Kernbrennstoff ist das Material, das zur Erzeugung von Kernenergie verwendet wird. Es handelt sich um ein Material, das gespalten oder fusioniert werden kann, je nachdem, ob es sich um Kernspaltung oder Kernfusion handelt.
Unter Kernbrennstoff versteht man sowohl das Material (Uran, Plutonium...) als auch die aus diesem Kernmaterial hergestellte Anordnung (Brennstäbe, Zusammensetzungen aus Kernmaterial und Moderator oder jede andere Kombination).
Der am häufigsten verwendete Kernbrennstoff ist Uran, da es für Kernspaltungsreaktoren am besten geeignet ist. Derzeit sind alle in Produktion befindlichen Kernreaktoren zur Erzeugung elektrischer Energie Kernspaltungsreaktoren. Auf einer anderen Ebene wird Plutonium auch als Kernbrennstoff verwendet.
Tritium und Deuterium sind leichte Wasserstoffisotope, die im Kernfusionsprozess verwendet werden. Die Kernfusion ist derzeit noch nicht weit genug entwickelt, um in Kernkraftwerken eingesetzt zu werden.
Wofür wird Kernbrennstoff verwendet?
Ein Kernkraftwerk nutzt Kernbrennstoff, um den Reaktor anzutreiben.
Die Atome des Kernbrennstoffs werden durch den Prozess der Kernspaltung nach und nach getrennt. Bei jeder dieser Reaktionen wird das Material in andere Elemente umgewandelt und dabei Wärmeenergie freigesetzt.
Diese Wärmeenergie wird verwendet, um Dampf zu erzeugen und eine Turbine anzutreiben, die an einen Wechselstromgenerator gekoppelt ist. Auf diese Weise erzeugt das Kernkraftwerk Strom.
Damit der Reaktor funktioniert, muss die im Reaktor vorhandene Kernbrennstoffmasse die sogenannte kritische Masse erreichen . Die kritische Masse ist die Menge, die benötigt wird, um eine Kettenreaktion auszulösen, die sich stabil selbst trägt.
Anordnung von Brennstäben in einem Kernreaktor
Der Kernbrennstoff wird in Stäben im Inneren des Reaktors platziert. Die Verlegung auf Stäben bietet folgende Vorteile:
- Erleichtert den Transport.
- Ermöglicht den Wechsel des Brennstoffs mit dem Neutronenmoderator und den Steuerstäben.
- Vereinfacht die Kraftstoffentnahme am Ende des Zyklus.
Das spaltbare Material muss in einer geometrischen Anordnung platziert werden, die die Effizienz des Ketteneffekts maximiert. Bei dieser Anordnung muss die Notwendigkeit berücksichtigt werden, ausreichend Platz zum Einsetzen des Neutronenmoderators zu lassen.
Während der Entwurfsphase eines Kernreaktors muss auch Platz für Steuerstäbe und Diagnosegeräte geschaffen werden.
Theoretisch wäre die ideale Form kugelförmig; Es wird jedoch eine zylindrische Form verwendet, die durch die Kombination einer großen Anzahl von Stäben entsteht.
Kernbrennstoffkreislauf
Der Kernbrennstoffkreislauf ist eine Reihe von Vorgängen, die zur Herstellung von Brennstoffen für Kernkraftwerke erforderlich sind. Zu den Kreislaufvorgängen gehört auch die Nachbehandlung abgebrannter Brennelemente.
Im Falle von Uran umfasst der geschlossene Kreislauf:
- Bergbau zur Gewinnung von natürlichem Uran.
- Herstellung von Urankonzentraten.
- Gewinnung von angereichertem Uran (Urananreicherung).
- Herstellung von Brennelementen.
- Die Verwendung von Brennstoff im Reaktor.
- Die Wiederaufbereitung bestrahlter Brennelemente zur Rückgewinnung des verbleibenden Urans und des erzeugten Plutoniums.
Diese Aufgaben können von einem nationalen oder internationalen Unternehmen mit entsprechender Qualitätskontrolle durchgeführt werden.
Erschöpfung und Ersatz von Kernbrennstoffen
Im Gegensatz zu herkömmlichen Brennstoffen (z. B. fossilen Brennstoffen) ist der Brennstoffverbrauch in einem Kernreaktor sehr langsam. Einmal in den Reaktor geladen, ist es in der Regel jahrelang haltbar.
Andererseits sind Betankungsvorgänge deutlich komplexer.
Anders als bei anderen Brennstoffarten wird das Reaktionsprodukt (die sogenannte Schlacke) nicht dispergiert. Diese Produkte verbleiben hauptsächlich in den Stäben selbst oder unmittelbar angrenzenden Elementen.
