Brennelemente

Brennelemente sind die kerntechnischen Bauteile, in denen der Brennstoff eines Kernreaktors enthalten ist. In Leichtwasserreaktoren bestehen Brennelemente typischerweise aus Uranoxid-Pellets, die in eine korrosionsbeständige Hüllrohr aus Zircaloy eingeschlossen sind. Mehrere Brennstäbe werden zu einer Brennelemente-Einheit zusammengefügt, und diese Baugruppen werden im Reaktorkern so angeordnet, dass sie den Kernreaktionsprozess effizient unterstützen.

Der Brennstoff besteht überwiegend aus Uranoxid (UO2). Die Uran-235-Anreicherung liegt in kommerziellen Leichtwasserreaktoren meist im Bereich von etwa 3 bis 5 Prozent; in MOX-Brennelementen kann auch Plutonium enthalten sein. Um die Reaktivität zu Beginn des Einsatzes zu steuern, können zusätzlich Brennstoffe wie Gadolinia als Burnable Poison eingesetzt werden. Pellets werden hergestellt, gesintert und in Röhren eingeschoben; mehrere Röhren bilden zusammen ein Brennelement, und Brennelemente werden in Brennstoffbaustrukturen im Reaktorkern fixiert.

Im Betrieb liefern die Brennelemente die benötigte Wärme durch die Spaltung von Uran-235. Das Wärmeabfuhr erfolgt durch das Kühlsystem des Reaktors; der Reaktortyp (z. B. PWR oder BWR) beeinflusst Kühl- und Moderationsprozesse. Die Aufenthaltsdauer eines Brennelements im Reaktor wird durch den sogenannten Burnup bestimmt, üblicherweise im Bereich von einigen zehn bis über sechzig GWd/tU. Nach dem Einsatz werden Brennelemente als Spent Fuel gelagert; in einigen Ländern wird Recycling betrieben, um Uran und Plutonium zu recyceln und MOX-Brennstoffe herzustellen, während andere Endlagerung anstreben.