Abbrand (Kerntechnik)

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Massendichten von Schwermetall-Nukliden in Abhängigkeit vom Abbrand für einen Druckwasserreaktor

Die Größe Abbrand, auch Spezifischer Abbrand genannt [1], definiert man in der Reaktorphysik und in der Kerntechnik als Quotienten der gesamten Wärmeenergie , die in einem Raumbereich bis zu einem gegebenen Zeitpunkt durch Kernspaltung freigesetzt wurde, geteilt durch die Masse aller Schwermetalle, die in dem Raumbereich im frischen Brennstoff enthalten sind. Als Formelzeichen für Abbrand ist (vom englischen Burnup) üblich,

.

Frischer Brennstoff deshalb, weil die Masse des Brennstoffs infolge von Spaltungen abnimmt. Mit Raumbereich kann der Raumbereich gemeint sein, den eine Brennstoffzelle (ein Teilbereich eines Brennstabs plus Umgebung) oder ein Brennelement einnimmt, bis hin zum gesamten Reaktor, was zur Größe mittlerer Abbrand führt.

Zu den Schwermetallen werden alle spaltbaren Nuklide gerechnet, also Nuklide mit Massenzahlen A > 225. In diesem Kontext sind Schwermetalle (SM) also gegenüber dem eingeschränkt, was üblicherweise Schwermetalle genannt wird.

Der Abbrand wird in den Einheiten kWd/g, MWd/kg oder meist in GWd/t angegeben, wobei d als Einheitenzeichen für Tag steht. Es sei angemerkt, dass der Zahlenwert einer gegebenen Größe Abbrand für alle drei Einheiten gleich ist. Hinter die in der Kerntechnik übliche Einheit GWd/t wird oft ein SM, also GWd/t SM, oder (regelwidrig) als Index am Einheitenzeichen t für Tonne, angehängt.

Dadurch, dass die Größe Energiefreisetzung auf die Masse von frischem Brennstoff bezogen wird, sagt die Größe Abbrand etwas über das "Alter" des Brennstoffs aus. Ein Reaktor kann mit unterschiedlicher Leistung betrieben oder gewartet werden. Deshalb ist die Größe Zeit kein gutes Maß für die Änderungen irgendwelcher reaktorphysikalischer Größen (Neuronenflüsse, makroskopische Wirkungsquerschnitte, Anzahldichten, Massendichten etc.) über längere Zeitspannen hinweg. An ihre Stelle tritt oft die Größe Abbrand. Wird Brennstoff aus dem Reaktor entfernt, bleibt sein Abbrand konstant. Nachzerfallswärme, da nicht durch Kernspaltung unmittelbar freigesetzt, wird nicht zum Abbrand gerechnet.

Die Massendichten der Schwermetall-Nuklide der ersten Abbildung wurden für eine Brennstoffzelle eines Druckwasserreaktors mit einem Abbrandprogramm berechnet. Die Massendichten von 238U (8,280 bzw. 7,729 g/cm³ für Abbrand 0 bzw. 80 kWd/g) liegen außerhalb der Zeichnungsfläche. Außerhalb der Zeichnungsfläche liegen auch teilweise die Dichten von 235U. Für 235U wurde bei frischem Brennstoff eine Dichte von 0,345 g/cm³ gewählt. Das entspricht einer Anreicherung von 235U von 4,0 %.

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[2]. Die Brennelementehersteller streben für Druckwasserreaktoren mittels modifizierter, hochabbrandfähiger Brennelemente eine Erhöhung des durchschnittlichen Abbrandes bis 75 GWd/t SM an[3]. 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[4].

Quellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Paul Reuss: Neutron physics. EDP Sciences, Les Ulis, France 2008, ISBN 978-2-7598-0041-4, S. xxvi, 669., p. 325
  2. http://www.vpe.ch/pdf2/1179834222-psi_teil_9.pdf
  3. http://www.areva-np.com/common/liblocal/docs/anp_magazine/ANP_MAG_N4_de.pdf
  4. http://www.world-nuclear.org/info/inf33.html