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Brennelement

Bild: Areva/ Geofray YannBrennelemente enthalten den Kernbrennstoff, mit dem Kernkraftwerke betrieben werden. Dieser Kernbrennstoff besteht aus Stoffen, deren Atomkerne sich in einem physikalischen Prozess spalten lassen. Bei der Spaltung der Atomkerne wird Energie freigesetzt, die zunächst in Wärme und anschließend in elektrischen Strom umgewandelt wird.
In Form von Brennelementen kann der Kernbrennstoff in Kernkraftwerken zur Kernspaltung eingesetzt werden. Gleichzeitig gewährleistet ihr komplexer Aufbau, dass die Kernreaktionen in kontrollierter und effizienter Art und Weise ablaufen können und die entstehende Wärme an das umgebende Kühlmittel abgeführt werden kann.

Form und Struktur
Je nach Reaktortyp unterscheiden sich die Brennelemente in ihrem Aufbau. Für die in Deutschland verbreiteten Druckwasserreaktoren (DWR) bestehen sie aus einem Bündel von bis zu 300 Brennstäben. In ihnen ist der Brennstoff Uran in Form von hitzebeständigen Tabletten (Pellets) aus Urandioxid gasdicht und druckfest eingeschlossen ist. Der Anteil des spaltbaren Uran-235 kann bis zu 4,6 Gewichtsprozent betragen. Die Brennstäbe von sogenannten Mischoxid- oder MOX-Brennelementen enthalten zusätzlich Plutoniumdioxid als Spaltmaterial an Stelle des Uran-235.

Zwischen den auf einer quadratischen Grundfläche von etwa 23 x 23 cm verteilten Brennstäben können bei einem DWR-Brennelement zusätzlich bis zu 24 Führungsrohre für die Steuerstäbe des Reaktors angeordnet sein. Mitsamt Fuß-, Kopfstück und Abstandshaltern, die der mechanischen Stabilität, Handhabbarkeit und Befestigung im Reaktor dienen, ist ein solches DWR-Brennelement knapp fünf Meter lang und wiegt rund 800 kg. Im sogenannten Reaktorkern eines modernen DWR befinden sich knapp 200 Brennelemente.

Ver- und Entsorgung
Brennelemente werden in dafür spezialisierten kerntechnischen Anlagen gefertigt. Auch in Deutschland gibt es eine Fabrik zur Herstellung von Uran-Brennelementen. Der Einsatz der Brennelemente in Kernkraftwerken dauert in der Regel vier Jahre. Nach etwa einem Jahr Betriebszeit wird ein Viertel der Kernbeladung durch frische Brennelemente ersetzt.

Im Gegensatz zu neuen, noch nicht im Reaktor eingesetzten Brennelementen sind „bestrahlte“ bzw. ausgediente Brennelemente hochradioaktiv und wärmeentwickelnd. Sie müssen daher entsprechend gehandhabt und entsorgt werden: Nach dem Einsatz werden sie zunächst in einem Abklingbecken im Kernkraftwerk zur ‚Nachkühlung‘ gelagert. Die Dauer der erforderlichen Nachkühlzeit im Abklingbecken hängt von der Dauer des Reaktoreinsatzes ab. Sie beträgt heute ca. 5 Jahre. Danach werden die Brennelemente in Deutschland in speziellen Behältern – z. B. den sogenannten CASTOR-Behältern – in Zwischenlagern auf dem Kraftwerksgelände aufbewahrt. Dort kann die Nachzerfallswärme weiter abklingen. Abschließend sollen sie in einem Endlager für hochradioaktive, wärmeentwickelnde Abfälle eingelagert werden.