Brennelement

Brennelemente sind wesentliche Bestandteile eines Kernreaktors und bilden zusammen mit den sonstigen Einbauten den sogenannten Reaktorkern. Brennelemente enthalten das für die Energieerzeugung durch Kernspaltung notwendige Uran.

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Brennelemente-Typen

Je nach Reaktortyp besitzen die Brennelemente unterschiedliche Form und Zusammensetzung:    

Druckwasserreaktoren

Brennelemente für Druckwasserreaktoren bestehen aus einem Bündel einzelner Brennstäbe, zwischen denen außerdem Führungsrohre für die von oben eingeführten Steuerstäbe vorgesehen sind. Ein solches Brennelement kann z. B. 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 Anreicherung des Brennstoffs beträgt etwa 3–4 %.

Siedewasserreaktoren

Brennelemente für Siedewasserreaktoren 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). Bei neueren Brennelementen entfallen die Wasserstäbe. Ein das Brennelement umschließender Kasten aus Zirkaloy bildet den Kühlkanal. Die Kästen von jeweils mehreren Brennelementen bilden den Führungskanal für einen von unten kommenden kreuzförmigen Steuerstab. Die Hüllrohre der Brennstäbe bestehen aus Zirkalloy-2. Die Anreicherung des Brennstoffs entspricht etwa der bei Druckwasserreaktoren.

Hochtemperaturreaktoren

Die Brennelemente der inzwischen stillgelegten deutschen Hochtemperaturreaktoren in Jülich (AVR) und Hamm-Uentrop (THTR) bestanden aus Graphitkugeln von etwa 6 cm Durchmesser, in denen der Brennstoff in Form vieler kleiner Kügelchen (coated particles) aus Uran-Thorium-Oxid eingelassen war. Der Brennstoff war hoch angereichert. Neben den kugelförmigen Brennelementen sind auch andere Typen gebräuchlich. Das Uran ist in diesen Brennelementen der Spaltstoff (Anreicherung auf ca 97 %) und Thorium ist der Brennstoff. Diese Brennelemente sind aber nicht waffenfähig, da sie nur zu ca. 10 % aus Uran und zu 90 % aus Thorium bestehen. Für Waffen müssten sie zu mindestens 90 % aus Uran bestehen.

Schwerwasserreaktoren

Der Aufbau der Brennelementbündel für Schwerwasserreaktoren, z. B. vom kanadischen Typ CANDU, ist dem der Leichtwasserreaktor-Brennelemente ähnlich. Aus der Tatsache, dass sich die Brennelemente im Reaktor in zylindrischen Kühlkanälen befinden, ergibt sich der kreisförmige Querschnitt der Brennelementbündel mit konzentrischer Anordnung der Brennstäbe. Schwerwasserreaktoren können mit Uran natürlicher Isotopenzusammensetzung (keine Anreicherung erforderlich) betrieben werden.

Abgebrannte Brennelemente

Beim Betrieb aller Kernkraftwerkstypen fallen abgebrannte Brennelemente an. Es sind diejenigen Brennelemente, die ihren vorgesehenen Abbrand bereits erreicht haben und deshalb ausgetauscht werden müssen. Sie werden zunächst im Abklingbecken des Kernreaktors gelagert, bis ihre Radioaktivität und Wärmeproduktion hinreichend abgeklungen sind, um die Brennelemente weiterbehandeln zu können.

In der Vergangenheit wurden abgebrannte Brennelemente häufig zur Wiederaufarbeitung ins Ausland gebracht. Dort werden die Abfallstoffe mit Hilfe chemischer Verfahren von den noch im Brennelement enthaltenen wiederverwendbaren Kernbrennstoffen Uran und Plutonium getrennt. Transporte in Wiederaufarbeitungsanlagen sind in Deutschland 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 verbracht. Die Inbetriebnahme eines solchen Endlagers wird nach offiziellen Aussagen der deutschen Bundesregierung etwa für das Jahr 2030 angestrebt.

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.