Brutstoff
Nuklide
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Als Brutstoffe (englisch fertile nuclear material) bezeichnet man in der Kerntechnik bzw. Reaktorphysik Nuklide, die zwar nicht durch thermische Neutronen gespalten werden können, jedoch durch Neutronenabsorption und nachfolgende Kernumwandlungen in ein spaltbares (englisch fissile) Nuklid umgewandelt werden können.[1]
Dieses spaltbare Nuklid kann anschließend durch die Absorption eines weiteren Neutrons gespalten werden und dabei Energie freisetzen. Brutstoffe werden hauptsächlich zur Herstellung von Spaltstoffen genutzt.
Typische Brutstoffe
Die bekanntesten Brutstoffe sind Thorium-232 und das Uran-238. Beide Isotope wandeln sich nach Absorption eines Neutrons sowie anschließenden Betazerfällen in Uran-233 beziehungsweise Plutonium-239 um, die auch Spaltstoffe sind.
- Thorium-232 wird umgewandelt in spaltbares Uran-233
- Uran-238 wird umgewandelt in spaltbares Plutonium-239
Des Weiteren kann Uran-234 zu Uran-235 durch Neutroneneinfang umgewandelt werden.
Spaltbare Nuklide
Die Nuklide Uran-233, Uran-235 und Plutonium-239 sind die bekanntesten spaltbaren Isotope. Sie sind Spaltstoffe und werden in Kernreaktoren oder Kernwaffen verwendet. Das Material wird im Rahmen der Nichtverbreitung reguliert und beispielsweise durch die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) und viele weitere Fachorganisationen inspiziert bzw. kontrolliert.[2] Beispielsweise wird die Urananreicherung überwacht.
Konversion
Uran-238 ist in dem Kernbrennstoff eines Brennelements in verschiedenen Prozentanteilen und damit in jedem beladenen Kernreaktor vorhanden. In gewöhnlichem oder Natururan z. B. zu 99,3 %, d. h. nur 0,7 % sind spaltbares Uran-235.
Es bildet sich in jedem im Betrieb befindlichen Kernreaktor Plutonium, wobei alle Isotope entstehen: angefangen bei Pu-239 über das nicht spaltbare Pu-240 bis hin zum spaltbaren Pu-241 usw., bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Dabei wird Pu-239 und Pu-241 im laufenden Reaktorbetrieb neben Uran-235 auch gespalten. Diese Produktionskette war früh bekannt, deshalb wollte man spaltbares Material (hier Plutonium) in Kernreaktoren erzeugen. Dazu geeignet sind, im Vergleich zu thermischen (viz. langsame) Reaktoren, sog. schnelle Reaktoren. Erstere können Plutonium erzeugen, es findet eine Konversion statt, vgl. Konversionsrate. Der schnelle Reaktor (viz. Brutreaktor) war jedoch so gedacht, dass mehr spaltbares Material erzeugt wird, als verbraucht wird. Genauer gesagt würde ein Brutreaktor das erzeugte Plutonium verbrauchen, wohingegen ein Konverterreaktor lediglich Uran in Plutonium umwandelt. Die Entwicklung der Brutreaktoren fand in den 1960er- bis 1980er-Jahren statt, beispielsweise am Standort Dounreay. Die Entwicklungsarbeiten wurden eingestellt, da die Technologie weder beherrschbar noch kommerzialisierbar war.[3]
Brutstoffe in der Kernfusionstechnik
Im erweiterten Sinne der Kerntechnik, d. h. der Technologie der Kernfusion, spricht man von Brutstoffen, die beispielsweise das seltene und radioaktive Isotop Tritium als Teil eines Kernfusionsreaktors bzw. dessen Fusionsbrennstoffzyklus erbrüten sollen.[4][5][6] Hintergrund ist, dass Tritium gewöhnlich durch eine Kernreaktion in dem seltenen Isotop Lithium-6 produziert wird, also in einem Kernreaktor, welcher eine „Neutronenquelle“ darstellt. Diese Tatsache ist für die Kernfusionstechnik problematisch. Man versucht das superschwere Wasserstoffisotop Tritium als Teil des Fusionsreaktors zu erzeugen, d. h. als Teil des „Kernfusionszyklus“ des Gesamtsystems zu gewinnen.