https://wiki-de.moshellshocker.dns64.de/index.php?action=history&feed=atom&title=KernbrennstoffKernbrennstoff - Versionsgeschichte2026-06-11T19:35:45ZVersionsgeschichte dieser Seite in Wikipedia (Deutsch) – Lokale KopieMediaWiki 1.43.8https://wiki-de.moshellshocker.dns64.de/index.php?title=Kernbrennstoff&diff=48878&oldid=previmported>17387349L8764: +2026-01-31T16:58:46Z<p>+</p>
<p><b>Neue Seite</b></p><div>[[Datei:Fuel Pellet.jpg|mini|Ein gesintertes Uranpellet. Das Material ist vermutlich [[Uran(IV)-oxid|Urandioxid]] (UO<sub>2</sub>). 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 [[Zirconium|Zirkonium]]-Legierung eingeschweißt und zu einem [[Brennelement]] zusammengefügt. Hafnium ist ein „[[Neutronenabsorber|Neutronengift]]“.]]<br />
'''Kernbrennstoff''' ({{EnS|special nuclear material}}<ref>{{Internetquelle |url=https://www.nrc.gov/materials/types/sp-nucmaterials.html |titel=Special Nuclear Material |hrsg=NRC |sprache=en-US |abruf=2025-04-02}}</ref> oder {{EnS|fissile material}} oder {{EnS|nuclear fuel}}) ist das Material, in dem die nukleare [[Kernspaltung|Spaltreaktion]] in einer kritischen Anordnung (z. B. [[Kernreaktor]]) stattfinden kann.<ref>{{Literatur |Autor=Sudhir Mishra, Joydipta Banerjee, Jose P. Panakkal |Titel=Fabrication of Nuclear Fuel Elements |Sammelwerk=Nuclear Fuel Cycle |Verlag=Springer Nature Singapore |Ort=Singapore |Datum=2023 |Sprache=en |ISBN=978-981-99-0948-3 |DOI=10.1007/978-981-99-0949-0_3 |Seiten=81–116 |Online=https://link.springer.com/10.1007/978-981-99-0949-0_3 |Abruf=2023-09-11}}</ref> Eine weitere Bezeichnung ist '''[[Spaltstoff]]''' und bezieht sich genau auf die spaltbaren Nuklide (also beispielsweise Uran-235), nicht auf die anderen Komponenten, z. B. Uran-238, bei gewöhnlichem oder natürlichem [[Uran]].<br />
<br />
Jeder Kernbrennstoff enthält mindestens ein spaltbares [[Nuklid]], meist das [[Isotop]] [[Uran|<sup>235</sup>U]]; auch das einzelne spaltbare Nuklid wird manchmal als ''Kernbrennstoff'' bezeichnet. Es gibt verschiedene Kernbrennstoffe für die verschiedenen Reaktortypen, siehe die Abschnitte weiter unten.<br />
<br />
Der wohl bekannteste Kernbrennstoff ist Uran. Das [[Schwermetalle|Schwermetall]] wird heute in den meisten modernen Leistungsreaktoren nicht als [[Uran#Isotope|Natururan]] (viz. nicht angereichert), sondern in schwach[[Uran-Anreicherung|angereicherter]] Form verwendet. Kernbrennstoffe bzw. Brennelemente ({{EnS|nuclear fuel assembly}}) werden als [[Abbrand (Kerntechnik)|abgebrannt]] bezeichnet, wenn diese nicht mehr maßgeblich zur Wärmeproduktion im Reaktor beitragen können und ersetzt werden müssen. Man spricht auch von [[Verbrauchter Kernbrennstoff|verbrauchtem Kernbrennstoff]].<br />
<br />
Im kommerziellen Kontext ist der Kernbrennstoff Uran Teil der ''Kernenergiewirtschaft,'' genauer der [[Uranwirtschaft]].<br />
<br />
== Definition Kernbrennstoffe ==<br />
Im deutschen [[Atomgesetz (Deutschland)|Atomgesetz]] (AtG) wird der Begriff wie folgt [[Spezifikation|spezifiziert]]:<ref>{{Internetquelle |url=https://www.gesetze-im-internet.de/atg/BJNR008140959.html |titel=AtG - Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren |abruf=2025-04-02}}</ref><br />
