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Definition: ein Material, welches durch Kernspaltung in einem Kernreaktor Energie liefern kann
Kernbrennstoffe (auch nukleare Brennstoffe) sind Energieträger, welche in einem Kernreaktor Energie in Form von Wärme freisetzen können. Bisher geschieht diese Energiefreisetzung immer über die Kernspaltung von schweren Atomkernen. Im Prinzip wäre auch die Kernfusion mit leichten Atomkernen wie Deuterium und Lithium möglich, aber dieser Prozess kann bis auf weiteres technisch nicht realisiert werden (außer in thermonuklearen Atomwaffen, sogenannten Wasserstoffbomben).
Meistens ist das enthaltene spaltbare Material Uran 235 (235U) oder Plutonium 239; in sogenannten Mischoxidbrennelementen sind beide Materialien enthalten. Das Uran 235 muss meistens wesentlich höher konzentriert sein als im Natururan, welches hauptsächlich das nicht direkt spaltbare Uran 238 enthält; das Uran muss also zunächst angereichert werden. Plutonium 239 kann bei der Wiederaufarbeitung gewonnen werden; es entsteht im Kernbrennstoff durch Neutronenbestrahlung von Uran 238, wird also aus diesem “erbrütet”. Ähnlich kann das ebenfalls spaltbare Uran 233 aus Thorium erbrütet werden.
Im Betrieb wird ein Kernbrennstoff von Neutronen getroffen, die die Kernspaltungsprozesse auslösen. Bei diesen Prozessen werden wieder Neutronen freigesetzt; es handelt sich um eine Kettenreaktion. Ansonsten entstehen aus den gespaltenen Atomkernen jeweils zwei leichtere Kerne, die in der Regel instabil sind, also weiter radioaktiv zerfallen. Ebenfalls wird durch die Spaltung (und den weiteren radioaktiven Zerfall) eine große Menge von Energie in Form von Wärme frei, die in der Regel zur Stromerzeugung über eine Dampfturbine genutzt wird. Die Energiedichte von Kernbrennstoffen ist weitaus höher als die von chemischen Brennstoffen wie z. B. Kohle, so dass für die gleiche erzeugte Wärmemenge weitaus weniger Brennstoff benötigt wird.
Der Kernbrennstoff wird unbrauchbar (abgebrannt), wenn die Konzentration spaltbaren Materials zu klein wird. Er ist dann ein hochgefährlicher stark radioaktiver Abfall ("Atommüll"), welcher zunächst für einige Jahre in gut gekühlten Abklingbecken gelagert werden muss, bis die Wärmeentwicklung so weit nachlässt, dass ein Transport möglich wird. Die abgebrannten Brennelemente können dann in ein Zwischenlager und schließlich in ein Langzeit-Endlager verfrachtet werden. Es ist auch möglich, abgebrannte Kernbrennstoffe der Wiederaufarbeitung zuzuführen, um noch vorhandenes spaltbares Material in Mischoxidbrennelementen wieder nutzbar zu machen.
Kernbrennstoffe sind in aller Regel feste Stoffe, da sie nur in dieser Form sicher eingeschlossen werden können. Sie werden meist in Brennstäbe eingearbeitet, in denen sie von einer stabilen metallischen Hülle umgeben sind. Viele Brennstäbe werden wiederum zu Brennelementen gebündelt, die dann als Ganzes gehandhabt werden können.
Siehe auch: Kernreaktor, Uran, Urananreicherung, Wiederaufarbeitung, Plutonium, Brennstab, Brennelement, Kernspaltung, Kernenergie, Energieträger