Mit der Zeit werden Brennstäbe immer armer an spaltbarem Material. Wenn die Stäbe den Punkt erreichen, an dem sie nicht mehr effizient genutzt werden können, müssen sie ersetzt werden.
Abhängig von der Geometrie des Reaktors kann es vorkommen, dass ein Teil des Brennstoffs schneller ausgeht als andere Teile: Normalerweise geht der mittlere Teil schneller aus als der äußere Teil. Die Stangenkonfiguration ist in diesem Fall nützlich, da nur die am stärksten abgenutzten Teile ausgetauscht werden können.
Die verbrauchten Stäbe sowie das Material in der unmittelbaren Umgebung sind aufgrund der Anwesenheit von Spaltprodukten, die durch die Reaktionen entstehen, sowie anderen Materialien, die während des Neutroneneinfangprozesses oder infolge ähnlicher Ereignisse aktiviert werden können, stark radioaktiv geworden Prozesse.
Die Entsorgung verbrauchter Stäbe ist daher der komplexeste Teil des Abbaus von Kernreaktorschlacken.
Sicherheit und Kontrolle von Kernbrennstoffen
Der Umgang mit Kernbrennstoffen erfordert aufgrund der radioaktiven Natur der beteiligten Materialien strenge Sicherheitsprotokolle. Beim Transport, der Lagerung und dem Umgang mit Kraftstoff werden verschiedene Maßnahmen ergriffen, um sowohl die Arbeitnehmer als auch die Umwelt vor Strahlung zu schützen.
Kernreaktoren sind mit redundanten Sicherheitssystemen ausgestattet, um Unfälle zu verhindern. Dazu gehört der Bau robuster Sicherheitsbehälter, effizienter Kühlsysteme und Notabschaltmechanismen, die bei Anomalien die Kernreaktion stoppen.
Darüber hinaus unterliegen Kernkraftwerke strengen Qualitätskontrollen und Betriebsabläufen, die regelmäßig von internationalen Regulierungsbehörden überprüft werden. Auch die Entsorgung radioaktiver Abfälle ist von wesentlicher Bedeutung, mit dem Ziel, diese sicher zu lagern und die Freisetzung gefährlicher Stoffe in die Umwelt zu vermeiden.
Vergleich mit anderen Kraftstoffen
Kernbrennstoffe werden mit anderen Energiequellen vor allem hinsichtlich ihrer Effizienz und ihrer Umweltauswirkungen verglichen.
- Effizienz : Kernenergie hat eine hohe Energiedichte. Eine kleine Menge Kernmaterial kann eine große Menge Energie erzeugen, was es im Vergleich zu fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Erdgas zu einer sehr effizienten Quelle macht. Denn bei der Kernspaltung wird pro Masseneinheit millionenfach mehr Energie freigesetzt als bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe.
- Emissionen : Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen stößt die Kernenergie bei der Stromerzeugung keine Treibhausgase aus, was sie zu einer attraktiven Option zur Reduzierung der CO2-Emissionen macht. Allerdings ist die Entsorgung radioaktiver Abfälle eine große Herausforderung. Atommüll ist hoch radioaktiv und muss über Tausende von Jahren sorgfältig entsorgt werden, was auf lange Sicht Kosten und Bedenken mit sich bringt.
- Umweltauswirkungen : Im Hinblick auf die Umweltauswirkungen hat die Kernenergie im Vergleich zu Kohle- oder Gaskraftwerken, die große Mengen Kohlendioxid und andere Schadstoffe ausstoßen, den Vorteil, dass sie Strom sehr sauber erzeugt. Allerdings haben der Uranbergbau und die Entsorgung nuklearer Abfälle gewisse Auswirkungen, auch wenn diese im Vergleich zu fossilen Brennstoffen deutlich geringer sind.
- Kosten : Der Bau von Kernkraftwerken erfordert große Anfangsinvestitionen, und auch die Betriebs- und Wartungskosten können hoch sein, vor allem aufgrund strenger Sicherheitsstandards und Abfallentsorgung. Sobald ein Kernkraftwerk jedoch in Betrieb ist, sind die Kosten für die Stromerzeugung relativ niedrig.
- Nachhaltigkeit : Kernenergie ist eine kohlenstoffarme Energiequelle und kann theoretisch nachhaltig sein, wenn die Ressourcen richtig verwaltet werden, obwohl die Verfügbarkeit von Uran und anderen spaltbaren Materialien die langfristige Nachhaltigkeit einschränken könnte. Da sich erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind weiterentwickeln und wettbewerbsfähiger werden, bleibt Kernenergie eine Option, doch ihre Rolle im globalen Energiemix könnte sich ändern.