<br />
{{Gesetzestext|1=Kernbrennstoffe sind besondere spaltbare Stoffe, nämlich<br />
<br />
1. Plutonium-239 und Plutonium-241,<br />
<br />
2. mit den Isotopen 235 oder 233 angereichertes Uran,<br />
<br />
3. jeder Stoff, der einen oder mehrere der in den Nummern 1 und 2 genannten Stoffe enthält, oder<br />
<br />
4. Stoffe, mit deren Hilfe in einer geeigneten Anlage eine sich selbst tragende Kettenreaktion aufrechterhalten werden kann und die in einer Rechtsverordnung bestimmt werden.|ref=<ref>{{Internetquelle |url=https://www.gesetze-im-internet.de/atg/__2.html |titel=§ 2 AtG - Einzelnorm |abruf=2022-05-12}}</ref>}}<br />
<br />
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.<br />
<br />
In den USA regelt der ''[[Atomic Energy Act of 1954]]'' ([[United States Code|U.S. Code]] Titel 42 Division A<ref>{{Internetquelle |url=https://www.law.cornell.edu/uscode/text/42/chapter-23/division-A |titel=42 U.S. Code Chapter 23 Division A - Atomic Energy |sprache=en |abruf=2025-04-02}}</ref>) alle Details zur Nutzung der [[Kernenergie]] und selbstverständlich auch Kernbrennstoffen<ref>{{Internetquelle |url=https://www.law.cornell.edu/uscode/text/42/chapter-23/division-A/subchapter-V |titel=42 U.S. Code Chapter 23 Subchapter V Division A - SPECIAL NUCLEAR MATERIAL |sprache=en |abruf=2025-04-02}}</ref>.<br />
<br />
Weitere Spaltstoffe sind auch die Isotope [[Americium|Am]]-242m, [[Curium|Cm]]-243, ..., [[Californium|Cf]]-249.<ref>{{Literatur |Autor=Yigal Ronen |Titel=A Rule for Determining Fissile Isotopes |Sammelwerk=Nuclear Science and Engineering |Band=152 |Nummer=3 |Datum=2006-03 |Sprache=en |ISSN=0029-5639 |DOI=10.13182/NSE06-A2588 |Seiten=334–335 |Online=https://www.tandfonline.com/doi/full/10.13182/NSE06-A2588 |Abruf=2025-04-02}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Yigal Ronen |Titel=Some remarks on the fissile isotopes |Sammelwerk=Annals of Nuclear Energy |Band=37 |Nummer=12 |Datum=2010-12 |Sprache=en |DOI=10.1016/j.anucene.2010.07.006 |Seiten=1783–1784 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0306454910002586 |Abruf=2025-04-02}}</ref><br />
<br />
=== Brutstoffe ===<br />
Von den Kernbrennstoffen zu unterscheiden sind, umgangssprachlich, „[[Brutstoff]]e“, aus denen im Reaktorbetrieb neuer Kernbrennstoff „erbrütet“ werden kann. Die Brutstoffe werden manchmal auch als ''schwache Kernbrennstoffe'' bezeichnet.<ref>{{Literatur |Autor=Hans-Josef Allelein |Titel=Kernkraftwerke |Sammelwerk=Energietechnik |Verlag=Springer Fachmedien Wiesbaden |Ort=Wiesbaden |Datum=2022 |ISBN=978-3-658-34830-4 |DOI=10.1007/978-3-658-34831-1_5 |Seiten=103–183 |Online=https://link.springer.com/10.1007/978-3-658-34831-1_5 |Abruf=2023-09-11}}</ref> Damit sind primär die ''fertilen'' Isotope Uran-238 oder Thorium-232 gemeint.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/fertile-material.html |titel=Fertile material |hrsg=NRC |sprache=en-US |abruf=2025-04-02}}</ref> Aus ersterem wird Plutonium-239, aus letzterem wird Uran-233 synthetisiert.<br />
<br />
=== Transurane ===<br />
