imported>YMS: Sprache

2026-01-16T21:13:59Z

Sprache

Neue Seite

[[Datei:Nuclear fuel element.jpg|miniatur|Brennelement für den Reaktor der ''[[Savannah (Schiff, 1962)|Savannah]]'' mit 4 × 41 [[Brennstab|Brennstäben]]]]
[[Datei:Nuclear fuel pellets.jpeg|miniatur|Ende eines Brennstabes mit Brennstoffpellets]]
Die '''Brennelemente''' sind wesentliche Bauteile eines [[Kernreaktor]]s und bilden zusammen mit den sonstigen Einbauten den [[Reaktorkern]]. Sie enthalten den [[Kernbrennstoff]].

Bei den meisten ''Leistungsreaktoren'', also Anlagen zur Energiegewinnung, ist das einzelne Brennelement ein Bündel aus vielen dünnen [[Brennstab|Brennstäben]], die vom Kühlmittel, in der Regel Wasser, umspült werden. Diese Anordnung ergibt eine genügend große Fläche für den Wärmeübergang. Die Temperatur, die beim Leistungsbetrieb an der Brennelementoberfläche entsteht, beträgt bis zu 600 °C, im Inneren der Brennelemente ist sie höher. Die Stäbe enthalten den Kernbrennstoff, meist [[Uran]]oxid in Form zylindrischer [[Pellet]]s. Andere Formen von Brennelementen gibt es jedoch bei [[Hochtemperaturreaktor]]en (siehe unten). Eine häufig im Einsatz befindliche Konfiguration sind die [[MOX-Brennelement]]e. Brennelemente werden in [[Brennelementefabrik]]en hergestellt.
[[Datei:Brennelement-Kernkraftwerk.jpg|miniatur|150px|Oberes Ende eines Brennelementes, Ausschnitt links: Uranoxid-Tabletten (Pellets) in den Brennstäben]]
[[Datei:Brennelement Gruppe.svg|miniatur|150px|Eine Brennelementengruppe aus 4 Brennelementen und einem Regelstab]]
[[Datei:AEG-Siedewasserreaktor Baulinie 69 - Kernzelle.svg|miniatur|150px|Kernzelle eines [[SWR-69]] mit 4 Brennelementen und einem kreuzförmigen Steuerstab (1:1 Maßstab)]]

Auch bei [[Forschungsreaktor]]en mit ihrer relativ geringen Wärmeleistung sind verschiedene andere Brennelementformen möglich.

== Brennelemente-Typen ==
Je nach Reaktortyp haben die Brennelemente unterschiedliche Formen und Zusammensetzungen. Bei Reaktoren mit flüssigem Kühlmittel, deren Brennelemente in einem gemeinsamen [[Reaktordruckbehälter]] angeordnet sind – dazu gehören die nachstehend genannten [[Druckwasserreaktor]]en, [[Siedewasserreaktor]]en, aber auch [[Brutreaktor]]en – ist das Brennelement im Querschnitt quadratisch oder sechseckig, da mit einer solchen Form die Querschnittsfläche des Reaktors lückenlos ausgefüllt werden kann. Das Brennelement von [[Druckröhrenreaktor]]en hat dagegen, entsprechend der Form des Rohrs, kreisrunden Querschnitt (siehe z. B. [[CANDU]]). Bei gasgekühlten Reaktoren gibt es noch andere Brennelementformen.

=== Druckwasserreaktoren ===
Brennelemente für [[Druckwasserreaktor]]en bestehen aus einem Bündel einzelner [[Brennstab|Brennstäbe]], zwischen denen außerdem Führungsrohre für die von oben eingeführten [[Steuerstab|Steuerstäbe]] sind. Ein solches Brennelement kann beispielsweise aus 236 Brennstäben und 20 Steuerstabführungsrohren in 16×16-Anordnung bestehen. Die Steuerstäbe des Steuerelements werden durch eine Spinne zusammengehalten und sind über den Querschnitt des Brennelements verteilt. Die Hüllrohre der Brennstäbe bestehen aus der [[Zirconium]]-Legierung [[Zirkalloy]]-4. Die [[Uran-Anreicherung|Anreicherung]] des Brennstoffs beträgt etwa 3–4 %.

