Künstliche Radioaktivität / Brennelemente

Brennelemente bestehen meistens aus , aber auch aus . Durch Beschuss mit Neutronen (n) wird in umgewandelt, im Prozess der Kernspaltung entstehen dann leichtere Atome und Energie. Beispiel:

Die Bruchstücke sind i.a. instabile Atomkerne und zerfallen weiter:

Dies ist nur ein mögliches Beispiel. Bei der Spaltung können insgesamt ca. 200 verschiedene Nuklide (Spaltprodukte) auftreten. Deren Halbwertszeiten sind meist sehr klein, einige besitzen jedoch Halbwertszeiten von einigen Jahren. Die beim Zerfall von freiwerdende 3 Neutronen stehen zur weiteren Aktivierung von zur Verfügung (=Kettenreaktion).

Abgebrannte Brennelemente enthalten viele verschiedene Nuklide. Der zeitliche Verlauf des Zerfalls der Spaltprodukte ist in der folgenden Abbildung zu sehen. Dabei ist zu beachten, dass die beiden Skalen jeweils einen logarithmischen Maßstab haben, d.h. dass ein Raster den Faktor 10 bedeutet.

Strahlung von abgebranntem Kernbrennstoff:

Abbildung aus "Will time heal every wound?" (Monitor 17), Swedish Environmental Protection Agency. (Das Buch ist über Miljobokhandeln erhältlich)

Wenn nun ein länger verwendetes Brennelement (ein »abgebranntes« Brennelement) nach einem Reaktorstillstand von einem Monat dem Reaktor entnommen wird, hat er eine Gesamtstrahlung von 100% (oberste Kurve »Total«). Diese setzt sich u.a. aus den darunter angegebenen instabilen Nukliden zusammen. Gemäß ihrer Halbwertszeit zerfallen diese Nuklide (die Kurven sinken nach unten). Auch die Summenkurve nimmt ab.

Beim Zerfall entstehen weitere instabile Nuklide. Wenn diese »Tochterelemente« im Vergleich zu ihren »Mutterelementen« eine lange Halbwertszeit besitzen, kommt es zu folgendem Effekt: Zunächst entsteht mehr von diesem Stoff als zerfällt. Daher steigt die Stoffmenge zunächst an. Nach längerer Zeit zerfallen diese Atome wieder. Dies ist im Diagramm sehr gut für und weitere langlebige Nuklide zu sehen, deren Kurven zunächst ansteigen und dann wieder abfallen.

Zum Vergleich ist die Strahlung von Natururan, das für die Herstellung des Brennelementes verwendet wurde (wagrechter Strich), eingetragen. Sie beträgt ungefähr 0,15 Promille der Radioaktivität des abgebrannten Brennelementes. Das bedeutet anders ausgedrückt, durch die Nutzung des natürlich vorkommenden Uran 235 () im Atomkraftwerk wird die Gesamtradioaktivität der Brennelemente um den Faktor 10.000 erhöht. Erst nach mehr als 100.000 Jahren ist wieder das Ausgangsniveau erreicht.