Brennelement

Das Brennelement bildet das Herz des Reaktors. Hier werden durch Spaltung von Uran freie Neutronen erzeugt.

Ein Brennelement für 60 Tage

Blick auf ein abgebranntes Brennelement des FRM II. Das blaue Leuchten stammt von Elektronen, deren Geschwindigkeit höher ist als die Lichtgeschwindigkeit im Wasser (Cherenkov-Licht). Die gekrümmten Brennstoffplatten sind durch das Kühlwasser gut sichtbar.

Im Kern des FRM II befindet sich nur ein einziges Brennelement, das bei einer Nennleistung von 20 MW jeweils für 60 Tage im Einsatz ist. Danach ist der sog. Abbrandvorrat verbraucht, d. h. die Kettenreaktion kommt zum Erliegen und der Reaktor geht aus (tatsächlich beträgt der Abbrandvorrat etwas mehr als 60 Tage, aber nach 1200 MWd (60 Tage à 20 MW) wird der Reaktor kontrolliert und wohl definiert abgeschaltet).

Regelstab und Abschaltstäbe stoppen Kettenreaktion

Das zylindrische Brennelement hat einen Außendurchmesser von 24 Zentimetern.

Das FRM II-Brennelement hat die Form eines ca. 1,3 m langen Hohlzylinders von ca. 24 cm Durchmesser. Es befindet sich in zentraler Position im Moderatortank der Anlage. In der aktiven Zone befinden sich 113 evolventenfömig gebogene Brennstoffplatten. Im Innenraum des Hohlzylinders wird der Regelstab eingeführt, dessen Stellung im Reaktorbetrieb die thermische Leistung regelt. Bei komplett eingefahrenem Regelstab ist die Kettenreaktion vollkommen gestoppt, der Reaktor ist "abgefahren" Als redundante weitere Möglichkeit der Abschaltung des Reaktors dienen fünf Abschaltstäbe, welche eng um das Brennelement herum im Moderatortank positioniert sind. Als Neutronenabsorber wird in beiden Fällen Hafnium eingesetzt. Hafnium stoppt durch Absorption der freien Neutronen sehr effektiv die Kettenreaktion.

Das Brennelement befindet sich in einem durchgehenden vertikalen Rohr, dem sogenannten Zentralkanal. Ein weiterer Absorber ist im oberen Teil des Zentralkanals (oberhalb des Brennelements) verbaut. Er gewährleistet eine sicherheitstechnisch ausreichende Unterkritikalität bei der Brennelement-Handhabung.

Brennstoffplatten speziell gefertigt

Die 113 evolventenförmig gebogenen Brennstoffplatten sind in der für Forschungsreaktoren üblichen und langjährig bewährten Bilderrahmen-Technik hergestellt. Dabei wird der Brennstoffkern, der aus einer Uran-Silizium-Verbindung und reinem Aluminium besteht, in einen Rahmen aus Aluminium eingelegt und beidseitig mit Aluminiumplatten abgedeckt. Um Leistungsspitzen zu reduzieren, enthält jede Brennstoffplatte zwei radiale Zonen mit Urandichten von 3,0 g/cm³ (lnnenzone) und 1,5 g/cm³ (Außenzone). Durch Heißwalzen werden Brennstoffkern, Rahmen und Abdeckplatten in festem metallischen Verbund miteinander verbunden.

Wasser durchströmt das Brennelement von oben nach unten und führt so die bei Betrieb in den Brennstoffplatten entstehende Wärme ab (siehe Kühlkreisläufe).