Herzlich willkommen in der Nucleopedia! Hierbei handelt es sich um eine freie Enzyklopädie, die sich auf den Bereich der Kernenergie spezialisiert hat. Die Inhalte sind frei verfügbar und unter Lizenz frei verwendbar. Auch Sie können zum Inhalt jederzeit beitragen, indem Sie als Benutzer den Seiteninhalt verbessern, erweitern oder neue Artikel erstellen.
Vielen Dank für Ihre Unterstützung an dem Projekt!

Benutzerkonto beantragen  Benutzerkonto anfordern

Brennstoff: Unterschied zwischen den Versionen

Aus Nucleopedia
Wechseln zu: Navigation, Suche
(Spaltbrennstoff)
(Aggregatzustand)
Zeile 12: Zeile 12:
 
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.
 
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.
  
===Aggregatzustand===
+
===Chemische Einteilung der Kernspaltungsbrennstoffe===
 +
Neben der Isotopenzusammensetzung des Spalt- und Brutmaterials lassen sich Kernbrennstoffe auch anhand ihrer chemischen Zusammensetzung und des physikalischen Aggregatzustands charakterisieren.
  
====Feststoff====
+
====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.
  
=====Chemische Zusammensetzung=====
+
=====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.
  
 +
=====Keramische Kernbrennstoffe=====
 +
 
======Oxid======
 
======Oxid======
 
[[Datei:Nuclear fuel pellets.jpeg|miniatur|Kernbrennstoff]]
 
[[Datei:Nuclear fuel pellets.jpeg|miniatur|Kernbrennstoff]]

Version vom 4. August 2016, 03:21 Uhr

Als Brennstoff 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.

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.

Keramische Kernbrennstoffe
Oxid
Kernbrennstoff
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

Wässrige Lösung
Flüssigmetall
Flüssigsalz
Schlamm

Gas- und Plasmaförmiger Brennstoff

Hexafluorid
Schwebebett
Plasma

Fusionsbrennstoff

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

Weblinks