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Definition: ein Stab, in dem ein Kernbrennstoff enthalten ist
Ein Brennstab ist ein langer Stab mit einer stabilen metallischen Hülle (Röhre), die einen Kernbrennstoff umgibt. Typischerweise besteht der Kernbrennstoff aus vielen gesinterten Tabletten (Pellets), die angereichertes Urandioxid enthalten, evtl. zusätzlich auch Plutoniumdioxid (→ Mischoxidbrennelemente). In der Regel wird eine Anzahl von Brennstäben zusammen montiert zu einem Brennelement; die Brennelemente werden immer als Ganzes gehandhabt, z. B. transportiert oder in einen Kernreaktor eingebracht. Im Reaktor werden die Brennstäbe in der Regel von Kühlwasser als Wärmeträgermedium umspühlt. Dieses Wasser transportiert also die nutzbare Wärme ab und verhindert dadurch auch die Überhitzung der Brennstäbe.
Das Hüllrohr eines Brennstabs soll den Kernbrennstoff sicher einschließen, besonders um den Austritt der stark radioaktiven Spaltprodukte zu verhindern. Da diese teilweise gasförmig sind, muss das Hüllrohr gasdicht verschweißt sein. Es soll im Betrieb möglichst dicht bleiben, trotz der hohen Betriebstemperaturen von hunderten von Grad Celsius, des zunehmenden Innendrucks und der strukturellen Veränderung durch die intensive Neutronenbestrahlung. Oft besteht das Hüllrohr aus einer Zirkonium-Legierung, welche nur wenig Neutronen absorbiert und fest sowie hitzebeständig ist. Problematisch ist allerdings, dass das Zirkonium bei starker Überhitzung von Brennstäben mit Wasserdampf chemisch reagieren kann, wobei explosiver Wasserstoff entsteht. Dadurch hervorgerufene Wasserstoff-Explosionen haben z. B. bei den atomaren Katastrophen von Tschernobyl und Fukushima eine wesentliche Rolle gespielt.
Völlige Dichtigkeit aller Brennstäbe in einem Reaktor ist nicht möglich, da die Hüllrohre im Reaktorbetrieb sehr stark belastet werden. Eine gewisse Zahl von Defekten ist tolerierbar. Jedoch wird hierdurch das Reaktorkühlwasser erheblich radioaktiv kontaminiert. Bei Unfällen mit massiven Brennstabschäden wird diese Kontamination noch viel stärker. Besonders katastrophal ist das Schmelzen von Brennstäben bei sehr starker Überhitzung; eine solche Kernschmelze ist sehr schwer zu beherrschen und kann leicht zur Freisetzung großer Mengen von Radioaktivität führen.
Die Kernspaltung in den Brennstäben kann praktisch augenblicklich abgeschaltet werden, indem die Regelstäbe in den Reaktorkern gefahren werden. Jedoch setzen die Brennstäbe dann immer noch wesentliche Mengen von Nachzerfallswärme frei, nämlich durch den radioaktiven Zerfall der kurzlebigen Spaltprodukte. Wegen dieser Nachzerfallswärme ist eine zuverlässige Kühlung der Brennstäbe also auch für längere Zeit nach dem Abschalten des Kernreaktors unbedingt notwendig.
Siehe auch: Brennelement, Kernbrennstoff, Uran, Kernspaltung