=== Siedewasserreaktoren ===
Brennelemente für [[Siedewasserreaktor]]en bestehen ebenfalls aus einem Brennstabbündel, die Zahl der Brennstäbe pro Brennelement ist jedoch deutlich geringer (z. B. 63 Brennstäbe und ein sog. Wasserstab in 8x8-Anordnung)<ref>[https://core.ac.uk/download/pdf/79490278.pdf Seite 21 + 23]</ref>.

Ein das Brennelement umschließender Kasten aus Zirkalloy bildet den Kühlkanal. Die Kästen von jeweils mehreren Brennelementen bilden den Führungskanal für einen von unten kommenden Steuerstab mit kreuzförmigem Querschnitt. Die Hüllrohre der Brennstäbe bestehen aus Zirkalloy-2. Die Anreicherung des Brennstoffs entspricht etwa der bei Druckwasserreaktoren.

''Beispiele:''
# In dem Kernkraftwerk Biblis (Druckwasserreaktor) befinden sich in einem Reaktor 193 Brennelemente, von denen jedes aus 236 Brennstäben besteht. Jedes Brennelement hat eine Länge von 4905 mm, einen Querschnitt von 230 mm mal 230 mm und ein Gewicht von 830 kg.<ref name="Physikbuch">{{Literatur |Autor=[[Oskar Höfling]] |Titel=Physik |Band=Band 2, Teil 3, Quanten und Atome |Auflage=13. |Verlag=Dümmler |Ort=Bonn |Jahr=1986 |ISBN=3-427-41163-X |Seiten=931 |Kommentar=Dümmlerbuch, 4116 }}</ref>
# In dem Reaktor des Kernkraftwerkes Krümmel (Siedewasserreaktor) befinden sich 840 Brennelemente.<ref name="Physikbuch" />

