Netherlands

De wereld heeft veel energie nodig. Voor de technologische ontwikkelingen van vandaag is meer energie nodig dan ooit tevoren. Uit gegevens blijkt dat naarmate het BNP (Bruto Nationaal Product) van een land is groter, ook de energieproductie en het energieverbruik per inwoner groter zijn, en de levensverwachting in dat land langer is. Energie (elektriciteit) wordt wereldwijd gezien nog steeds vooral geproduceerd met fossiele brandstoffen (hout, steenkool, olie, methaangas (soms ook natuurlijk gas genoemd), maar deze natuurlijke grondstoffen zullen weldra uitgeput raken of veel te duur worden. Schattingen daarover lopen uiteen van 50 tot ongeveer 100 jaar voor olie en methaangas. In de niet zo verre toekomst zullen we dus over andere vormen van energie moeten beschikken. Kan kernenergie hier misschien een antwoord bieden? Dat zullen we in de volgende paragrafen verder bespreken.

Alle natuurlijke energiebronnen, zoals geothermische energie, wind- en zonne-energie, enz. vergen grote investeringen. Door het feit dat wind- en zonne-energie sterk van de weersomstandigheden afhangen en daardoor niet doorlopend beschikbaar zijn, vergen ze krachtige vervangende installaties die elektriciteit kunnen leveren als er geen wind of zon is. Waterkracht (elektriciteitscentrales gekoppeld aan stuwmeren) is een tamelijk goedkope energiebron en kan als vervangende energiebron voor wind- en zonne-energie gebruikt worden, maar is toch maar in beperkte mate beschikbaar (je kan niet zomaar overal stuwdammen bouwen en grote gebieden onder water laten lopen… ) en in de meeste landen zijn de mogelijkheden daartoe al zo goed als volledig benut.

We hebben echter al een belangrijke en zeer efficiënte (zelfs meer efficiënt dan alle andere energiebronnen) beschikbaar, namelijk kernenergie. Op dit ogenblik wordt ongeveer 16% van al de elektriciteit die in de wereld verbruikt wordt geproduceerd via kernenergie. Kernenergie zou zelfs probleemloos gedurende vele duizenden jaren in de nood aan elektriciteit van de mensheid kunnen voorzien, en men schat dat dit zelfs nog veel langer is (misschien zelfs miljoenen jaren) door gebruik te maken van kweekreactoren. De productiekost van kernenergie, rekening houdend met de kosten voor de veiligheidssystemen, de beveiliging tegen diefstal van radioactief materiaal, het afbreken van kernreactoren als ze buiten gebruik worden gesteld, en de verwerking en het veilig opslaan van het kernafval, blijkt één van de goedkoopste van alle energiebronnen te zijn.

De productie van elektriciteit via kernenergie leidt niet tot milieuverontreiniging (op voorwaarde natuurlijk dat het kernafval veilig wordt opgeslagen) en draagt ook niet bijna tot de opwarming van de aarde (er is geen uitstoot van koolstofdioxide, CO2). Het zou dus een enorme verspilling van mogelijkheden en grondstoffen zijn als de mensheid geen gebruik zou maken van kernenergie. Zo vookomt het gebruik van elke 22 ton aan uranium om elektriciteit te produceren via kernenergie, de uitstoot van ongeveer 1 miljoen ton koofstofdioxide die zou worden uitgestoten als dezelfde hoeveelheid elektriciteit geproduceerd zou worden door de verbranding van steenkool. De technische uitdaging echter is om kernenergie op een zo veilig mogelijke manier aan te wenden.

