Brennelement

Brennelemente für Druckwasserreaktoren bestehen aus einem Bündel einzelner Brennstäbe, zwischen denen außerdem Führungsrohre für die von oben eingeführten Steuerstäbe sind. Ein solches Brennelement kann beispielsweise aus 236 Brennstäben und 20 Steuerstabführungsrohren in 16×16-Anordnung bestehen. Die Steuerstäbe des Steuerelements werden durch eine Spinne zusammengehalten und sind über den Querschnitt des Brennelements verteilt. Die Hüllrohre der Brennstäbe bestehen aus der Zirconium-Legierung Zirkalloy-4. Die Anreicherung des Brennstoffs beträgt etwa 3–4 %.

Brennelemente für Siedewasserreaktoren bestehen ebenfalls aus einem Brennstabbündel, die Zahl der Brennstäbe pro Brennelement ist jedoch deutlich geringer (z. B. 63 Brennstäbe und ein sog. Wasserstab in 8x8-Anordnung)[1].

Ein das Brennelement umschließender Kasten aus Zirkalloy bildet den Kühlkanal. Die Kästen von jeweils mehreren Brennelementen bilden den Führungskanal für einen von unten kommenden Steuerstab mit kreuzförmigem Querschnitt. Die Hüllrohre der Brennstäbe bestehen aus Zirkalloy-2. Die Anreicherung des Brennstoffs entspricht etwa der bei Druckwasserreaktoren.

Beispiele:

1. In dem Kernkraftwerk Biblis (Druckwasserreaktor) befinden sich in einem Reaktor 193 Brennelemente, von denen jedes aus 236 Brennstäben besteht. Jedes Brennelement hat eine Länge von 4905 mm, einen Querschnitt von 230 mm mal 230 mm und ein Gewicht von 830 kg.[2]
2. In dem Reaktor des Kernkraftwerkes Krümmel (Siedewasserreaktor) befinden sich 840 Brennelemente.[2]

Brennelement des Kugelhaufenreaktors

Die Brennelemente des Hochtemperaturreaktors vom Typ Kugelhaufenreaktor nach Farrington Daniels bestehen aus Graphitkugeln von etwa 6 cm Durchmesser, in denen der Brennstoff in Form vieler kleiner Kügelchen aus Uran-Thorium-Oxid eingelassen ist, etwa 15.000 Kügelchen pro Kugelbrennelement mit einer Leistung von etwa 0,2 Watt pro Kügelchen. Jedes Kügelchen ist für sich mit einer keramischen Barriere umhüllt (so genannte coated particles, siehe Pac-Kügelchen). Laut Rudolf Schulten wirken die keramischen Umhüllungen der Kügelchen wie Mini-Containments, in denen Spaltstoff und Spaltprodukte in Mini-Mengen gepackt sind. Diese Umhüllung der Brennstoffkügelchen ist sehr widerstandsfähig gegenüber Temperaturbelastungen und hält auch bei hohen Temperaturen Schwermetalle und Edelgase zurück. Die Abfuhr der Nachzerfallswärme aus den Kugelbrennelementen erfolgt durch Strahlung und Leitung. Die robusten Kugelbrennelemente und deren bedarfsgerecht dimensionierte Anordnung sind wichtige Bausteine der Sicherheitsarchitektur des Kugelhaufenreaktors.[3] Schulten verwies ab Mitte der 1980er Jahre auf das Potenzial des Kugelhaufenreaktors, die kernenergetisch abgebrannten Kugelbrennelemente ohne Zerlegung, d. h. in Gänze endzulagern, um so die Sicherheitsrisiken der physikalisch-chemischen Behandlung großer radioaktiver Mengen in Großanlagen der Wiederaufbereitung zu vermeiden. Schulten vertrat die Ansicht, dass die Graphitkugeln mit ihren keramisch umhüllten Brennstoffpartikeln wegen deren Festigkeit und Dichtigkeit eine Endlagerung in großen, geologischen Tiefen von etlichen 1000 Metern ohne Behandlung zulassen. Die Größe der Graphitkugeln ist nicht nur bestimmt durch ihre Funktion als Träger des Brennstoffs, sondern zusätzlich auch durch ihre Aufgabe als Moderator. Diese Kombination von Brennstoffträger und Moderator führt zu Volumina, die aus Gründen der Wirtschaftlichkeit unvorteilhaft für die direkte Endlagerung sein können. An der Entwicklung der Brennelemente waren staatliche Institutionen und Unternehmen aus Großbritannien, Schweden, den Niederlanden, Belgien, Frankreich, Italien, der Schweiz und Deutschland beteiligt, wesentlich gefördert durch Euratom. Die Brennelemente kamen zum Einsatz bei den Kugelhaufenreaktoren AVR in Jülich und THTR in Hamm-Uentrop, die beide seit 1988 stillgelegt sind. Auf diverse Probleme wies Rainer Moormann hin: Dazu gehören die Freisetzung einiger hochtoxischer Spaltprodukte wie Silber und Cäsium durch Diffusion und die Bildung von Stäuben durch den Abrieb der Graphitkugeln.[4] Als weitere Sicherheitsprobleme müssen die Brennbarkeit der Graphitkugeln und ihre hohe Reaktionsfähigkeit mit Wasserdampf unter Bildung brennbarer Gase gesehen werden.[4] In Europa wurde die Brennelemententwicklung für HTR ca. 1990 weitestgehend beendet. Auch die Entwicklung in Südafrika wurde 2010 eingestellt. Eine begrenzte Weiterentwicklung erfolgt in China, unter Berücksichtigung der an AVR und THTR gemachten Erfahrungen im Sinne der Behebung der dort identifizierten Probleme.

Der Brennstoff in den bisher verwirklichten Anlagen war überwiegend hoch angereichert. Das Uran ist in diesen Brennelementen der Spaltstoff (Anreicherung auf ca. 93 %), und Thorium ist der Brutstoff, aus dem im Betrieb ²³³U als weiterer Spaltstoff entsteht. Diese Brennelemente sind nicht unmittelbar waffenfähig, da sie nur zu ca. 10 % aus Uran und zu 90 % aus Thorium bestehen. Allerdings lässt sich das hochwaffenfähige Uran chemisch abtrennen. Wegen dieses Proliferationsrisikos musste ab ca. 1980 schrittweise auf niedrig angereicherten Brennstoff umgestellt werden.

In anderen Hochtemperaturreaktoren (in England und USA) wurden als kantige (prismatische) Stäbe geformte Brennelemente verwendet. Das Brennstoffmaterial enthielt teilweise ebenfalls Thorium und war ähnlich aus Graphit und coated particles aufgebaut.