=== Hochtemperaturreaktoren ===
[[Datei:Graphitkugel fuer Hochtemperaturreaktor cropped.JPG|mini|links|Brennelement des Kugelhaufenreaktors]]
Die Brennelemente des Hochtemperaturreaktors vom Typ [[Kugelhaufenreaktor]] nach [[Farrington Daniels]] bestehen aus [[Graphit]]kugeln von etwa 6 cm Durchmesser, in denen der Brennstoff in Form vieler kleiner Kügelchen aus Uran-Thorium-Oxid eingelassen ist, etwa 15.000 Kügelchen pro Kugelbrennelement mit einer Leistung von etwa 0,2 Watt pro Kügelchen. Jedes Kügelchen ist für sich mit einer keramischen Barriere umhüllt (so genannte ''coated particles'', siehe [[Pac-Kügelchen]]). Laut [[Rudolf Schulten]] wirken die keramischen Umhüllungen der Kügelchen wie Mini-[[Containment (Nukleartechnik)|Containments]], in denen Spaltstoff und Spaltprodukte in Mini-Mengen gepackt sind. Diese Umhüllung der Brennstoffkügelchen ist sehr widerstandsfähig gegenüber Temperaturbelastungen und hält auch bei hohen Temperaturen Schwermetalle und Edelgase zurück. Die Abfuhr der [[Nachzerfallswärme]] aus den Kugelbrennelementen erfolgt durch Strahlung und Leitung. Die robusten Kugelbrennelemente und deren bedarfsgerecht dimensionierte Anordnung sind wichtige Bausteine der Sicherheitsarchitektur des Kugelhaufenreaktors.<ref>Rudolf Schulten, Heinrich Bonnenberg: ''Brennelement und Schutzziele.'' VDI-Gesellschaft Energietechnik, Jahrbuch 91, 1991, S. 175.</ref> Schulten verwies ab Mitte der 1980er Jahre auf das Potenzial des Kugelhaufenreaktors, die [[Abbrand (Kerntechnik)|kernenergetisch abgebrannten]] Kugelbrennelemente ohne Zerlegung, d. h. in Gänze endzulagern, um so die Sicherheitsrisiken der physikalisch-chemischen Behandlung großer radioaktiver Mengen in Großanlagen der [[Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen|Wiederaufbereitung]] zu vermeiden. Schulten vertrat die Ansicht, dass die Graphitkugeln mit ihren keramisch umhüllten Brennstoffpartikeln wegen deren Festigkeit und Dichtigkeit eine Endlagerung in großen, geologischen Tiefen von etlichen 1000 Metern ohne Behandlung zulassen. Die Größe der Graphitkugeln ist nicht nur bestimmt durch ihre Funktion als Träger des Brennstoffs, sondern zusätzlich auch durch ihre Aufgabe als [[Moderator (Physik)|Moderator]]. Diese Kombination von Brennstoffträger und Moderator führt zu Volumina, die aus Gründen der Wirtschaftlichkeit unvorteilhaft für die direkte Endlagerung sein können. An der Entwicklung der Brennelemente waren staatliche Institutionen und Unternehmen aus Großbritannien, Schweden, den Niederlanden, Belgien, Frankreich, Italien, der Schweiz und Deutschland beteiligt, wesentlich gefördert durch [[Euratom]]. Die Brennelemente kamen zum Einsatz bei den Kugelhaufenreaktoren [[AVR (Jülich)|AVR]] in [[Jülich]] und [[Kernkraftwerk THTR-300|THTR]] in [[Hamm-Uentrop]], die beide seit 1988 stillgelegt sind. Auf diverse Probleme wies [[Rainer Moormann]] hin: Dazu gehören die Freisetzung einiger hochtoxischer Spaltprodukte wie Silber und Cäsium durch [[Diffusion]] und die Bildung von Stäuben durch den Abrieb der Graphitkugeln.<ref name="hdl.handle.net">[[Rainer Moormann]]: [http://hdl.handle.net/2128/3585 AVR prototype pebble bed reactor: a safety re-evaluation of its operation and consequences for future reactors], 2009.</ref> Als weitere Sicherheitsprobleme müssen die Brennbarkeit der Graphitkugeln und ihre hohe Reaktionsfähigkeit mit Wasserdampf unter Bildung brennbarer Gase gesehen werden.<ref name="hdl.handle.net" /> In Europa wurde die Brennelemententwicklung für HTR ca. 1990 weitestgehend beendet. Auch die Entwicklung in Südafrika wurde 2010 eingestellt. Eine begrenzte Weiterentwicklung erfolgt in China, unter Berücksichtigung der an AVR und THTR gemachten Erfahrungen im Sinne der Behebung der dort identifizierten Probleme.

Der Brennstoff in den bisher verwirklichten Anlagen war überwiegend hoch angereichert. Das Uran ist in diesen Brennelementen der Spaltstoff (Anreicherung auf ca. 93 %), und Thorium ist der Brutstoff, aus dem im Betrieb 233U als weiterer Spaltstoff entsteht. Diese Brennelemente sind nicht unmittelbar waffenfähig, da sie nur zu ca. 10 % aus Uran und zu 90 % aus Thorium bestehen. Allerdings lässt sich das hochwaffenfähige Uran chemisch abtrennen. Wegen dieses [[Proliferation (Massenvernichtungswaffen)|Proliferationsrisikos]] musste ab ca. 1980 schrittweise auf niedrig angereicherten Brennstoff umgestellt werden.

In anderen [[Hochtemperaturreaktor]]en (in England und USA) wurden als kantige (prismatische) Stäbe geformte Brennelemente verwendet. Das Brennstoffmaterial enthielt teilweise ebenfalls Thorium und war ähnlich aus Graphit und ''coated particles'' aufgebaut.

== Abgebrannte Brennelemente ==
Beim Betrieb aller [[Kernkraftwerk]]stypen fallen ''abgebrannte Brennelemente'' an. Brennelemente, die ihren vorgesehenen [[Abbrand (Kerntechnik)|Abbrand]] erreicht haben, müssen ausgetauscht werden.

