In Siede- und Druckwasserreaktoren kann von den in der Natur vorhandenen Uranisotopen nur das
Uran-235 gespalten werden. Es ist im natürlichen Uran mit 0,7% enthalten und in den Brennelementen auf bis zu 4,5% angereichert. Das Uran-238 ist in diesen Reaktortypen als Spaltstoff nicht zu verwenden.
Der Kern des Uran-238 kann aber ein Neutron aufnehmen und sich in mehreren Stufen zu
Plutonium-239 umwandeln. Dies wird am effektivsten durch schnelle Neutronen gespalten und ist deshalb als Spaltstoff in Reaktoren geeignet, in denen Neutronen nicht moderiert (abgebremst) werden, so z.B. im Schnellen Brüter.

In Schnellen Brutreaktoren werden beide Vorgänge gezielt herbeigeführt.

Brutreaktion von U-238 zu Pu-239 durch Einfang eines schnellen Neutrons

Der U-238-Kern nimmt das Neutron auf und erhöht dadurch seine Massenzahl um 1 auf U-239. Dieses Uranisotop hat eine sehr kurze Halbwertszeit und zerfällt in zwei Schritten jeweils unter Abgabe eines negativ geladenen Elektrons zu Neptunium und schließlich zu Plutonium (die Namensgebung rührt übrigens von der Reihenfolge der Planeten Uranus, Neptun und Pluto in unserem Sonnensystem her). Die Elektronenabgabe als Strahlung bezeichnet man auch als Betastrahlung (siehe dazu www.betastrahlung.de). Der Betazerfall führt zu einer Erhöhung der Kernladungszahl von 92 (Uran) über 93 (Neptunium) zu 94 (Plutonium), die Massenzahl bleibt dabei erhalten. Spaltbares Plutonium Pu-239 ist entstanden. Als Gleichung stellt sich der Brutvorgang wie folgt dar:

U-238 + n => U-239 => ß-Zerfall => Np-239 => ß-Zerfall => Pu-239.

Das Plutonium Pu-239 zerfällt übrigens mit einer Halbwertszeit von 24110 Jahren unter Aussendung von Alpha-Teilchen (Heliumkerne, siehe dazu www.alphastrahlung.de) zu Uran U-235.

Der Brüter kann also die 99,3 % des Natururans, die aus bisher nicht spaltbarem U-238 bestehen noch nutzbar machen. Es wird im Reaktor in Plutonium-239 umgewandelt und so mehr Spaltmaterial erzeugt, als verbraucht wird. Zur Herstellung der Brenn- und Brutelemente eines schnellen Brüters ist der schwierige und teils auch sehr energieaufwändige Vorgang der Urananreicherung nicht erforderlich.

Kernspaltungen müssen aber weiterhin durchgeführt werden, um die zum Erbrüten notwendigen Neutronen zu erzeugen. So findet man im Brüterkern eine Spaltzone im Inneren und eine Brutzone am Rande des Kerns. Durch geschicktes Bestücken des Reaktors mit den Brut- und Brennelementen kann eine Brutrate, also das Verhältnis von erzeugtem zu verbrauchtem Spaltmaterial erreicht werden, die größer eins ist. Gebräuchlich sind in der Spaltzone Mischoxid-Brennelemente aus 20 % PuO2 und 80 % Natururan oder abgereichertem Uran (dieses bleibt als Reststoff bei der Urananreicherung für die Leichtwasserreaktoren übrig und ist bisher ungenutzt) und reines Natururan oder abgereichertes Uran in der Brutzone.

Das in der Brutzone erzeugte Plutonium wird in Wiederaufbereitungsanlagen aus den Brutelementen herausgelöst, kann erneut mit Uran vermengt werden und sind Leichtwasserreaktoren oder der Spaltzone des Brüters als Spaltmaterial eingesetzt werden.

Dies führt dazu, daß die Uranvorräte der Welt um den Faktor 60 x 60 x 60 besser ausgenutzt werden können:

Auch thermodynamisch besitzt die Bauweise des Brüters deutliche Vorteile gegenüber Leichtwasserreaktoren. Das flüssige Natrium hat einen deutlich erhöhten Wärmeübergang von den Brennelementen zum Kühlmittel und auf der anderen Seite innerhalb der Wärmetauscher, so daß deutlich größere Wärmemengen aus den Brennelementen abgeführt werden können. Bei ähnlichen Brennstabinnentemperaturen von etwa 1500 °C wird im Leichtwasserreaktor lediglich die Kühlmitteltemperatur von 291 °C auf 326 °C (Daten für die deutschen Konvoi-Druckwasser-Reaktoren Isar 2, Emsland und Neckar 2) erhöht, durch bessere Wärmeabgabe an das Kühlmittel Natrium ist im Schnellen Brüter eine Temperaturerhöhung von 395 °C auf 545 °C möglich, ohne dabei die Brennstäbe zu schädigen. Dies schlägt sich auf der Dampfseite der Anlage sehr positiv nieder.

Der im Dampferzeuger produzierte Dampf hat dann (bedingt durch die Umwandlungsverluste) beim Leichtwasserreaktor gerade mal noch 280 °C, dafür beim Schnellen Brüter bereits 480 °C. Die deutlich erhöhte Temperaturdifferenz, die an der Turbine abgebaut und in Strom umgewandelt werden kann ist entsprechend größer und der Wirkungsgrad steigt deutlich.

Weiter verbessert werden kann der Turbinenwirkungsgrad durch noch höhere Turbineneintrittstemperaturen die in Kohlekraftwerken längst üblich sind. Hier werden Werte von 550 °C bei betriebenen bis über 600 °C bei geplanten Anlagen erreicht. Solche Temperaturen können im Bereich der nuklearen Energieerzeugung leicht mit Hilfe des Hochtemperaturreaktores (www.hochtemperaturreaktor.de) erzielt werden.

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