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[[Datei:Nuclear fuel pellets.jpeg|miniatur|Ende eines Brennstabs und einige Pellets]]
[[Datei:Magnoxfulerodsciencemuseam.jpg|miniatur|100px|Brennstab eines [[Magnox-Reaktor]]s]]
Ein '''Brennstab''' ist ein mit [[Kernbrennstoff]] gefülltes Rohr, das in [[Kernreaktor]]en eingesetzt wird. Der Kernbrennstoff besteht meist aus [[Sintern|gesinterten]] Tabletten (Pellets) aus [[Urandioxid]] oder einem [[Mischoxid]] von Urandioxid und [[Plutoniumdioxid]].

Brennstäbe werden nicht einzeln verwendet, sondern sind stets zu [[Brennelement]]en gebündelt. Sie werden in einer [[Brennelementefabrik]] hergestellt.

== „Brennen“ ==
Der Ausdruck „Brennen“ ist im Zusammenhang mit der [[Kernenergie]] („Brennstab“, „[[Brennelement]]“ usw.) nur im übertragenen Sinne zu verstehen. Es handelt sich nicht um Verbrennung im eigentlichen Sinne, also [[Oxidation]].

Nach einiger Betriebszeit ist ein Brennelement „[[Abbrand (Kerntechnik)|abgebrannt]]“, d. h. durch die Kettenreaktion ist ein solcher Anteil des Brennstoffs in [[Spaltprodukt]]e umgewandelt, dass das Element nicht mehr wirkungsvoll zur Energieerzeugung genutzt werden kann. Es wird dann gegen ein frisches Element ausgetauscht. Die abgebrannten, also verbrauchten Brennelemente werden [[Zwischenlager (Kerntechnik)|zwischengelagert]], um später einmal der [[Endlager (Kerntechnik)|Endlagerung]] zugeführt zu werden, wobei die Frage nach einem Endlager heute (2022) immer noch offen ist. Manche abgebrannten Brennelemente werden [[Wiederaufarbeitung|wiederaufgearbeitet]]. Deutschland und die Schweiz versenden keine Brennelemente mehr zur Wiederaufarbeitung.

== Abmessungen und Anordnung ==
Ein einzelner Brennstab hat beispielsweise im [[Druckwasserreaktor]] [[Kernkraftwerk Brokdorf|Brokdorf]] eine Höhe von 4,8 m und einen Durchmesser von 11 mm.

Viele einzelne Brennstäbe werden mit Abstandshaltern zu [[Brennelement]]en oder Brennstoffkassetten gebündelt. Je nach Reaktortyp können diese in runder, rechteckiger, mehreckiger oder Plattenform ausgeführt sein.

Moderne Designs von Brennelementen enthalten auch verkürzte Brennstäbe (englisch ''part length fuel rods''), um die Leistungsverteilung im Reaktor zu optimieren.<ref>FUEL REVIEW: {{Webarchiv | url= http://www.neimagazine.com/journals/Power/NEI/September_2004/attachments/NEISept04p26-35.pdf | wayback = 20120617093405 | text = Fuel design data}}, In: Nuclear Engineering International, September 2004.</ref>

== Brennstabhülle ==
Die Brennstabhülle, das Hüllrohr, ist eine metallene Röhre, die den Kernbrennstoff umschließt. Sie hat je nach [[Brennelement]]typ eine Wandstärke von rund 0,6–0,8 mm. Um guten Wärmeübergang im Spalt zwischen dem Kernbrennstoff und dem Hüllrohr zu erzielen, wird das Gas [[Helium]] dort hinein verpresst<ref name="Jan Kopitz, Wolfgang Polifke">{{Literatur | Autor = Jan Kopitz, Wolfgang Polifke | Titel = Wärmeübertragung: Grundlagen, analytische und numerische Methoden | Verlag = Pearson Deutschland GmbH | ISBN = 978382737349-6 | Jahr = 2009 | Online = {{Google Buch | BuchID = inhA1aoS4MQC | Seite = 72 }} | Seiten = 72 }}</ref> und die Brennstabhülle abschließend gasdicht verschweißt.