Bij het gebruik van kernenergie zijn er gevaren verbonden aan de mogelijkheid dat er zich een ernstig probleem zou voordoen met een kernreactor, waarbij ioniserende straling zou vrijkomen, aan de behandeling van het kernafval, en aan de mogelijkheid dat splijtbaar materiaal in de handen van terroristen zou vallen. Het correct inschatten van al deze risico’s is echter erg moeilijk omdat ze niet onder de categorie van standaard-risico’s vallen. Om toch een ruwe inschatting van de risico’s verbonden aan kernenergie te maken kunnen we bijvoorbeeld kijken naar het “aantal doden per hoeveelheid elektriciteit” die met verschillende energiebronnen wordt opgewekt. Ongevallen bij de klassieke steenkoolontginning en met oliebronnen leiden samen met de luchtvervuiling die ontstaat door het verbranden van deze fossiele grondstoffen tot een risico dat ongeveer 40 keer hoger is dan de totale risicofactor van de kernenergie-industrie vanaf de ontginning van het uranium tot een mogelijk ernstig ongeval met een kernreactor. Het doorbreken van één enkele stuwdam, of een ongeval in een grote scheikundige fabriek kan duizenden mensen ineens doden, terwijl bij de tot nog toe zwaarste (en uitzonderlijke) kernramp in de geschiedenis, in Tsjernobyl, in totaal 31 personen zijn omgekomen, waarvan 28 door de zeer hoge stralingsdosis die ze hebben opgelopen bij de inspanningen om de situatie terug onder controle te krijgen. Het risico op een dodelijk ongeval ten gevolge van het volledige kernenergieprogramma van de Verenigde Staten is vergelijkbaar met dat van het verhogen van de snelheidslimiet van 80 km/h naar 81 km/h!

De grafiek links iluustreert het relatieve risico (gemeten als het aantal doden per geproduceerde TWh ) of voor verschillende soorten energie: (Bron: www.adamsmith.org)

Tijdens de kernramp in Fukushima in 2011 is er een grote hoeveelheid radioactief materiaal uit de kerncentrale vrij gekomen en over de wijde omgeving verspreid. Toch was dit ongeveer 10 keer minder dan bij de kernramp in Tjernobyl. Experts voorspellen een duidelijke toename in het aantal kankergevallen onder de lokale bevolking in Fukushima in de komende 50 jaar. Er is echter niemand tijdens of kort na het ongeval gestorven ten gevolge van de vrijgekomen straling.

We weten intussen dat bij kernsplijting radioactieve atoomkernen (de zogenaamde fissiefragmenten )geproduceerd worden. Het aantal neutronen in een uraniumkern (namelijk 143, in 235U, of 146, in 238U ) is veel groter dan het aantal protonen (92), waardoor uranium tamelijk stabiel is (de halfwaardetijd van 238U is 4.5 miljard jaar, die van 235U is 1.3 miljard jaar). IN lichtere kernen zijn er minder neutronen nodig in verhouding tot het aantal protonen om een stabiele (d.w.z. niet-radioactieve) atoomkern te hebben. Als een uraniumkern dus splijt, waarbij twee lichtere atoomkernen (de fissiefragmenten) ontstaan, is het aantal neutronen in elk van deze twee fragmenten dus groter dan wat nodig is om te zorgen dat ze stabiel zijn. De fissiefragmenten zijn dus onstabiel (radioactief), en een groot aantal fissiefragmenten hebben vrij lange halfwaardetijden (en blijven dus lang radioactief).

Behalve de fissiefragmenten worden er in een kernreactor ook atoomkernen van elementen zwaarder dan uranium geproduceerd omdat het 238U in de brandstofstaven neutronen kan invangen zonder te splijten. Hierna treed tweemaal bèta-verval op waardoor het isotoop 239Pu gevormd wordt, een splijtbaar isotoop dat in kweekreactoren als brandstof gebruikt wordt in wat de uranium-plutonium cyclus genoemd wordt. In een PWR reactor is het isotoop 239Pu echter niet bruikbaar om elektriciteit te produceren en is het dus een afvalproduct. Tijdens het gebruik van een kernreactor worden de materialen waaruit de reactor gebouwd is "geactiveerd’: een aantal stabiele isotopen in deze materialen worden door het invangen van neutronen omgevormd tot radioactieve isotopen. Een typisch isotoop dat door deze activatie geproduceerd wordt is 60Co. Met deze isotopen moet op een verantwoorde manier worden omgegaan.

Classificatie van de verschillende soorten kernafval:

Type In volume Volgens hoeveelheid radioactiviteit
Hoog-radioactief afval 3% 95%
Middelmatig radioactief afval 7% 4%
Laag-radioactief afval 90% 1%

Het hoog-radioactief afval vormt slechts 3% van het totale volume aan afval dat een kerncentrale genereert, maar bevat wel 95% van de radioactiviteit van de totale hoeveelheid afval. Het laag-radioactief afval vormt 90% van de totale hoeveelheid afval maar bevat maar 3% van de radioactiviteit.

