Brennstab

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Ende eines Brennstabs und einige Pellets
Brennstab eines Magnox-Reaktors

Ein Brennstab in Kernreaktoren ist eine mit dem zur Kernspaltung vorgesehenen Brennstoff gefüllte Röhre. Der Kernbrennstoff besteht meist aus gesinterten Tabletten (Pellets) aus Urandioxid oder einem Mischoxid von Urandioxid und Plutoniumdioxid.

„Brennen“[Bearbeiten]

Der Begriff „Brennen“ wird im Zusammenhang mit der Kernenergie („Brennstab“, „Brennelement“ usw.) nur im übertragenen Sinne benutzt, denn keines der hierbei verwendeten Materialien unterliegt einem Verbrennungsprozess im eigentlichen Sinne, also einer Oxidation.

Nach einiger Zeit ist ein Brennelement „abgebrannt“, d. h. durch die Kettenreaktion ist ein solcher Anteil der Masse von Brennstoff in Spaltprodukte umgesetzt, dass das Element nicht mehr effizient zur Energieerzeugung genutzt werden kann. Es wird dann gegen ein frisches Element ausgetauscht. Die verbrauchten bzw. abgebrannten Brennelemente werden zwischengelagert, um später einmal der Endlagerung zugeführt zu werden, wobei die Frage nach dem Endlager noch offen ist. Ein Teil der abgebrannten Brennelemente wird wiederaufgearbeitet. Deutschland und die Schweiz versenden keine Brennelemente mehr zur Wiederaufarbeitung.

Abmessungen und Anordnung[Bearbeiten]

Ein einzelner Brennstab hat beispielsweise im Druckwasserreaktor Brokdorf eine Höhe von 4,8 m und einen Durchmesser von 11 mm.

Viele einzelne Brennstäbe werden mittels Abstandshaltern zu Brennelementen 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.[1]

Brennstabhülle[Bearbeiten]

Die Brennstabhülle, auch Hüllrohr genannt, ist eine metallene Röhre, die den Kernbrennstoff umschließt. Sie hat, je nach Brennelementtyp, eine Wandstärke von rund 0,6–0,8 mm. Die Hüllrohre werden in einer Brennelementefabrik mit den Brennstofftabletten befüllt.[2] Um eine höchst mögliche Wärmeleitfähigkeit im verbleibenden Spalt zwischen dem Kernbrennstoff und dem Hüllrohr zu erzielen, wird das Gas Helium dort hinein verpresst[3] und die Brennstabhülle abschließend gasdicht verschweißt.

Als Material für die Hüllrohre nimmt man einen Stoff mit geringem Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang, damit der Kettenreaktion möglichst wenig Neutronen verloren gehen. Meist wird daher eine sehr zirconiumreiche Legierung wie Zirkalloy verwendet. Dieses ist ähnlich fest wie Stahl, wird allerdings nach Überhitzung sehr spröde.

Die Brennstabhülle soll den Kernbrennstoff vom Kühlmittel des Reaktors trennen und verhindern, dass die bei der Kernspaltung entstehenden Spaltprodukte in das Kühlmittel gelangen. Sie ist somit eine der geschachtelten technischen Barrieren zum möglichst sicheren Zurückhalten der radioaktiven Stoffe.

Sofern die Schweißnähte dicht sind und das Hüllrohr auch sonst nicht undicht wird, hält das Rohr alle Spaltprodukte in seinem Inneren zurück. Doch entstehen auch im Regelbetrieb durch Korrosion und durch Strahlenschäden strukturelle Veränderungen in der Legierung. Deshalb entwickelt ein kleiner Teil der Hüllrohre Risse, durch die gasförmige Spaltprodukte austreten können. Es sind meist Radionuklide mit mittleren Halbwertszeiten, hauptsächlich Isotope von Iod, Xenon und Krypton.

Korrosion der Zirkalloyoberflächen in einem Kernreaktor ist unvermeidlich. Ihr Ausmaß wird hauptsächlich durch die Beschaffenheit des Materials, die Hüllrohrtemperatur und die chemische Zusammensetzung des umgebenden Kühlwassers bestimmt. Die Dicke der Oxidschicht nimmt mit der Zeit zu. Die ständig vorhandene Strahlung im Reaktor hat ebenfalls Einfluss auf die Struktur des Hüllrohrmaterials. Die Korrosion ist damit einer der Vorgänge, die die Einsatzzeit der Brennelemente in einem Reaktor auf etwa drei bis fünf Jahre begrenzen.

Kernschmelzunfall[Bearbeiten]

Brennstäbe können schmelzen, wenn sie im Betrieb nicht ausreichend gekühlt werden. Dabei schmelzen auch andere Werkstoffe 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[Bearbeiten]

In der westlichen Welt ist Voraussetzung für die Erteilung einer Betriebsgenehmigung, dass die folgenden, von der NRC festgelegten Bedingungen[4] während des Betriebs garantiert erfüllt werden:

  • Die Temperatur darf 1200 °C nicht überschreiten.
  • Die Dicke der Oxidationsschicht des Hüllrohrs darf an keiner Stelle das 0,17-fache seiner unoxidierten Wanddicke überschreiten.
  • Die Wasserstoff-Freisetzung darf maximal das 0,01-fache 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[Bearbeiten]

  1. FUEL REVIEW: Fuel design data (Version vom 17. Juni 2012 im Internet Archive), In: Nuclear Engineering International, September 2004.
  2.  Wolf-Georg Schärf: Europäisches Nuklearrecht. Walter de Gruyter, 2008, ISBN 389949449-0, S. 56-IA1 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  3.  Jan Kopitz, Wolfgang Polifke: Wärmeübertragung: Grundlagen, analytische und numerische Methoden. Pearson Deutschland GmbH, 2009, ISBN 978382737349-6, S. 72 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  4. NRC: 10 CFR 50.46 Acceptance criteria for emergency core cooling systems for light-water nuclear power reactors