor erreichte Abbrand gemeint.

== Allgemeines ==
Der Abbrand in [[Leichtwasserreaktor]]en wurde in der Vergangenheit von anfänglich etwa 20 MWd/kg SM kontinuierlich auf heute über 60 MWd/kg SM gesteigert. Ein hoher Abbrand ist erstrebenswert, da dadurch
* die Menge an [[Radioaktiver Abfall|hochaktivem Abfall]] reduziert wird,
* der Aufwand für Brennstoffwechsel reduziert wird, und
* das Proliferationsrisiko gesenkt wird (Plutonium wird mit höherem Abbrand immer uninteressanter für militärische Nutzung).
Allerdings steigen mit dem Abbrand auch die Anforderungen an die [[Brennstab#Brennstabhülle|Brennstabhüllen]], da sie im Betrieb Alterungsprozessen unterliegen. Auch wird eine höhere Anreicherung des frischen Brennstoffs benötigt. Der dadurch höhere [[Reaktivität (Kerntechnik)|Reaktivitätsüberschuss]] am Beginn des Brennstoffzyklus muss mit verstärktem Einsatz von [[Neutronenabsorber]]n ausgeglichen werden.
[[Datei:Actinoide Massendichten00.png|mini|Massendichten von Schwermetall-Nukliden in Abhängigkeit vom Abbrand für einen [[Druckwasserreaktor]]]]

Die Entwicklung des Brennstoffs mit zunehmendem Abbrand wird in der Abbildung anhand einer Simulation der Häufigkeit einiger relevanter [[Isotop]]e im Brennstoff dargestellt. Zugrunde liegt ein [[Druckwasserreaktor]] mit auf 4 % [[Uran-Anreicherung|angereichertem]] UO<sub>2</sub>-Brenstoff (nicht [[MOX-Brennelement|MOX]]). Das ursprüngliche Brennstoffnuklid <sup>235</sup>U wird größtenteils verbraucht („verbrannt“). [[Transurane]] wie [[Plutonium]] werden erzeugt und tragen im späteren Verlauf teilweise selbst zur Reaktorleistung bei. Größenordnungsmäßig findet gegen Ende des Brennstoffzyklus in heutigen Leichtwasserreaktoren jede zweite Kernspaltung in Plutonium statt, welches erst während des Abbrands aus <sup>238</sup>U erzeugt wurde. Gemittelt über den gesamten Abbrand liefert <sup>235</sup>U etwa zwei Drittel der Leistung, <sup>239</sup>Pu etwa ein Drittel. Neben den dargestellten Nukliden reichern sich auch die [[Spaltprodukt]]e im Brennstoff an. Zusammen beeinflussen diese Effekte die [[Reaktivität (Kerntechnik)|Reaktivität]], die mit höherem Abbrand sinkt. Insbesondere jene Spaltprodukte, die [[Neutronengift]]e sind, limitieren den letztlich erzielbaren Abbrand. Trennt man diese ab, kann aus dem verbleibenden bzw. erbrüteten spaltbaren Material neuer Brennstoff gefertigt werden; ein Verfahren, welches [[Wiederaufarbeitung]] genannt wird.

Der Begriff 'abgebrannter Brennstoff' ist nicht mit 'Abbrand' zu verwechseln.

== Andere Definitionen ==
Neben der genannten, in MWd/kg SM angegebenen Größe sind die Verhältniszahlen FIMA (engl.: ''fissions per initial metal atom'') und FIFA (engl.: ''fissions per initial fissile atom''), meist angegeben in Prozent, gebräuchlich: Würden in einem Brennstoff aus 3,3 % <sup>235</sup>U und 96,7 % <sup>238</sup>U so viele Spaltungen stattfinden, wie <sup>235</sup>U-Atome anfänglich vorhanden waren, wäre der Abbrand 3,3 % FIMA oder 100 % FIFA. Eine Angabe in % FIFA eignet sich besonders, um Abbrände bei verschiedenen ursprünglichen Anreicherungsgraden zu vergleichen. Bei [[Brutreaktor]]en oder Verwendung von [[thorium]]haltigem Brennstoff kann der Wert von FIFA größer als 100 % werden, da aus nicht-fissilen Nukliden wie <sup>238</sup>U oder <sup>232</sup>Th neue fissile Nuklide wie <sup>239</sup>Pu oder <sup>233</sup>U erbrütet werden und diese anschließend gespalten werden.

