Kernbrennstoff

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Als Kernbrennstoff bezeichnet man einen Stoff dessen Atomkerne zu einer exothermen nuklearen Kettenreaktion in der Lage sind. Dies kann entweder eine Kernspaltungsreaktion oder eine Kernfusionsreaktion sein. Kernbrennstoffe werden als Energieträger in Kernreaktoren zur Erzeugung von Wärme oder anderen Energieformen sowie zur Erzeugung von Neutronen eingesetzt. Hauptsächlich findet man solchen Brennstoff in Kernkraftwerken und Forschungsreaktoren wieder. Bei Fusionsreaktoren wird der Brennstoff zur Fusion verwendet. Einige Kernbrennstoffe eignen sich auch als Kernsprengstoffe zum Bau nuklearer Sprengkörper.


Spaltbrennstoff

Der in Kernspaltungsreaktoren eingesetzte Brennstoff wird in der Regel nach der Isotopenzusammensetzung der enthaltenen Spalt- und Brutstoffe klassifiziert sowie anhand seines physikalischen Aggregatzustands und seiner chemischen Zusammensetzung.

Isotopenzusammensetzung

Der am häufigsten zur Anwendung kommende Kernbrennstoff ist Uran bei welchem es sich in der Regel um eine Mischung aus thermisch spaltbarem Uran-235 und Uran-238 welches thermisch nicht spaltbar ist und primär einen Brutstoff darstellt handelt. Der 235Uran Anteil an der Mischung beträgt im Fall von Natururan etwa 0,72%. Durch Anreicherung kann der 235Urananteil erhöht werden. Während spezielle Reaktoren mit Schwerwasser oder Graphitmoderator und inhomogenem Kern wie etwa CANDU oder MAGNOX Reaktoren Natururan verwerten können sind thermische Reaktoren mit homogenem Kern auf eine Anreicherung von einigen Prozent angewiesen. Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum erfordern eine Anreicherung auf mehr als etwa 10%, üblich sind etwa 20%. Auch Forschungsreaktoren und Schiffsreaktoren mit kompakten Kernen nutzen oft relativ hoch angereichertes Uran.

Neben Uran-235 kommt kommen im Uran-Plutonium Brennstoffkreislauf auch die durch einen Neutroneneinfang im Uran-234 erbrüteten Isotope Plutonium-239 oder Plutoniummischungen (haupsächlich Plutonium-239, Plutonium-240, Plutonium-241) als Kernbrennstoff zum Einsatz (die höheren Plutoniumisotope entstehen durch Einfang eines Neutrons der keine Spaltung hervorruft). Während Plutonium-240 nicht thermisch spaltbar ist können die anderen beiden Isotope das Uran-235 teilweise oder vollständig ersetzen.

Ein weiterer möglicher Kernbrennstoff ist Uran-233. Dieses kann aus dem thermisch nicht spaltbaren Thorium-232 erbrütet werden welches in der Natur vorkommt und damit einen alternativen Brennstoffkreislauf erlaubt.

Chemische Einteilung der Kernspaltungsbrennstoffe

Neben der Isotopenzusammensetzung des Spalt- und Brutmaterials lassen sich Kernbrennstoffe auch anhand ihrer chemischen Zusammensetzung und des physikalischen Aggregatzustands charakterisieren.

Feststoffe

Feststoffe stellen eine große vielfältige Gruppe möglicher Kernbrennstoffe dar und kommen als solche bei fast allen heutigen Kernreaktoren zum Einsatz. Feste Brennstoffe werden in der Regel nicht direkt im Reaktor eingesetzt sondern zu Brennelementen verarbeitet.[1]

