Kernbrennstoffe

Kernbrennstoffe, Ausgangsstoffe für die Energieumwandlung durch Kernspaltung. Derzeit werden hauptsächlich ein natürliches und zwei künstlich erzeugte Isotope für die Kernspaltung verwendet. Siehe auch Kernenergie

Aus einem Atomkern entstehen durch den Beschuss mit Neutronen zwei leichtere Kerne als Spaltprodukte und zusätzlich eine gewisse Anzahl von Neutronen, was im Prinzip die erwünschte Kettenreaktion möglich macht. Voraussetzung für den Betrieb eines Kernreaktors ist es aber, dass die darin ablaufende Kernspaltung in einer steuerbaren Reaktion verläuft. Das bedeutet, dass die Energie, die bei der Spaltung eines Kerns entsteht, ausreichen muss, um mindestens einen weiteren Kern zu spalten. Andererseits darf es zu keiner unkontrollierten, lawinenartigen Vermehrung der Neutronen kommen. Als spaltbares Material kommen vor Allem die Isotope ²³⁵U bzw. ²³³U des Urans und ²³⁹Pu des Plutoniums zum Einsatz, für die diese Voraussetzungen erfüllt sind. Eine explosionsartige Vermehrung der freigesetzten Neutronen kann durch Zugabe von „Moderatoren” (Graphit oder schweres Wasser (siehe Deuterium), D₂O) verhindert werden, die die Energie der Neutronen herabsetzen.

Das natürliche Uran ist ein Gemisch aus 0,7 Prozent ²³⁵U und 99,3 Prozent des nicht spaltbaren ²³⁸U. Dieses Gemisch kann direkt oder auf einige Prozent angereichert als Brennstoff verwendet werden. Nach Verbrauch der Brennelemente ist der Gehalt an ²³⁵U auf etwa ein Viertel abgesunken und wird durch die Wiederaufbereitung zurückgewonnen. Die Isotope ²³⁹Pu und ²³³U werden in den so genannten Brutreaktoren künstlich erzeugt: Im Brutprozess absorbieren die Uran- und Thorium-Isotope ²³⁸U bzw. ²³²Th jeweils ein Neutron und senden zwei Elektronen (Betateilchen) aus. Hierdurch steigt ihre Masse um eins und die Kernladung um zwei, wodurch die Isotope ²³⁹Pu bzw. ²³³U entstehen. Die gewünschten spaltbaren Isotope werden von dem Ausgangsmaterial durch Extraktion im Purex- (Plutonium-Uran-Extraktion) bzw. Thorex-Prozess (Thorium-Extraktion) getrennt. Hierzu werden die Metalle in Salpetersäure gelöst und mit Tributylphosphat und Kerosin extrahiert. Die Abtrennung erfolgt dann im Fall des Plutoniums durch Reduktion zur wasserlöslichen dreiwertigen Stufe und beim Thorium durch erneute Zugabe von Salpetersäure. Als Brennstoffe werden die Metalle in elementarer Form, als Oxide oder als Carbide (siehe Kohlenstoffverbindungen) eingesetzt.

Eine elegante Methode, mit der sich Uran und Plutonium aus uran- und plutoniumhaltigen Abfällen wiedergewinnen lassen, entwickelten russische Forscher 2003. Sie behandelten radioaktiven Abfall in einer speziellen Reaktionskammer mit überkritischen Kohlendioxid. Als „überkritisch” wird der Zustand eines Stoffes bezeichnet, bei dem sich flüssig und gasförmig praktisch nicht mehr unterscheiden lassen. Dieser Zustand kann im Fall von Kohlendioxid durch entsprechend hohe Drücke erreicht werden. So verändert, besitzt Kohlendioxid außerordentliche Lösungseigenschaften. Die Forscher setzten dem Gemisch eine weitere chemische Substanz zu, die nur mit dem enthaltenen Plutonium einen Komplex bildet, der sich in Kohlendioxid löst. So herausextrahiert, konnten die russischen Chemiker das Plutonium zurückgewinnen. Auf ähnliche Weise verfuhren sie anschließend mit dem enthaltenen Uran.