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Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Kernbrennstoff

Kernbrennstoff

Kernbrennstoff ist das Material zur Erzeugung von Kernenergie. Es ist ein Material, das gespalten oder verschmolzen werden kann, je nachdem, ob es sich um eine Kernspaltung oder eine Kernfusion handelt.

Wir beziehen uns auf Kernbrennstoff sowohl auf das Material (Uran, Plutonium usw.) als auch auf das Set aus Kernmaterial (Brennstäbe, die Zusammensetzung von Kernmaterial und den Moderator oder eine andere Kombination).

Der am häufigsten verwendete Kernbrennstoff ist Uran, da er in Kernspaltungsreaktoren am besten geeignet ist. Derzeit sind alle in Produktion befindlichen Kernreaktoren zur Erzeugung elektrischer Energie Spaltung. 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 nicht ausreichend entwickelt, um in Kernkraftwerken eingesetzt zu werden.

Wofür wird Kernbrennstoff verwendet?

Ein Kernkraftwerk verwendet Kernbrennstoff, um den Reaktor anzutreiben.

Bei Verwendung in einem Reaktor können die verwendeten Brennstoffe verschiedene Formen haben: ein Metall, eine Legierung oder eine Art Oxid. Die meisten Kernreaktoren verwenden eine Verbindung aus Urandioxid.

Atome in Kernbrennstoffen werden durch den Prozess der Kernspaltung Stück für Stück getrennt. Bei jeder dieser Reaktionen wird das Material in andere Elemente umgewandelt, die Wärmeenergie freisetzen.

Diese Wärmeenergie wird verwendet, um Dampf zu erhalten und eine an einen Generator gekoppelte Turbine anzutreiben. Auf diese Weise erzeugt das Kernkraftwerk Strom.

Damit der Reaktor funktioniert, erreicht die im Reaktor vorhandene Kernbrennstoffmasse die sogenannte kritische Masse. Kritische Masse ist die Menge, die benötigt wird, um eine Kettenreaktion zu starten, die stabil autark ist.

Brennstäbe in einem Kernreaktor setzen

Der Kernbrennstoff wird in Stäben im Reaktor platziert. Das Auflegen auf Stangen bietet folgende Vorteile:

  • Es erleichtert den Transport.

  • Ermöglicht das Wechseln des Kraftstoffs mit dem Neutronenmoderator und den Steuerstäben.

  • Dies vereinfacht die Kraftstoffentnahme am Ende des Zyklus.

Das spaltbare Material sollte in einer geometrischen Anordnung angeordnet werden, die die Effizienz des Anstoßeffekts maximiert. Diese Anordnung muss die Notwendigkeit berücksichtigen, genügend Platz zu lassen, um den Neutronenmoderator einzufügen.

Während der Entwurfsphase eines Kernreaktors muss auch Platz für Steuerstäbe und Diagnosegeräte vorhanden sein.

Theoretisch wäre die ideale Form kugelförmig; Es wird jedoch eine zylindrische Form verwendet, die durch Kombinieren einer großen Anzahl von Stäben erhalten wird. Typischerweise hat ein Reaktorkern zwischen 150 und 250 Brennelemente.

Kernbrennstoffkreislauf

Der Kernbrennstoffkreislauf ist die Reihe von Vorgängen, die zur Herstellung von Brennstoff für Kernkraftwerke erforderlich sind. Zu den Zyklusvorgängen gehört auch die Behandlung abgebrannter Brennelemente.

Im Fall von Uran umfasst der geschlossene Kreislauf:

  • Der Abbau zur Gewinnung von natürlichem Uran. Derzeit wird fast das gesamte in den kommerziellen Reaktoren der USA verwendete Uran importiert.

  • Herstellung von Urankonzentraten.

  • Anreicherung von angereichertem Uran.

  • Herstellung von Brennelementen.

  • Die Verwendung von Brennstoff im Reaktor.

  • Die Wiederaufbereitung der bestrahlten Brennelemente zur Rückgewinnung des verbleibenden Urans und des erzeugten Plutoniums.

Das angereicherte Uran wird in einer Brennstoffherstellungsanlage in Urandioxidpulver umgewandelt. Dieses Pulver wird dann gepresst, um kleine Brennstoffpellets zu bilden. Schließlich werden die Pellets in dünne Metallrohre (Brennstäbe) eingeführt. Die Uranbrennstäbe sind zu Brennelementen zusammengefasst.

Erschöpfung und Ersatz von Kernbrennstoffen

Im Gegensatz zu herkömmlichen Brennstoffen (z. B. fossilen Brennstoffen) ist der in einem Kernreaktor verwendete Brennstoff sehr langsam. Einmal in den Reaktor geladen, dauert es in der Regel Jahre.

Andererseits sind Betankungsvorgänge erheblich komplizierter.

Im Gegensatz zu anderen Brennstoffen ist das Reaktionsprodukt (die sogenannte Schlacke) nicht dispergiert. Diese Produkte verbleiben hauptsächlich in den unmittelbar benachbarten Stäben oder Elementen.

Mit der Zeit werden Brennstäbe immer spaltbarer. Wenn die Stangen den Punkt erreichen, an dem es nicht mehr effizient ist, sie zu explodieren, müssen sie ersetzt werden.

Abhängig von der Geometrie des Reaktors kann ein Teil des Brennstoffs schneller als in anderen Regionen ausgehen: Im Allgemeinen geht der mittlere Teil schneller aus als der äußere Teil. Die Stangenkonfiguration ist nützlich, da nur die am meisten erschöpften Teile ausgetauscht werden können.

Die verbrauchten Stäbe sowie das Material in unmittelbarer Nähe sind stark radioaktiv geworden. Es ist wegen:

  • Das Vorhandensein von Spaltprodukten, die durch die Reaktionen erzeugt werden

  • Der Austritt von anderem Material, das während des Neutroneneinfangprozesses aktiviert werden kann

  • Infolge anderer ähnlicher Prozesse.

Die Entsorgung verbrauchter Stäbe ist daher der komplexeste Teil der Stilllegung der Kernreaktorschlacke.

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Erscheinungsdatum: 24. März 2015
Geändert am: 28. November 2022