Brennelement

Brennelement für den Reaktor der Savannah mit 4 × 41 Brennstäben

Ende eines Brennstabes mit Brennstoffpellets

Die Brennelemente sind wesentliche Bauteile eines Kernreaktors 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 Brennstäben, die vom Kühlmittel, in der Regel Wasser, umspült werden. Diese Anordnung ergibt eine genügend große Fläche für den Wärmeübergang. Die Stäbe enthalten den Kernbrennstoff, meist Uranoxid in Form zylindrischer Pellets. Andere Formen von Brennelementen gibt es jedoch bei Hochtemperaturreaktoren (siehe unten).

Kopfbereich eines Brennelementes, Ausschnitt links: Uranoxid-Tabletten (Pellets) in den Brennstäben

Eine Brennelementengruppe aus 4 Brennelementen und einem Regelstab

Auch bei Forschungsreaktoren mit ihrer relativ geringen Wärmeleistung sind verschiedene andere Brennelementformen möglich.

Brennelemente-Typen

Je nach Reaktortyp haben die Brennelemente unterschiedliche Formen und Zusammensetzungen, jedoch ist der "Standard" ein Urandioxid-Brennelement.

Druckwasserreaktoren

Brennelemente für Druckwasserreaktoren bestehen aus einem Bündel einzelner Brennstäbe, zwischen denen außerdem Führungsrohre für die von oben eingeführten 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 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. 64 Brennstäbe und ein sog. Wasserstab in 8x8-Anordnung). Bei neueren Brennelementen entfallen die Wasserstäbe. 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:

1. 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.^[1]
2. In dem Reaktor des Kernkraftwerkes Krümmel (Siedewasserreaktor) befinden sich 840 Brennelemente.^[1]

Hochtemperaturreaktoren

Die Brennelemente des Hochtemperaturreaktors vom Typ Kugelhaufenreaktor bestehen aus Graphitkugeln 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 ^[2]. 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-Containments, in denen Spaltstoff und Spaltprodukte in Mini-Mengen "verpackt" 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.^[3] Die Graphitkugeln wirken nicht nur als Träger des Brennstoffs, sondern auch als Moderator. Diese Kombination von Brennstoff und Moderator führt zu großen endzulagernden Volumina, die unvorteilhaft sind, wenn wie beabsichtigt auf Wiederaufarbeitung wegen deren Risiken verzichtet wird. An der Entwicklung der Brennelemente waren staatliche Institutionen und Unternehmen aus Groß-Britannien, Schweden, den Niederlanden, Belgien, Frankreich, Italien, der Schweiz und Deutschland beteiligt, wesentlich gefördert durch EURATOM. Die Brennelemente kamen zum Einsatz bei den Kugelhaufenreaktoren AVR in Jülich und THTR in Hamm-Uentrop, die beide seit 1988 stillgelegt sind. Als Probleme erwiesen sich die Freisetzung einiger hochtoxischer Spaltprodukte wie Silber und Cäsium durch Diffusion und die Bildung von Stäuben durch den Abrieb der Graphitkugeln ^[4][5]. Als weitere Sicherheitsprobleme müssen die Brennbarkeit der Graphitkugeln und ihre hohe Reaktionsfähigkeit mit Wasserdampf unter Bildung brennbarer Gase gesehen werden ^[5]. In Europa wurde die Brennelemententwicklung für HTR ca. 1990 weitestgehend beendet. Die Entwicklung in Südafrika wurde 2010 eingestellt. Eine Weiterentwicklung erfolgt in China.

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 Proliferationsrisikos musste ab ca. 1980 schrittweise auf niedrig angereicherten Brennstoff umgestellt werden.

In anderen Hochtemperaturreaktoren (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.

Schwerwasserreaktoren

Der Aufbau der Brennelementbündel für Schwerwasserreaktoren, etwa 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 erreicht haben und deshalb ausgetauscht werden müssen.

Der Reaktorkern des Kernkraftwerkes Grafenrheinfeld z. B. enthält 193 Brennelemente mit einem gesamten Brennstoffgewicht von 103 t, welche zunächst 4 Gew.-% ²³⁵U enthalten (Anreicherung).
Jährlich werden während der Revision 40 Brennelemente ausgetauscht:^[6] Sie werden zunächst im Abklingbecken des Kernreaktors gelagert, bis ihre Radioaktivität und Wärmeproduktion hinreichend abgeklungen sind, um sie weiter behandeln 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.
In Deutschland sind Transporte in Wiederaufarbeitungsanlagen 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 gebracht. Die Inbetriebnahme eines solchen Endlagers wird nach offiziellen Aussagen der deutschen Bundesregierung etwa für das Jahr 2030 angestrebt. Für zukünftige HTR Kugelhaufenreaktoren ist die direkte Endlagerung vorgesehen.

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 gab im Juni 2010 bekannt, dass sie (im Rahmen eines großen Sparpakets) eine Brennelementesteuer plant.^[7] Die neue Steuer soll 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 beteiligt werden – und
• zum anderen will man einen Teil der bei einer Laufzeitverlängerung zu erwartenden Zusatzeinnahmen abschöpfen.

Das Kernbrennstoffsteuergesetz vom 8. Dezember 2010 ist am 1. Januar 2011 in Kraft getreten.

Siehe auch

• Kernbrennstoff
• MOX-Brennelement

Weblinks

Wiktionary: Brennelement – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise