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Die Brennelemente sind wesentliche Bauteile eines Kernreaktors und bilden zusammen mit den sonstigen Einbauten den Reaktorkern. Sie enthalten den Kernbrennstoff.
Bei den meisten Leistungsreaktoren, also Anlagen zur Energiegewinnung, ist das einzelne Brennelement ein Bündel aus vielen dünnen Brennstäben, die vom Kühlmittel, in der Regel Wasser, umspült werden. Diese Anordnung ergibt eine genügend große Fläche für den Wärmeübergang. Die Stäbe enthalten den Kernbrennstoff, meist Uranoxid in Form zylindrischer Pellets.
Brennelemente für Siedewasserreaktoren bestehen ebenfalls aus einem Brennstabbündel, die Zahl der Brennstäbe pro Brennelement ist jedoch deutlich geringer (z. B. 63 Brennstäbe und ein sog. Wasserstab in 8x8-Anordnung). Bei neueren Brennelementen entfallen die Wasserstäbe. Ein das Brennelement umschließender Kasten aus Zirkalloy bildet den Kühlkanal. Die Kästen von jeweils mehreren Brennelementen bilden den Führungskanal für einen von unten kommenden Steuerstab mit kreuzförmigem Querschnitt. Die Hüllrohre der Brennstäbe bestehen aus Zirkalloy. Die Anreicherung des Brennstoffs entspricht etwa der bei Druckwasserreaktoren.