Metallische Kernbrennstoffe

Alle Brut und Spaltmaterialien sind in Reinform Metalle, in dieser Form erreichen sie auch ihre höchste Dichte. Die Abwesenheit leichter Atomkerne im Brennstoff und eine hohe Dichte fördern ein hartes Neutronenspektrum und eine gute Neutronenökonomie, ein weiterer Vorteil ist die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Doch Metalle haben als Kernbrennstoff auch Nachteile: Sie dehnen sich zum Teil bei Phasenübergängen ihres Kristallgitters bei hoher Temperatur sprunghaft aus was die Brennelemente beschädigen kann- andererseits kann das auch ein sicherheitstechnischer Vorteil sein da die Reaktivität des Reaktors bei einer Ausdehnung des Brennstoffs bzw. Kerns sinkt, ein Effekt der etwa beim PRISM ausgenutzt wird. Metallischer Brennstoff kann aus diesem Grund bei Unfallszenarien problematisch sein und limitiert zudem die Betriebstemperatur entsprechender Reaktoren. Ein weiterer Nachteil speziell in Wassergekühlten Reaktoren ist der Umstand das die Metalle bei hohen Temperaturen in einer exothermischen Reaktion mit Wasser reagieren. Der Brennstoff wird dabei in Oxid umgewandelt und es kommt zur Bildung von Wasserstoff; auch das kann bei Reaktorunfällen problematisch sein. Ein Problem ist auch das Anschwellen des Brennstoffs bei zunehmendem Abbrand durch die Bildung von Spaltgasblasen. Je nach Konstruktion der Brennelemente kann dieses Verhalten den Abbrand verringern.

Neben reinem metallischen Kernbrennstoff kommen auch verschiedene Legierungen mit Metallen die keinen Brut- oder Spaltstoff darstellen als Brennstoff in Frage die bessere Eigenschaften als die Reinstoffe besitzen können, insbesondere im Bezug auf das Temperaturverhalten. Bedeutende Kernbrennstofflegierungen sind etwa Uran-Zirkonium, Uran-Plutonium-Zirkonium oder Uran-Molybdän.

Keramische Kernbrennstoffe

Um die Probleme des metallischen Kernbrennstoffs (Ausdehnung, Probleme mit hohen Temperaturen, Reaktion mit Wasser) zu vermeiden sind keramische Kernbrennstoffverbindungen eine Option. Zu nennen sind insbesondere Oxide, Nitride und Carbide, daneben wurden auch etwa Oxynitdide, Sulfide und Silizide, Uran-Zirkoniumhydrid sowie Mischungen verschiedener Verbindungen vorgschlagen.

Oxid

Oxidischer Kernbrennstoff lässt sich einfach herstellen, der Sauerstoff hat einen sehr niedrigen Neutroneneinfangquerschnitt und kaum langlebige radioaktive Aktivierungsprodukte, er hat einen sehr hohen Schmelzpunkt und zudem ist er sehr gut mit Wasser kompatibel was bei Hüllrohrdefekten und gröberen Kernschäden in wassergekühlten Reaktoren vorteilhaft ist. Aufgrund dieser Vorteile wird oxidischer Kernbrennstoff heute bei fast allen wassergekühlten Leistungsreaktoren und etlichen anderen Reaktortypen eingesetzt.

Oxidischer Kernbrennstoff in Pelletform
Bezeichnung Kürzel Zusammensetzung Bemerkung
Power Reactor Fuel PWR Uran Leicht Angereichert
Mischoxid MOX Uran und Plutonium Reaktorfähiger Brennstoff
Mischoxid 239 MOX239 Uran und Plutonium Waffenfähiger Brennstoff
Thorium-Mischoxid TMOX Thorium und Plutonium Plutonium Reaktorfähig
Thorium-Mischoxid 239 TMOX239 Thorium und Plutonium Plutonium Waffenfähig
Radkowsky Thoriumbrennstoff 239 RTF239 Plutonium Plutonium Waffenfähig

Flüssigbrennstoff

Neben Feststoffen können auch Flüssigkeiten als Kernbrennstoff dienen. Flüssige Kernbrennstoffe haben einige Vorteile gegenüber festen. Überhitzt der Brennstoff beginnt dehnen sich Flüssigkeiten etwa relativ stark aus und beginnen irgendwann zu sieden wodurch die Reaktivität des Reaktors stark und schnell abnimmt. Flüssiger Kernbrennstoff kann aus dem Kern abgelassen werden wodurch sich die Reaktivität steuern lässt. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit laufend Spaltprodukte abzutrennen und verbrannten Spaltstoff zu ergänzen außerdem können flüssige Kernbrennstoffe gleichzeitig auch als Kühlmittel dienen.

