Brennelemente enthalten den Kernbrennstoff, mit dem Kernkraftwerke betrieben werden. Dieser Kernbrennstoff besteht aus Stoffen, deren Atomkerne sich in einem physikalischen Prozess spalten lassen. Bei der Spaltung der Atomkerne wird Energie freigesetzt, die zunächst in Wärme und anschließend in elektrischen Strom umgewandelt wird.
In Form von Brennelementen kann der Kernbrennstoff in Kernkraftwerken zur Kernspaltung eingesetzt werden. Gleichzeitig gewährleistet ihr komplexer Aufbau, dass die Kernreaktionen in kontrollierter und effizienter Art und Weise ablaufen können und die entstehende Wärme an das umgebende Kühlmittel abgeführt werden kann.

Form und Struktur
Je nach Reaktortyp unterscheiden sich die Brennelemente in ihrem Aufbau. Für die in Deutschland verbreiteten Druckwasserreaktoren (DWR) bestehen sie aus einem Bündel von bis zu 300 Brennstäben. In ihnen ist der Brennstoff Uran in Form von hitzebeständigen Tabletten (Pellets) aus Urandioxid gasdicht und druckfest eingeschlossen ist. Der Anteil des spaltbaren Uran-235 kann bis zu 4,6 Gewichtsprozent betragen. Die Brennstäbe von sogenannten Mischoxid- oder MOX-Brennelementen enthalten zusätzlich Plutoniumdioxid als Spaltmaterial an Stelle des Uran-235.

Zwischen den auf einer quadratischen Grundfläche von etwa 23 x 23 cm verteilten Brennstäben können bei einem DWR-Brennelement zusätzlich bis zu 24 Führungsrohre für die Steuerstäbe des Reaktors angeordnet sein. Mitsamt Fuß-, Kopfstück und Abstandshaltern, die der mechanischen Stabilität, Handhabbarkeit und Befestigung im Reaktor dienen, ist ein solches DWR-Brennelement knapp fünf Meter lang und wiegt rund 800 kg. Im sogenannten Reaktorkern eines modernen DWR befinden sich knapp 200 Brennelemente.

Ver- und Entsorgung
Brennelemente werden in dafür spezialisierten kerntechnischen Anlagen gefertigt. Auch in Deutschland gibt es eine Fabrik zur Herstellung von Uran-Brennelementen. Der Einsatz der Brennelemente in Kernkraftwerken dauert in der Regel vier Jahre. Nach etwa einem Jahr Betriebszeit wird ein Viertel der Kernbeladung durch frische Brennelemente ersetzt.

Im Gegensatz zu neuen, noch nicht im Reaktor eingesetzten Brennelementen sind „bestrahlte“ bzw. ausgediente Brennelemente hochradioaktiv und wärmeentwickelnd. Sie müssen daher entsprechend gehandhabt und entsorgt werden: Nach dem Einsatz werden sie zunächst in einem Abklingbecken im Kernkraftwerk zur ‚Nachkühlung‘ gelagert. Die Dauer der erforderlichen Nachkühlzeit im Abklingbecken hängt von der Dauer des Reaktoreinsatzes ab. Sie beträgt heute ca. 5 Jahre. Danach werden die Brennelemente in Deutschland in speziellen Behältern – z. B. den sogenannten CASTOR-Behältern – in Zwischenlagern auf dem Kraftwerksgelände aufbewahrt. Dort kann die Nachzerfallswärme weiter abklingen. Abschließend sollen sie in einem Endlager für hochradioaktive, wärmeentwickelnde Abfälle eingelagert werden.

Das Thema Brennelement in der GRS
Die GRS befasst sich mit grundlegenden Sicherheitsfragen der Brennelemente, von ihrer Herstellung über ihre Zwischenlagerung bis hin zu deren Endlagerung. Beispielsweise hat die GRS mit KENOREST ein Programm entwickelt, das den Abbrand der Brennelemente im Reaktorkern simuliert und die sogenannten Nuklidinventare bestrahlter Brennelemente berechnen kann. Dies ist für die Sicherheitsanalyse der Kritikalität ausgedienter Brennelemente genauso wichtig wie für die Berechnung von Art und Höhe der von einem Brennelement ausgehenden Strahlung und Nachzerfallswärme.

Brennstabhüllrohr

Der Kernbrennstoff befindet sich in sogenannten Brennelementen. Jedes Brennelement besteht aus einer Vielzahl von Brennstäben. Der Kern eines typischen Siedewasserreaktors kann sich aus mehreren hundert Brennelementen mit jeweils etwa 60 Brennstäben zusammensetzen.

Diese Brennstäbe wiederum bestehen aus einem Metallrohr, dem sogenannten Hüllrohr, und dem darin befindlichen Brennstoff. Das Hüllrohr selbst besteht in der Mehrzahl der Fälle aus einer Legierung des Metalls Zirkonium (ca. 90%) und weiteren Metallen wie Zinn, Eisen, Chrom, Nickel oder Niob ("Zirkalloy").  Übliche Hüllrohre sind 3-4 m lang, mit einem Durchmesser von gut einem Zentimeter.

In den Hüllrohren befindet sich der Kernbrennstoff in Form von zylinderförmigen Tabletten ("Pellets"), die etwa einen Zentimeter Durchmesser besitzen und etwa ebenso hoch sind. Das Hüllrohr ist jedoch nicht vollständig mit diesen Pellets befüllt. Am oberen Ende befindet sich ein freigelassener Zwischenraum ("Spaltgasraum"), der etwa 20 cm lang ist. Dort sammeln sich während des Reaktorbetriebs gasförmige Stoffe an, die bei der Kernspaltung entstehen. Dies sind z. B. Edelgase und Jod, aber auch Elemente wie Cäsium, die nur bei höheren Temperaturen gasförmig sind. Das Hüllrohr ist dicht und darauf ausgelegt, den während des Betriebs immer höher werdenden Druck dieser Gase auszuhalten.

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