Im laufenden Reaktorbetrieb entstehen durch [[Neutroneneinfang]] im Kernbrennstoff weitere spaltbare Nuklide ([[Transurane]] bzw. die o.&nbsp;g. Brutstoffe), wie beispielsweise, wie im Atomgesetz erwähnt, die Isotope Plutonium-239 oder Pu-241. Plutonium-240 hingegen ist ein [[Neutronenabsorber|Neutronengift]], d. h. es hat einen hohen [[Wirkungsquerschnitt]] (Wahrscheinlichkeit) für den Neutroneneinfang gegenüber Spaltung.<br />
<br />
Transurane unterscheiden sich hinsichtlich ihrer möglichen Nutzbarkeit/Entsorgung von den radioaktiven [[Spaltprodukt]]en. Plutonium wird in [[MOX-Brennelement|MO<sub>x</sub>]] Brennelementen wiederverwendet bzw. verbrannt.<ref>{{Literatur |Autor=N. N. Egorov, V. M. Murogov, V. S. Kagramanian, M. F. Troyanov, V. M. Poplavski, V. I. Matveev |Titel=Management of Plutonium in Russia |Sammelwerk=Mixed Oxide Fuel (Mox) Exploitation and Destruction in Power Reactors |Verlag=Springer Netherlands |Ort=Dordrecht |Datum=1995 |Sprache=en |ISBN=978-90-481-4549-2 |DOI=10.1007/978-94-017-2288-9_1 |Seiten=1–15 |Online=http://link.springer.com/10.1007/978-94-017-2288-9_1 |Abruf=2025-04-02}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Jürgen Krellmann |Titel=MOX Fuel Technology and MOX Performance in Germany; Plutonium Handling Experience |Sammelwerk=Mixed Oxide Fuel (Mox) Exploitation and Destruction in Power Reactors |Verlag=Springer Netherlands |Ort=Dordrecht |Datum=1995 |ISBN=978-90-481-4549-2 |DOI=10.1007/978-94-017-2288-9_22 |Seiten=225–233 |Online=http://link.springer.com/10.1007/978-94-017-2288-9_22 |Abruf=2025-04-02}}</ref><br />
<br />
== Chemische Unterteilung ==<br />
=== Oxidische Kernbrennstoffe ===<br />
{{Hauptartikel|Uran(IV)-oxid|}}<br />
Die große Mehrheit der in Leistungsreaktoren verwendeten Kernbrennstoffe ist [[Oxid|oxidisch]], z. B. die Moleküle UO<sub>2</sub><ref>{{Literatur |Autor=Vera Haase, Hannelore Keller-Rudek, Livio Manes, Brigitte Schulz, Gustav Schumacher, Dieter Vollath, Heinz Zimmermann |Titel=U Uranium |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=1986 |Sprache=en |ISBN=978-3-662-10721-8 |DOI=10.1007/978-3-662-10719-5 |Online=http://link.springer.com/10.1007/978-3-662-10719-5 |Abruf=2025-04-02}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Leo F. Epstein |Titel=Uranium Dioxide: Properties and Nuclear Applications |Sammelwerk=Nuclear Science and Engineering |Band=14 |Nummer=3 |Datum=1962-11 |Sprache=en |ISSN=0029-5639 |DOI=10.13182/NSE62-A26226 |Seiten=319–320 |Online=https://www.tandfonline.com/doi/full/10.13182/NSE62-A26226 |Abruf=2025-04-02}}</ref> bzw. PuO<sub>2</sub>. Sie werden primär in [[Leichtwasserreaktor]]en eingesetzt. Ihre Vorteile sind die thermische und chemische Stabilität bis in relativ hohe Temperaturbereiche. Zu den Nachteilen gehören die geringe thermische Leitfähigkeit.<ref>{{Internetquelle |autor=Oak Ridge National Laboratory |url=http://www.web.ornl.gov/~webworks/cpr/v823/rpt/109264.pdf |titel=Thermophysical Properties of MOX and UO<sub>2</sub> Fuels including the Effects of Irradiation |hrsg=[[Oak Ridge National Laboratory]] |datum=September 2000 |offline=ja |archiv-url=https://web.archive.org/web/20150702025219/http://web.ornl.gov/~webworks/cpr/v823/rpt/109264.pdf |archiv-datum=2015-07-02 |archiv-bot= |zugriff=19.4.2016}}</ref><br />