Der Reaktorkern des [[Kernkraftwerk Grafenrheinfeld|Kernkraftwerkes Grafenrheinfeld]] z. B. enthielt 193 Brennelemente mit einem gesamten Brennstoffgewicht von 103 t, welche zunächst 4 Gew.-% 235U enthielten ([[Uran-Anreicherung|Anreicherung]]). Jährlich wurden während der [[Technische Überprüfung|Revision]] 40 Brennelemente ausgetauscht:<ref>{{Webarchiv|url=http://www.eon-kernkraft.com/pages/ekk_de/Standorte/Grafenrheinfeld/Daten/index.htm |wayback=20090109092131 |text=KKW Technische Daten }}</ref> Sie wurden im [[Abklingbecken]] des [[Kernreaktor]]s gelagert, bis ihre [[Radioaktivität]] und ihre Wärmeproduktion hinreichend abgeklungen war, um sie weiter behandeln zu können.

In der Vergangenheit wurden abgebrannte Brennelemente häufig zur [[Wiederaufarbeitung]] ins Ausland gebracht. Dort wurden die Abfallstoffe mit Hilfe chemischer Verfahren von den noch im Brennelement enthaltenen wiederverwendbaren [[Kernbrennstoff]]en [[Uran]] und [[Plutonium]] getrennt. 
In Deutschland sind Transporte in [[Wiederaufarbeitungsanlage]]n per Gesetz seit dem 1. Juli 2005 nicht mehr zulässig.

Eine andere, seither ausschließlich zu verfolgende Entsorgungsmethode ist die [[direkte Endlagerung]]. Dabei werden die abgebrannten Brennelemente geeignet verpackt und ohne vorherige Wiederaufarbeitung in ein [[Endlager (Kerntechnik)|Endlager]] gebracht. 

Häufig werden abgebrannte Brennelemente auch als ausgediente oder verbrauchte Brennelemente bezeichnet. Davon zu unterscheiden ist der Sammelbegriff bestrahlte Brennelemente. Dazu gehören neben den abgebrannten Brennelementen auch solche Brennelemente, die nur vorübergehend entladen wurden und wieder eingesetzt werden sollen, da sie ihren vorgesehenen Abbrand noch nicht erreicht haben.

== Brennelementesteuer ==
Die deutsche Bundesregierung ([[Kabinett Merkel II]]) gab im Juni 2010 bekannt, im Rahmen eines großen Sparpakets eine [[Kernbrennstoffsteuer|Brennelementesteuer]] zu planen.<ref name="zeit.2010-06">[https://www.zeit.de/wirtschaft/unternehmen/2010-06/atomsteuer-versorger ''Atomsteuer schockiert Versorger''.] In: ''[[Die Zeit|ZeitOnline]]'', 9. Juni 2010</ref>
Diese Steuer sollte jährlich 2,3 Milliarden Euro erbringen.
Damit sollen die Betreiber von Atomkraftwerken in Deutschland ([[RWE]], [[E.ON]], [[EnBW]] und [[Vattenfall]])
* zum einen an der Sanierung maroder [[Endlager (Kerntechnik)|Endlager]] beteiligt werden – und
* zum anderen wollte man einen Teil der bei einer [[Laufzeitverlängerung deutscher Kernkraftwerke|Laufzeitverlängerung]] zu erwartenden Zusatzeinnahmen abschöpfen.

Das Kernbrennstoffsteuergesetz vom 8. Dezember 2010 trat am 1. Januar 2011 in Kraft. Am 7. Juni 2017 erklärte das [[Bundesverfassungsgericht]] die Kernbrennstoffsteuer für [[grundgesetz]]widrig.<ref>{{Literatur|Titel=Verfassungsgericht: Kernbrennstoffsteuer ist grundgesetzwidrig|Sammelwerk=Die Zeit|Ort=Hamburg|Datum=2017-06-07|ISSN=0044-2070|Online=https://www.zeit.de/wirtschaft/2017-06/verfassungsgericht-atomsteuer-ist-nicht-mit-grundgesetz-vereinbar|Abruf=2017-07-23}}</ref> Der Bund musste den Atomkraftwerk-Betreibern mehr als 6 Milliarden Euro zurückzahlen.

== Literatur ==
{{Siehe auch|Kerntechnik|Brennstoffkreislauf}}

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kernbrennstoff]]

Brennelement - Versionsgeschichte

imported>YMS: Sprache