== Typische Werte ==
Ab den 2000er Jahren wurden in Leichtwasserreaktoren durchschnittlich Abbrände von über 40 GWd/t erreicht.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.eia.gov/nuclear/spent_fuel/ussnftab3.php |titel=Table 3. Annual commercial spent fuel discharges and burnup (1968–2017) |hrsg=EIA |datum=2021-03-30 |sprache=en |abruf=2023-10-19}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Jean-Marie Gras, Richard Do Quang, Hervé Masson, Thierry Lieven, Cécile Ferry, Christophe Poinssot, Michel Debes, Jean-Michel Delbecq |Titel=Perspectives on the closed fuel cycle – Implications for high-level waste matrices |Sammelwerk=Journal of Nuclear Materials |Band=362 |Nummer=2–3 |Datum=2007-05 |Sprache=en |DOI=10.1016/j.jnucmat.2007.01.210 |Seiten=383–394 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0022311507001493 |Abruf=2023-10-21}}</ref> Schweizer Tests mit speziellen Brennstäben ergaben Spitzenabbrände bis 105&nbsp;GWd/t SM.<ref>{{Literatur |Autor=Stefan Hirschberg et al. |Titel=Neue erneuerbare Energien und neue Nuklearanlagen: Potenziale und Kosten |TitelErg=Neue Nuklearanlagen |Hrsg=[[Bundesamt für Energie]] |Sammelwerk=Ganzheitliche Betrachtung von Energiesystemen (GaBE) |Band=PSI Bericht Nr. 05-04 |Ort=PSI Villingen |Datum=2005 |Seiten=392 ff. |Kommentar=PDF siehe dort. |Online=https://scnat.ch/en/uuid/i/06804122-4d6d-5391-b411-bfe73655565a-Neue_erneuerbare_Energien_und_neue_Nuklearanlagen_Potenziale_und_Kosten |Abruf=2023-08-27}}</ref> Für Druckwasserreaktoren werden mittels verbesserter Brennelemente durchschnittliche Abbrände bis 75 GWd/t SM angestrebt.<ref>{{Webarchiv|text=ANP, Magazin von Framatome|url=http://www.areva-np.com/common/liblocal/docs/anp_magazine/ANP_MAG_N4_de.pdf |wayback=20081123160014}}</ref> In britischen [[Magnox-Reaktor]]en und in den kanadischen [[CANDU-Reaktor]]en sind die Entladeabbrände wegen der geringeren Anfangsanreicherung niedriger, in der Einheit „%&nbsp;FIFA“ – speziell bei CANDU-Reaktoren – jedoch höher als bei Leichtwasserreaktoren. Da bei [[Natururanreaktor]]en kein spaltbares Material bei der Anreicherung im [[abgereichertes Uran|abgereicherten Uran]] verloren geht, ist die Gesamtausbeute pro in Bergwerken abgebauter Einheit Natururan ebenfalls höher als bei Leichtwasserreaktoren, welche angereichertes Uran benötigen.

Wesentlich höhere Abbrände sind in [[Hochtemperaturreaktor]]en und in [[Brutreaktor]]en erreichbar. Die Forschung verspricht sich von neuen Reaktorkonzepten sogar einen Entladungsabbrand bis zu 500 GWd/t SM<ref>{{Internetquelle |url=https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/small-nuclear-power-reactors.aspx |titel=Small nuclear power reactors - World Nuclear Association |hrsg=[[World Nuclear Association]] |datum=2023-07 |sprache=en |abruf=2023-08-27}}</ref>, z.&nbsp;B. von dem im Jahr 2007 von [[General Atomics]] entwickelten ''Gas Turbine - Modular Helium Reactor (GT-MHR)''.

== Literatur ==
{{Siehe auch|Kerntechnik|Kernreaktor|Kernenergie}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kernenergie]]