Brennstab

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Bei der Kernspaltung entstehen aus den Atomen Uran oder Plutonium unterschiedliche Radionuklide (Spaltprodukte). Diese radioaktiven Spaltprodukte können sich erheblich in ihrer Halbwertszeit unterscheiden. Die Halbwertszeit kann von wenigen Sekundenbruchteilen bis zu mehreren Milliarden Jahren reichen. Während des Betriebes eines KKW finden ständig Kernreaktionen statt, bei denen sowohl kurzlebige als auch langlebige Spaltprodukte erzeugt werden.                                 

Zusammensetzung der Spaltprodukte im Spaltgasraum und den PelletsBei einem Brennstab unterscheidet man zwischen den Pellets, in denen der Kernbrennstoff enthalten ist und dem Spaltgasraum, der dazu dient, die bei der Kernspaltung erzeugten Spaltgase aufzunehmen. Typische Spaltprodukte, die sich dort sammeln sind u. a. Cäsium-137 (Cs-137), Jod-131 (I-131) und Edelgase. Cäsium-137 hat eine Halbwertszeit von etwa 30 Jahren und Jod-131 hat eine Halbwertszeit von etwa 8 Tagen. Daher ist direkt nach dem Abschalten eines Kernreaktors zunächst der Anteil von Jod-131 größer, als derjenige von Cäsium-137; aber bereits einige Wochen später ist der Anteil von Jod-131 geringer als der des Cäsiums-137.

 

Einige Spaltprodukte sind so kurzlebig, dass sie bereits wenige Tage nach Abschalten des Reaktors komplett zerfallen sind. Bedingt durch die unterschiedlichen Halbwertzeiten ändert sich die Zusammensetzung der Spaltprodukte. Zum Beispiel ist Jod-134 mit einer Halbwertszeit von 52 Minuten nicht mehr in solchen Brennelementen enthalten, die mehr als einige Tage im Lagerbecken gestanden haben. Die Zusammensetzung der Spaltprodukte im Spaltgasraum und den Pellets ist in der Abbildung beispielhaft dargestellt.

Einige Spaltprodukte sind bei den vorherrschenden Temperaturen gasförmig. Diese können bei Hüllrohrschäden freigesetzt werden. Andere wiederum können erst bei höheren Temperaturen, z. B. bei einem Brand oder einer Kernschmelze austreten.
Die Wirkung einzelner Spaltprodukte ist aus radiologischer Sicht unterschiedlich zu bewerten. Beispielsweise reichert sich Jod-131 in der Schilddrüse an und kann dort zu hohen Strahlenbelastungen und damit zu Schädigungen des Organs führen. Edelgase (z. B. Xenon-133) können sich auf Grund ihrer chemischen Eigenschaften weder in der Nahrung noch im menschlichen Organismus anreichern. Obwohl sie bei der Spaltung in großer Menge entstehen, sind sie also vor allem durch ihre direkte Strahlung gefährlich.

 

Brennstabhüllrohr

Brennelement (Quelle: Areva)

Der Kernbrennstoff befindet sich in sogenannten Brennelementen. Jedes Brennelement besteht aus einer Vielzahl von Brennstäben. Der Kern eines typischen Siedewasserreaktors kann sich aus mehreren hundert Brennelementen mit jeweils etwa 60 Brennstäben zusammensetzen.

Diese Brennstäbe wiederum bestehen aus einem Metallrohr, dem sogenannten Hüllrohr, und dem darin befindlichen Brennstoff. Das Hüllrohr selbst besteht in der Mehrzahl der Fälle aus einer Legierung des Metalls Zirkonium (ca. 90%) und weiteren Metallen wie Zinn, Eisen, Chrom, Nickel oder Niob ("Zirkalloy").  Übliche Hüllrohre sind 3-4 m lang, mit einem Durchmesser von gut einem Zentimeter.

In den Hüllrohren befindet sich der Kernbrennstoff in Form von zylinderförmigen Tabletten ("Pellets"), die etwa einen Zentimeter Durchmesser besitzen und etwa ebenso hoch sind.

Brennstäbe (Quelle: IAEO)

Das Hüllrohr ist jedoch nicht vollständig mit diesen Pellets befüllt. Am oberen Ende befindet sich ein freigelassener Zwischenraum ("Spaltgasraum"), der etwa 20 cm lang ist. Dort sammeln sich während des Reaktorbetriebs gasförmige Stoffe an, die bei der Kernspaltung entstehen.

Dies sind z. B. Edelgase und Jod, aber auch Elemente wie Cäsium, die nur bei höheren Temperaturen gasförmig sind. Das Hüllrohr ist dicht und darauf ausgelegt, den während des Betriebs immer höher werdenden Druck dieser Gase auszuhalten.