Diskussion:Abbrand (Kerntechnik)
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[Quelltext bearbeiten]| Physikalische Größe | |||||||
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| Name | Abbrand (engl. Burn-up[1] ) | ||||||
| Formelzeichen | |||||||
| Abgeleitet von | Energie je Kilogramm | ||||||
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| Anmerkungen | |||||||
| ist keine SI-konforme Grösse | |||||||
Mit Abbrand, auch Spezifischer Abbrand, wird die während des Leistungsbetriebs produzierte Wärmeenergie pro Kilogramm Brennstoffs bezeichnet. Er wird als (lokales) Maß für die Energieausbeute des Brenstoffs verwendet, aber auch in Bezug für dessen Begleiterscheinungen wie etwa die Veränderungen in der Nuklidzusammensetung des Brennstoffs oder Alterung und Verschleiss der Brennelemente.
Genaue Definition
[Quelltext bearbeiten]Die Größe Abbrand definiert man als Quotienten der gesamten Wärmeenergie , die von Kernbrennstoff bis zu einem bestimmten Zeitpunkt freigesetzt wurde, geteilt durch dessen Masse :
- .
Hierbei wird für die Masse des Brennstoffs vor Beginn der Energieproduktion verwendet, also meist die des frischen Brennstoffs. Sie wird in Einheiten von MWD/kgHM, "Megawatt-Days per Kilogramm Heavy Metal", etwa "Megawatt-Tage pro Kilogramm Schwermetall", oder Varianten davon angegeben. HM für Heavy Metal (dt. Schwemetall) oder U für Uran wird häufig als verdeutlichender Zusatz an die Einheit MWD/kg angehängt und spezifiziert den reinen Brennstoff (ohne Hüllrohre etc.) als Bezugsgrösse. Eine klare Abgrenzung vom üblichen Begriff Schwermetall ist hier implizit gegeben.
Allgemeines
[Quelltext bearbeiten]Der Abbrand in Leichtwasserreaktoren wurde in der Vergangenheit von anfänglich etwa 20 MWD/kgHM kontinuierlich auf heute über 60 MWD/kgHM gesteigert. Ein hoher Abbrand ist erstrebenswert, da dadurch
- die Menge an hochaktivem Abfall reduziert wird,
- der Aufwand für Brennstoffwechsel reduziert wird, und
- das Proliferationsrisiko gesekt wird (Plutonium wird mit höherem Abbrand immer uninteressanter für militärische Nutzung).
Allerdings steigen mit dem Abbrand auch die Anforderungen an die Brennstabhüllen, da sie im Betrieb Alterungsprozessen unterliegen. Ebenfalls wird eine höhere Anreicherung des frischen Brennstoffs benötigt, was wiederum andere Konsequenzen nach sich zieht. Etwa muss der dadurch entstehende Reaktivitätsüberschuss zu Beginn des Brennstoffzyklus mit verstärkten Einsatz von Neutronenabsorber ausgeglichen werden, die ihrerseits die Neutronenbilanz eher verschlechtern.
Die Entwicklung des Brennstoffs mit zunehmendem Abbrand wird in der Abbildung anhand einer Simulation der Häufigkeit einiger relevanter Isotope im Brennstoff dargestellt. Zugrunde liegen ein Druckwasserreaktor mit 4% angereichetem UO2- Brenstoff (nicht MOX). Der ursprüngliche Brennstoff, 235U, wird verbraucht ("verbrannt"). Transurane wie Plutonium werden während dem Leistungsbetrieb erzeugt und tragen im späteren Verlauf teilweise selbst zur Kettenreaktion bei. Neben den dargestellten Nukliden reichern sich auch die Spaltprodukte im Brennstoff an. Zusammen haben diese Effekte einen Einfluss auf die Reaktivität, die mit höherem Abbrand sinkt.
Der Begriff 'abgebrannter Brennstoff' ist nicht mit 'Abbrand' zu verwechseln.
Andere Definition
[Quelltext bearbeiten]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.
Typische Zahlen
[Quelltext bearbeiten]Heute werden in Leichtwasserreaktoren durchschnittliche Abbrände von etwa 40–55 GWd/tHM, erreicht, aus Schweizer Anlagen sind Spitzenabbrände einzelner Elemente bis 105 GWd/tHM belegt[2]. Die Brennelementehersteller streben für Druckwasserreaktoren mittels modifizierter, hochabbrandfähiger Brennelemente eine Erhöhung des durchschnittlichen Abbrandes bis 75GWd/tHM an[3]. In Magnox-Reaktoren und in den kanadischen Candu-Reaktoren sind die Entladeabbrände wegen der geringeren Anfangsanreicherung naturgemäß niedriger, in der Einheit FIFA speziell bei Candu-Reaktoren jedoch höher als bei konventionellen Reaktoren Quelle?.
Wesentlich höhere Abbrände sind in Hochtemperaturreaktoren und in Brutreaktoren erreichbar. Die Forschung verspricht sich von neuen Reaktorkonzepten sogar einen Entladungsabbrand bis zu 500 GWd/tHM[4], z.B. von dem im Jahr 2007 von General Atomics entwickelten Gas Turbine - Modular Helium Reactor (GT-MHR).