Artikelserie Barrieren 2/6: Die Brennstoffmatrix (Brennelemente Teil 1 von 2)
Der Brennstoff wird vor der Verwendung in Kernkraftwerken zu Pellets gepresst und mittels Sinterprozess verdichtet. Durch diesen Prozess wird der Brennstoff in ein keramisches Material umgewandelt, welches in der Lage ist, die beim Betrieb entstehenden Spaltprodukte in der sogenannten Brennstoffmatrix zurückzuhalten.
Der Brennstoff wird aus Uranerz gewonnen, welches in einem der weiteren Fertigungsprozesse angereichert wird.
Anreicherung von Uran
Nach dem Abbau von Uranerz in Bergwerken wird das uranhaltige Material vom übrigen Gestein getrennt. Auf chemischem Weg – mit Säure oder Lauge – wird Uran aus dem Restgestein gelöst und gereinigt. Das Produkt ist ein gelbes Pulver, das zu ca. 80 Prozent aus Uranverbindungen besteht.
Natururan besteht hauptsächlich aus schwer spaltbarem Uran-238, der Anteil von Uran-235 liegt nur bei etwa 0,7 Prozent. Damit ein Kernkraftwerks-Reaktor wirtschaftlich betrieben werden kann, muss der Anteil von Uran-235 auf etwa fünf Prozent erhöht werden.
Vor der Anreicherung muss das gelbe Pulver (wegen seiner Farbe wird es auch „yellow cake“ – gelber Kuchen – genannt) in eine geeignete Form gebracht werden. Es wird in Uranhexafluorid umgewandelt. Diese salzähnliche Verbindung verdampft bei 56°C. In gasförmigem Zustand können die Isotope Uran-235 und Uran-238 z.B. mit einer schnell rotierenden Zentrifuge voneinander getrennt werden, da Uran-238 drei Neutronen mehr enthält und deshalb schwerer ist als Uran-235.
Einem Teil des Urans wird schliesslich dasjenige Uran-235 zugefügt, welches einem anderen Teil entzogen wurde. Der angereicherte Teil wird weiterverwendet. Das angereicherte Uranhexafluorid wird anschliessend wieder in Uranoxid umgewandelt.
Brennstoff ist in Pellets eingeschlossen
Das angereicherte Uranoxid wird gemahlen, zu Pellets gepresst und bei zirka 1700 Grad Celsius durch Sintern verdichtet, also zu keramischem Material umgewandelt. Diese Keramik ist in der Lage, die beim Betrieb entstehenden Spaltprodukte in der sogenannten Brennstoffmatrix zurückzuhalten. Die Pellets erinnern in ihrer Form an kleine schwarze Tabletten; sie sind zylinderförmig und etwa einen Zentimeter hoch und einen Zentimeter breit. Pellets sind in ungebrauchtem Zustand nur sehr schwach radioaktiv; sie werden erst im Reaktorbetrieb durch den Neutronenbeschuss und die daraus entstehenden Spaltprodukte stark radioaktiv.
Die festen radioaktiven Stoffe (und ein Teil der radioaktiven Edelgase) sind im Normalbetrieb des Reaktors in den Pellets in einer Matrix gefangen. In Kombination mit den Brennstabhüllrohren gilt die Brennstoffmatrix als erste Barriere zum Einschluss von radioaktiven Stoffen.
Dies ist der zweite von sechs Artikeln zum Thema Barrieren zum Einschluss radioaktiver Stoffe. Der erste beschreibt das Barrierenprinzip, Artikel 2 bis 6 beschreiben die verschiedenen Barrieren.