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Nachzerfallswärme

Nach Erlöschen der Kettenreaktion wird keine Energie mehr durch die kontrollierte Kernspaltung freigesetzt. Dennoch laufen mit dem weiterhin stattfindenden spontanen Zerfall des Urans und der Spaltprodukte noch kernphysikalische Prozesse in den Brennstäben des Reaktorkerns ab, die Energie erzeugen. Da bei jeder Kernspaltung radioaktive Spaltprodukte entstehen (bspw. Tellur-133, das weiter zu Jod-133 zerfällt) verändert sich im Laufe des Brennstoffabbrands allmählich die Zusammensetzung des radioaktiven Inventars in den Brennstäben. Während das Uran-235 durch die Kernspaltungen abnimmt, vermehrt sich die Menge der radioaktiven Spaltprodukte. Nach Abschalten des Reaktors und Erlöschen der Kettenreaktion zerfallen diese Spaltprodukte weiter durch den spontanen Zerfall. Die dabei noch freigesetzte Energie bezeichnet man als Nachzerfallswärme. Nach dem Abschalten des Reaktors wird sie noch in einer solchen Größenordnung freigesetzt, dass sie über spezielle Kühlsysteme abgeführt werden muss.  

Direkt nach Abschalten des Kernreaktors beträgt die Nachzerfallswärme noch etwa 6,5 % derjenigen Leistung, die vor Abschalten im Kernreaktor durch die Kettenreaktion der Kernspaltungen abgegeben wurde. Nach einer Minute beträgt sie noch etwa 3,2 %, nach einer Stunde noch ca. 1,6 % und nach einem Tag noch etwa 0,8 %. Bei einer thermischen Leistung von ca. 4000 MW im Leistungsbetrieb eines Kernreaktors entspricht dies direkt nach Abschaltung also noch einer Wärmeproduktion von 260 MW, nach einer Minute noch ca. 130 MW, nach einer Stunde noch etwa 65 MW und nach einem Tag noch ca. 32 MW.

Brennelementlagerbecken bzw. Abklingbecken

Üblicherweise wird einmal im Jahr etwa ein Drittel des Brennstoffinventars des Reaktorkerns gegen frischen Brennstoff ausgetauscht. Aufgrund der Nachzerfallswärme müssen die in den Brennelementen zusammengefassten Brennstäbe weiter gekühlt werden, was zunächst im sogenannten Brennelementlagerbecken geschieht. Dieses Becken ist mit Wasser gefüllt und die produzierte Nachzerfallswärme wird über die Kühlsysteme des Brennelementlagerbeckens abgeführt. Da die für die Nachzerfallswärme verantwortlichen Spaltprodukte in den Brennstäben der Brennelemente mit der Zeit in stabile Atome zerfallen, die selbst nicht mehr radioaktiv sind, nimmt die Radioaktivität der Brennelemente mit der Zeit allmählich ab. Aus diesem Grund wird das Brennelementlagerbecken auch als Abklingbecken bezeichnet.

Nach ca. fünf Jahren ist die Radioaktivität so weit abgeklungen, dass die Brennelemente nicht mehr mit Wasser gekühlt werden müssen und in sogenannte CASTOR®-Behälter umgeladen werden können. Sie produzieren weiterhin Wärme, aber in einer Größenordnung, die über die Kühlrippen der CASTOR®-Behälter an die Luft abgegeben werden kann. Die Höhe der produzierten Nachwärme spielt letztlich auch bei der Klassifizierung von radioaktivem Abfall eine Rolle, da sie Einfluss darauf hat, wie der Abfall gelagert werden kann.