Als Material für die Hüllrohre wird bei thermischen (z. B. wassergekühlten) Reaktoren [[Zirkalloy]] verwendet, weil der [[Wirkungsquerschnitt]] von [[Zirconium]] für den [[Neutroneneinfang]] klein ist und das Material gute Festigkeits- und [[Korrosion]]seigenschaften hat.<ref>Günter Kessler: ''Sustainable and safe nuclear fission energy. Technology and safety of fast and thermal nuclear reactors''. Springer 2012, ISBN 978-3-642-11989-7, Seite 77.</ref> Zirkalloy wird allerdings nach Überhitzung sehr spröde. Eine gewisse Korrosion im Reaktorbetrieb ist auch bei Zirkalloy unvermeidlich. Die Dicke der sich bildenden [[Oxid]]schicht nimmt im Laufe der Zeit stetig zu, abhängig von der Beschaffenheit des Materials, der Hüllrohrtemperatur und der chemischen Zusammensetzung des umgebenden Kühlwassers. Die Korrosion ist neben dem [[Strahlenschaden]] einer der Vorgänge, die die Einsatzzeit der Brennelemente in einem Reaktor auf etwa drei bis fünf Jahre begrenzen.

In [[Brutreaktor#Schneller Brüter|schnellen Reaktoren]] sind für die Hüllrohre meist titanstabilisierte [[Austenit (Gefügebestandteil)|austenitisch]]e Edelstähle verwendet worden.<ref>Günter Kessler: ''Sustainable and safe nuclear fission energy. Technology and safety of fast and thermal nuclear reactors''. Springer 2012, ISBN 978-3-642-11989-7, Seite 158.</ref>

Die Brennstabhülle trennt den Kernbrennstoff vom Kühlmittel des Reaktors und verhindert, dass Brennstoff und [[Spaltprodukt]]e in das Kühlmittel gelangen. Sie ist somit eine der geschachtelten [[Sicherheit von Kernkraftwerken#Barrieren|Barrieren]] zum Zurückhalten der radioaktiven Stoffe. Allerdings entstehen auch im Regelbetrieb durch [[Korrosion]] und Strahlenschaden strukturelle Veränderungen in der Legierung. Deshalb entwickelt ein kleiner Teil der Hüllrohre Risse, durch die gasförmige Spaltprodukte austreten können. Es sind meist [[Radionuklid]]e mit mittleren [[Halbwertszeit]]en, hauptsächlich Isotope von [[Iod]], [[Xenon]] und [[Krypton]].

Oberhalb von 900 °C nimmt die Festigkeit der Brennstabhüllrohre deutlich ab, was in einem Bersten resultieren kann. Bei Temperaturen oberhalb von 1000 °C reagiert das Zirconium zudem mit umgebenden Wasserdampf. Bei dieser exothermen chemischen Reaktion bilden sich Zirconiumoxid und Wasserstoff. Diese selbstverstärkende Reaktion führt zu einem Druckanstieg im Reaktor und kann bei Mischung des freiwerdenden Wasserstoffs mit Luftsauerstoff zu einer Knallgasexplosion führen.

== Kernschmelzunfall ==
Brennstäbe können schmelzen, wenn sie im Betrieb nicht ausreichend gekühlt werden. Dabei schmelzen auch andere Teile im Reaktorkern, man spricht von einer [[Kernschmelze]]. Diese Gefahr besteht durch die entstehende [[Nachzerfallswärme]] selbst bei abgeschaltetem Reaktor. So ist auch nach einer Entnahme der Brennstäbe aus dem Reaktorkern während ihrer Lagerung in [[Abklingbecken]] noch einige Jahre lang eine ständige Kühlung notwendig, um eine Überhitzung zu vermeiden.

== Sicherheitskriterien ==
In der westlichen Welt ist Voraussetzung für die Erteilung einer Betriebsgenehmigung, dass die folgenden, von der [[Nuclear Regulatory Commission|NRC]] festgelegten Bedingungen<ref>NRC: [https://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/cfr/part050/part050-0046.html 10 CFR 50.46 Acceptance criteria for emergency core cooling systems for light-water nuclear power reactors]</ref> während des Betriebs garantiert erfüllt werden:
* Die Temperatur darf 1200 °C nicht überschreiten.
* Die Dicke der Oxidationsschicht des Hüllrohrs darf an keiner Stelle das 0,17fache seiner unoxidierten Wanddicke überschreiten.
* Die Wasserstoff-Freisetzung darf maximal das 0,01fache der Menge ausmachen, die bei vollständiger Hüllrohroxidation entstehen würde.
* Die Geometrie der Hüllrohre darf sich nicht derart verändern, dass die Kühlung nicht mehr gewährleistet werden kann.
* Die Nachzerfallswärme muss langfristig abgeführt werden können.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kernbrennstoff]]
[[Kategorie:Reaktortechnik]]

[[en:Fuel rod]]

Brennstab - Versionsgeschichte

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