Umwandlung eines fruchtbaren Kerns in einen spaltbaren Kern
Uran-238 macht mehr als 95 % des im Reaktorkern vorhandenen Urans aus. Es beteiligt sich nur geringfügig an der Kettenreaktion, spielt aber dennoch eine wichtige Hilfsrolle. Indem es ein Neutron einfängt, wird es zu einem Kern aus Plutonium-239. Später kann dieser Plutonium-239-Kern eine Spaltung erfahren, wenn er erneut ein Neutron einfängt. Uran-238 kann gewissermaßen als Spaltung mit Verzögerung oder stellvertretend betrachtet werden. Es erzeugt Kernbrennstoff, indem es spaltbare Kerne liefert: Es wird als fruchtbar bezeichnet.
Der Mechanismus der Plutoniumerzeugung umfasst mehrere Stufen. Durch den Einfang eines Neutrons wird Uran-238 zu Uran-239, das sich durch Betastrahlung schnell in Neptunium-239 umwandelt. Dieses Neptunium verwandelt sich dann durch Betastrahlung nach durchschnittlich 3 Tagen in einen neuen Kern: Plutonium-239. Dieses Radionuklid ist spaltbar, wie Uran-235.
Der Einfang eines Neutrons durch einen Kern aus Uran-238 führt innerhalb weniger Tage zur Bildung eines Kerns aus spaltbarem Plutonium-239. Der durch den Neutroneneinfang entstandene Uran-239-Kern ist radioaktiv beta-minus. Durch Aussendung eines Elektrons und eines Antineutrinos wird er zu Neptunium-239, das sich seinerseits auf die gleiche Weise in Plutonium-239 umwandelt, da es instabil ist.
IN2P3Plutonium-239 ist ein guter Kernbrennstoff: Durch schnelle Neutronen gespalten, setzt es durchschnittlich 2,30 sekundäre Neutronen pro eingefangenem Neutron frei. Von diesen sekundären Neutronen wird ein Neutron zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion benötigt. Dann bleiben 1,30 übrig.
Wenn im Durchschnitt eines dieser verfügbaren Neutronen von einem Uran-238-Kern eingefangen und in Plutonium-239 umgewandelt wird, produziert der Reaktor so viel Brennstoff wie er verbraucht. Wenn mehr als ein Neutron Plutonium erzeugt (bei entsprechender Konfiguration des Reaktorkerns), wird der Reaktor als Brüter bezeichnet. Andernfalls wird der Reaktor als „Subgenerator“ bezeichnet. Die wenigen Reaktoren, die als Brüter betrieben wurden, sind schnelle Neutronenreaktoren.
Die Bedingungen für eine Regeneration sind bei herkömmlichen Reaktoren von Kernkraftwerken, die langsame Neutronen verwenden, bei weitem nicht erfüllt. In ihrem bestrahlten Brennstoff entstehen jedoch erhebliche Mengen an Plutonium.
Die Menge an Plutonium, die aus dem Ursprung der weltweiten Reaktorflotte stammt, wurde im Jahr 2000 auf 1400 Tonnen geschätzt, von denen 60 % Plutonium-239 sind. Diese Menge wächst um 70 Tonnen pro Jahr.
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