Flüssigbrennstoff hat aber auch Nachteile. Er ist etwa nicht in der Lage die Spaltprodukte zu binden. Viele mögliche flüssige Kernbrennstoffe sind zudem korrosiv und materialtechnisch anspruchsvoll.

Wässrige Lösung

Ein naheliegendes Konzept ist der Einsatz einer wässrigen Uransalzlösung als Kernbrennstoff und Kühlmittel. Dieses Konzept wurde bereits in den 1940er Jahren entwickelt und galt als sehr zukunftsträchtig, aufgrund diverser Probleme werden wässrige Uransalzlösungen heute aber nur in einzelnen Forschungsreaktoren als Brennstoff eingesetzt.

Flüssigmetall

Auch eine metallische Kernbrennstoffschmelze eignet sich als Brennstoff. Für einen möglichst niedrigen Schmelzpunkt kommen verschiedene Legierungen in Frage wie etwa Uran-Bismut oder Plutonium-Eisen.

Flüssigsalz

Salzschmelzen kommen ebenfalls als Kernbrennstoff in Frage. Zu nennen sind etwa Urantetrachlorid/Plutoniumtetrachlorid, oder Uran und/oder Thorium und/oder Plutonium als Lösung in geschmolzenem Lithium-Berylliumfluorid (FLiBe).

Schlamm

Auch kleine, meist keramische, Brennstoffpartikel die als "Schmlamm" mit einer Flüssigkeit (etwa Wasser) gemischt sind eignen sich als Kernbrennstoff oder Brutstoff. Im Vergleich zu reinen Flüssigkeiten lassen sich Schlämme aber schwerer Pumpen und eignen sich nur bedingt gleichzeitig als Kühlmittel. Auch ein Wirbelbett aus einem geringeren Anteil an Kernbrennstoffpartikeln in einem Kühlmittel ist möglich; ein Vorteil ist hier eine bessere Pumpbarkeit.

Gas- und Plasmaförmiger Brennstoff

Auch gasförmiger Kernbrennstoff ist eine Option. Ein Vorteil ist dabei das sich so extrem hohe Temperaturen erreichen lassen, Spaltprodukte lassen sich kontinuierlich abtrennen, durch die Ausdehnung des Gases bei höheren Temperaturen ist der Temperaturkoeffizient schnell und stark negativ und das fissionierende Kernbrennstoffgas bzw. Plasma sendet die bei der Kernspaltung entstehende Energie zum Teil in Form optischer Strahlung aus welche sich direkt für die Energiewandlung nutzen lässt.[2] Da Gaskernreaktoren technisch in vielerlei Hinsicht sehr anspruchsvoll und im Vergleich zu gängigen Reaktoren andersartig sind wurde aber bis heute kein Reaktor mit einem rein gasförmigen Reaktorkern betrieben auch wenn zahlreiche Experimente die prinzipielle Machbarkeit bestätigt haben.

Hexafluorid

Aufgrund ihrer niedrigen Siedepunkte kommen vor allem Uranhexafluorid und Plutoniumhexafluorid als gasförmige Kernbrennstoffe in Gaskernreaktoren diverser Bauarten in Frage.

Wirbelbett

Auch in einem Trägergas verteilter Kernbrennstoffstaub stellt eine Option dar.

Siedekern

Es wurde auch vorgeschlagen eine wässrige Uransalzlösung oder einen anderen Flüssigkernbrennstoff durch die bei der Kernspaltung entstehende Wärme in einem Reaktorkern kontinuierlich zu verdampfen.

Plasma

Auch Kernbrennstoffplasma stellt eine Option dar. Die erreichbaren Temperaturen sind dabei am höchsten.

Fusionsbrennstoff

In Kernfusionsreaktoren kommen hauptsächlich Deuterium und Tritium zum Einsatz. Helium, Lithium, Beryllium oder Bor wären ebenfalls möglich, erfordern aber höhere Temperaturen zur Fusion.

Einzelnachweise

  1. B. R. T. Frost-M. B. Waldron REAKTORWERKSTOFFE ISBN: 978-3-663-03984-6
  2. Karlheinz Thom: Der Gasphasenreaktor- Basis neuer Kerntechnologie ISBN: 3-88540-000-6

Weblinks