<br />
=== Metallischer Kernbrennstoff ===<br />
Metallisches [[Uran]] wurde ursprünglich in einigen Kernreaktoren verwendet. Beispiele sind [[Chicago Pile]], [[Experimental Breeder Reactor I|EBR-1]], EBR-2 oder [[Magnox-Reaktor]]en. 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 [[Forschungsreaktor]]en zum Einsatz.<br />
<br />
=== Andere feste Kernbrennstoffe ===<br />
{{Hauptartikel|Urancarbide}}<br />
Im Zuge der Weiterentwicklung von Reaktorsystemen („vierte Generation“) gibt es Konzepte zu [[Carbide|carbidischen]] und [[Nitride|nitridischen]] Kernbrennstoffen. Dabei stehen die Vorteile [[Keramik|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.<br />
<br />
=== Flüssige Kernbrennstoffe ===<br />
Eine weitere Entwicklung sind die [[Salze|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.<br />
<br />
== Technologische Unterteilung fester Kernbrennstoffe ==<br />
{{Hauptartikel|Brennelement}}<br />
<br />
=== Brennstäbe ===<br />
[[Brennstab|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 [[Granulare Materie|Granulat]]-Schüttung (siehe [[Pac-Kügelchen]]) verwendet werden. Das Hüllrohr besteht bei [[Leichtwasserreaktor|Leichtwasser-]] und [[Schwerwasserreaktor]]en aus [[Zirkalloy]], bei [[Brutreaktor]]en aus Edelstahl.<br />
<br />
Die Brennstäbe werden nicht einzeln verwendet, sondern bei allen Reaktortypen zu Bündeln ([[Brennelement]]en) zusammengefasst.<br />
<br />
=== Brennelemente für Hochtemperaturreaktoren ===<br />
[[Hochtemperaturreaktor]]en verwenden Kernbrennstoff, der – etwa in Form kleiner UO<sub>2</sub>-Körner<ref name=HTGR>{{Internetquelle| url=http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/TE_1645_CD/PDF/TECDOC_1645.pdf |titel=High Temperature Gas Cooled Reactor Fuels and Materials|datum=März 2010|autor=[[Internationale Atomenergie-Organisation|IAEA]] |seiten=5| zugriff=21.4.2016}}</ref> – in [[Graphit]] eingebettet ist. Diese Brennelemente sind bei manchen Konstruktionen tennisballgroße Kugeln, bei anderen senkrechte Säulen von prismatischem Querschnitt.<ref name=HTGR /><br />
<br />
=== Brennelemente für Forschungsreaktoren ===<br />
In manchen [[Forschungsreaktor|Forschungs-]] und Ausbildungsreaktoren wurden und werden besondere Kernbrennstoffe benutzt: im [[Siemens-Unterrichtsreaktor]] Platten aus Polyethylen, die Uranoxid (U<sub>3</sub>O<sub>8</sub>)-Pulver enthielten; im [[TRIGA]]-Reaktor eine Verbindung von Uran, Zirkonium und Wasserstoff; im Münchner Forschungsreaktor [[Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz|FRM II]] speziell geformte Platten aus Uransilicid-Aluminium-Dispersionsbrennstoff.<br />
<br />
== Kernmaterialüberwachung und Sicherheit ==<br />
Der Umgang mit Kernbrennstoffen ist gesetzlich durch das Atomgesetz geregelt. Im Zusammenhang mit Kernwaffen gibt der [[Atomwaffensperrvertrag|Nichtverbreitungsvertrag]] die Überwachung von Kernmaterial vor. Des Weiteren und im experimentellen Kontext spielt die [[Kritikalität]]ssicherheit eine wichtige Rolle im Umgang mit Kernmaterial.<ref>{{Literatur |Autor=Douglas G. Bowen |Titel=Nuclear Criticality Safety |Sammelwerk=Encyclopedia of Nuclear Energy |Verlag=Elsevier |Datum=2021 |Sprache=en |ISBN=978-0-12-819732-5 |DOI=10.1016/b978-0-12-819725-7.00181-1 |Seiten=334–342 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9780128197257001811 |Abruf=2025-04-02}}</ref><br />
