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Kernbrennstoff

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In Reaktoren zur Stromerzeugung, aber auch in Forschungsreaktoren werden zum Betrieb spaltbare Materialien − sogenannte Kernbrennstoffe − eingesetzt. Dabei handelt es sich in der Regel um Uran-235, teilweise wird in Mischoxid-Brennelementen auch Plutonium-239 verwendet. Brennelemente von Leichtwasserreaktoren enthalten 3 bis 5 % des Kernbrennstoffs Uran-235. Den restlichen Anteil bildet das mit thermischen Neutronen nicht spaltbare Uran-238.

Sicherer Umgang mit Kernbrennstoff – von der Anreicherung bis zur Endlagerung
Im Arbeitsfeld Strahlen- und Umweltschutz befasst sich die GRS mit grundlegenden Sicherheitsfragen im Umgang mit Kernbrennstoffen außerhalb von Kernreaktoren, d. h. von der Uran-Anreicherung und der Herstellung von Brennelementen über die Zwischenlagerung ausgedienter Brennelemente bis hin zu deren Endlagerung. Mit ihrer Expertise auf diesem Fachgebiet unterstützt und berät die GRS das Bundesumweltministerium (BMUB) zu sicherheitstechnischen Fragestellungen. Bei der Ver- und Entsorgung wirkt sie auf nationaler und internationaler Ebene an der Weiterentwicklung des einschlägigen Regelwerks mit und berät ausländische Behörden. Die zugehörigen Arbeiten umfassen ein breites Themenspektrum.

Herstellung von Kernbrennstoff durch Anreicherung von Uran-235 in Gaszentrifugen (Quelle: Urenco)Kritikalität
Eine wesentliche Anforderung an die Sicherheit beim Umgang mit Kernbrennstoffen ist es, sogenannte Kritikalitätsstörfälle zu vermeiden. Zu einem Kritikalitätsstörfall kann es kommen, wenn beim Umgang – also etwa bei der Verarbeitung von angereichertem Uran, aber auch bei der Zwischen- und Endlagerung ausgedienter Brennelemente – die kritische Masse eines Kernbrennstoffs erreicht oder überschritten wird. In diesem Fall kommt es zu einer nuklearen Kettenreaktion, bei der hohe Energie in Form von Strahlung und Wärme freigesetzt wird. Die GRS untersucht Fragestellungen zur Kritikalität, wertet entsprechende Erfahrungen aus dem Betrieb kerntechnischer Anlagen aus und führt Störfallanalysen durch. Die Ergebnisse dieser Arbeiten werden unter anderem im „Handbuch zur Kritikalität“ zur Verfügung gestellt, das die GRS seit 1979 herausgibt und fortlaufend überarbeitet. Das Handbuch enthält eine Zusammenstellung von grundlegenden Informationen zur Kritikalitätssicherheit beim Umgang mit Kernbrennstoff und von Daten zur Kritikalität für verschiedene Kernbrennstoffe.

Abbrand
Für die Analyse der Kritikalitätssicherheit von bestrahltem Kernbrennstoff ist es wichtig, die Zusammensetzung der Radionuklide im Brennstoff möglichst genau zu kennen. Diese Zusammensetzung ändert sich während des Einsatzes eines Brennelements in einem Reaktor: Durch den Prozess der Kernspaltung entstehen neue Radionuklide, die sogenannten Spaltprodukte. Die Kenntnis der Zusammensetzung der Radionuklide in einem Brennelement ist auch die Voraussetzung dafür, Art und Höhe der von diesem Brennelement ausgehenden radioaktiven Strahlung zu ermitteln.

Abschirmung und Aktivierung
Neben den Arbeiten zur Kritikalitätssicherheit befasst sich die GRS im Fachgebiet Kernbrennstoff mit Fragen zur Abschirmung strahlender Kernbrennstoffe und mit der sogenannten Aktivierung von Werkstoffen. Unter Aktivierung wird die Erzeugung von radioaktiven Stoffen durch die Bestrahlung mit Neutronen verstanden, die z. B. in einem Kernreaktor entstehen. Anders als bei der Kontamination, bei der sich radioaktive Stoffe an der Oberfläche von Werkstoffen anlagern, verändert sich bei der Aktivierung der Werkstoff selbst. Dies führt dazu, dass in Folge der Aktivierung der Werkstoff – beispielsweise der Stahl eines Reaktordruckbehälters (RDB) – auch nach einer Dekontamination radioaktive Strahlung abgibt. Die GRS untersucht unter anderem, welcher Neutronenstrahlung Komponenten – wie ein RDB – während ihrer Lebensdauer ausgesetzt sind und welche Aktivierung dies zur Folge hat. Diese Erkenntnisse ermöglichen es beispielsweise zu ermitteln, wie lange die sogenannte Abklinglagerung eines RDB nach der Stilllegung eines Kernkraftwerks dauern müsste, bevor er ohne größere Abschirmmaßnahmen zerlegt werden kann.

Mengenbilanzen
Bei den Arbeiten der GRS zu Mengenbilanzen geht es um die Entwicklung von Methoden, die eine genaue Nachverfolgung und Dokumentation der in Deutschland genutzten Kernbrennstoffe – d. h. beispielsweise sowohl in Form von Uran während der Anreicherung und der Herstellung von Brennelementen als auch in Form ausgedienter Brennelemente – ermöglichen. Die dabei erhobenen Daten bilden unter anderem die Grundlage für die Entsorgungsnachweise, die Betreiber von Kernkraftwerken zu erbringen haben.

In allen genannten Themengebieten stellen die Entwicklung, die Pflege und die Validierung von Rechenprogrammen einen wesentlichen Bestandteil der Arbeiten der GRS dar. Gleiches gilt für die Weiterentwicklung von Datenbibliotheken, in denen die für die Untersuchung vielfältiger Fragestellungen erforderlichen Basisdaten für unterschiedliche Kernbrennstoffe zusammengefasst werden.