Abbrand (Kerntechnik)

Unter dem Begriff Abbrand versteht man in der Kernenergietechnik die Menge an Wärmeenergie, die pro Masseneinheit in einem Brennelement erzeugt wurde. Der Abbrand wird meist in Gigawatt-Tagen pro Tonne Schwermetall (GWd/t SM) ausgedrückt. Daneben sind FIMA (engl.: fissions per initial metal atom) und FIFA (engl.: fission per initial fissile atom), meist angegeben in Prozent, gebräuchlich: Würden in einem Brennstoff aus 3,3 % ²³⁵U und 96,7 % ²³⁸U soviele Spaltungen stattfinden, wie ²³⁵U-Atome anfänglich vorhanden waren, wäre der Abbrand 3,3 % FIMA oder 100 % FIFA. Eine Angabe in FIFA eignet sich besonders, um Brennstoffabbrände unterschiedlichen anfänglichen Anreicherungsgrades zu vergleichen.

Beim Abbrand eines schwach angereicherten Brennelementes (links) sinkt der Anteil an U²³⁵, neue Elemente entstehen

Der aktuell vorliegende Abbrand ist auch ein Maß dafür, wie stark der Brennstoff bereits verbraucht ist. Der Verbrauch kommt dadurch zustande, dass im Laufe der Zeit durch die Kernspaltungen die Konzentration spaltbarer ²³⁵U-Kerne in den Brennelementen immer mehr abnimmt. Ein Teil des Konzentrationsabfalls wird durch die Entstehung von spaltbarem ²³⁹Pu kompensiert. Kurz gesagt: Durch die Spaltung von ²³⁵U-Kernen wird der Vorrat an ²³⁵U in den Brennelementen verbraucht – „er brennt ab“. Außerdem hat auch die Entstehung von Spaltprodukten Einfluss auf die Reaktivität des Reaktorkernes. Hierbei sind insbesondere Spaltprodukte von Bedeutung, die einen hohen Einfang-Wirkungsquerschnitt für Neutronen haben. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang vor allem das Edelgas Xenon und das Metall Samarium.

Heute werden in Leichtwasserreaktoren durchschnittliche Abbrände von etwa 40–55 GWd/t SM, erreicht, aus Schweizer Anlagen sind Spitzenabbrände einzelner Elemente bis 105 GWd/t SM belegt^[1]. Die Brennelementehersteller streben für Druckwasserreaktoren mittels modifizierter, hochabbrandfähiger Brennelemente eine Erhöhung des durchschnittlichen Abbrandes bis 75 GWd/t SM an^[2]. Noch höhere Abbrände erreicht man derzeit in Hochtemperaturreaktoren und in Brutreaktoren. In Magnox-Reaktoren und in den kanadischen Candu-Reaktoren sind die Entladeabbrände ausgedrückt in GWd/t wegen der geringeren Anfangsanreicherung naturgemäß niedriger, in der Einheit FIFA speziell bei Candu-Reaktoren jedoch höher als bei konventionellen Reaktoren.

Die Forschung verspricht sich von neuen Reaktorkonzepten stark erhöhte Abbrandraten bis zu 500 GWd/t SM^[3].

Quellen