<br />
== Literatur (Auswahl) ==<br />
{{Siehe auch|Brennstoffkreislauf|Kerntechnik|Kernchemie}}<small>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.</small><br />
<br />
=== Standardwerke ===<br />
<br />
* {{Literatur |Titel=The Reactor Handbook. Vol. 3. Materials |Hrsg=J. F. Hogerton, R.C. Grass |Verlag=[[United States Atomic Energy Commission|AEC]] |Ort= |Datum=1953 |Sprache=en |DOI=10.2172/4384109}}<br />
* {{Literatur |Titel=Nuclear Fuels |Hrsg=David H. Gurinsky, G. J. Dienes |Verlag=D. Van Nostrand |Ort=New York |Datum=1956 |Sprache=en |Reihe=The Geneva Series on the Peaceful Uses of Atomic Energy |HrsgReihe=James G. Beckerley}}<br />
* {{Literatur |Autor=Walter D. Wilkinson, William F. Murphy |Titel=Nuclear Reactor Metallurgy |Verlag=D. Van Nostrand Company |Ort=Princeton, NJ |Datum=1958 |Sprache=en}}<br />
* {{Literatur |Autor=B. R. T. Frost, M. B. Waldron |Titel=Reaktorwerkstoffe |Verlag=Vieweg+Teubner Verlag (Temple Press) |Ort=Wiesbaden |Datum=1959 |Reihe=Kerntechnik in Einzeldarstellungen (Nuclear Engineering Monographs) |BandReihe=7 |ISBN=978-3-663-03984-6 |DOI=10.1007/978-3-663-05430-6}}<br />
* {{Literatur |Titel=Rare Metals Handbook |Hrsg=Clifford A. Hampel |Auflage=2. |Verlag=Reinhold Publishing |Ort=London |Datum=1961 |Sprache=en |Online=https://archive.org/details/raremetalshandbo0000unse_u2j4}}<br />
* {{Literatur |Autor=John F. Hogerton |Titel=Atomic fuel |Ort=United States Atomic Energy Commission (AEC) |Datum=1963 |Sprache=en |Online=https://www.osti.gov/biblio/1133971}}<br />
* {{Literatur |Autor=[[Manson Benedict]], [[Thomas H. Pigford]], [[Hans Wolfgang Levi]] |Titel=Nuclear Chemical Engineering |Auflage=2. |Verlag=McGraw-Hill |Ort=New York |Datum=1981 |Sprache=en |Reihe=McGraw-Hill Series in Nuclear Engineering |ISBN=978-0-07-004531-6 |Online=https://archive.org/details/nuclearchemicale0000bene}}<br />
* {{Literatur |Autor=Brian R. T. Frost |Titel=Nuclear Fuel Elements |Verlag=Pergamon Press |Ort=Oxford |Datum=1982 |Sprache=en |Online=https://archive.org/details/nuclearfueleleme0000fros}}<br />
* {{Literatur |Autor=Karl Whittle |Titel=Nuclear Materials Science |Auflage=2. |Verlag=IOP Publishing |Ort=Bristol, UK |Datum=2020 |Sprache=en |ISBN=978-0-7503-2376-5 |Online=https://iopscience.iop.org/book/mono/978-0-7503-1104-5}}<br />
<br />
* {{Literatur |Autor=R. J. M. Konings, R. E. Stoller |Titel=Comprehensive Nuclear Materials |Auflage=2nd |Verlag=Elsevier |Ort=San Diego, CA |Datum=2020 |Sprache=en |ISBN=978-0-08-102866-7 |Kommentar=7 Bände |Online=https://www.sciencedirect.com/referencework/9780081028667/comprehensive-nuclear-materials}}<br />
<br />
== Einzelnachweise ==<br />
<references /><br />
<br />
[[Kategorie:Kernbrennstoff| ]]<br />
[[Kategorie:Kernchemie]]<br />
[[Kategorie:Nukleare Wiederaufarbeitung]]<br />
[[Kategorie:Reaktortechnik]]</div>imported>17387349L8764