Kernafval stelt ons voor belangrijke technologische problemen waar we een oplossing voor moeten vinden om de volgende generaties niet met een grote hoeveelheid zwaar-radioactief afval op te zadelen. In tegenstelling tot steenkool, olie of gas, wordt kernbrandstof nooit helemaal opgebruikt. Dit komt omdat tijdens de kettingreactie een aantal isotopen worden geproduceerd die gemakkelijk neutronen invangen zonder daardoor te splijten. Na verloop van tijd zullen daardoor de neutronen die bij de splijting van 235U kernen geproduceerd worden, vooral worden ingevangen door dergelijke isotopen niet-splijtbare isotopen die na eerdere splijtingen geproduceerd werden. Het resterend aantal neutronen volstaat dan niet meer om de kettingreactie op gang te houden, waardoor het brandstofelement dan niet meer dienst kan doen om elektriciteit te produceren en een stuk hoog-radioactief kernafval wordt. De halfwaardetijd van de niet-splijtbare isotopen die door het invangen van neutronen in de kettingreactie geproduceerd worden, bedraagt soms tientallen of zelfs honderdduizenden jaren, zodat speciale voorzorgen moeten genomen worden om dit afval op een veilige manier voor zeer lange tijd op te slaan. Dit leidt tot serieuze sociale, politieke en regelgevende problemen.

Bij onderzoekreactoren, die niet zo veel brandstof verbruiken, kunnen de gebruikte brandstofstaven gewoon in een grote watertank worden opgeslagen die zich meestal vlak naast de reactor bevindt. Ze kunnen daar gemakkelijk ongeveer 30 tot 40 jaar lang worden opgeslagen. Gedurende die tijd neemt de temperatuur van de brandstofstaven af en worden ze ook minder radioactief doordat de radioactieve isotopen in de brandstofstaven vervallen. Na nog eens 40 tot 50 jaar is de radioactiviteit laag genoeg geworden om de staven naar een definitieve opslagplaats te brengen.

Voor kerncentrales kunnen gelijkaardige methodes worden gebruikt. In dit geval worden de brandstofstaven na enkele jaren te zijn opgeslagen in het waterbad echter naar zogenaamde herwerkingsfabrieken gebracht. Daar worden via een scheikundig proces de nog splijtbare isotopen (uranium, plutonium en enkele isotopen van elementen zwaarder dan uranium) uit de brandstofstaven gehaald en daarna gebruikt voor de productie van nieuwe brandstofstaven. Het resterende materiaal, dat dan meestal vloeibaar is, wordt in glas ingegoten en in grote metalen vaten verpakt, die daarna in een grote opslagruimte worden bewaard. Als de gebruikte brandstofstaven niet herwerkt worden, moeten ze onmiddellijk in geschikte metalen vaten gebracht worden en worden opgeslagen in speciaal daarvoor uitgeruste ruimtes, meestal ondergronds, zoals bijvoorbeeld in oude zoutmijnen, in kleilagen of in lagen van rotsgesteente.

Opslag van kernafval op een diepte van 500 tot 1000 m onder de grond is veiliger dan bovengrondse opslag. Het stralingsniveau na ongeveer 1000 jaar zal gezakt zijn tot het niveau van de natuurlijke radioactiviteit in de bovenste 100 m van de aardkorst. Als we er natuurlijk in slagen om het kernafval te transmuteren (om te vormen in andere isotopen die minder problemen stellen) of te verbranden (splijten) zijn de problemen natuurlijk minder groot. Ondergrondse opslag van kernafval op grote diepte stelt geen enkel probleem voor de bevolking die in de buurt van de opslagplaatsen wonen, zolang er niemand tot op grote diepte gaat boren in dat gebied. En zelfs dan zouden de problemen enkel beperkt blijven tot de onmiddellijke omgeving en dus beheerst kunnen worden.

Wanneer over de problemen van industrieel kernafval afval gesproken wordt, gaat men er vaak aan voorbij dat er in de aardkorst een groot aantal radioactieve isotopen op een natuurlijke manier aanwezig zijn die continue naar de oppervlakte migreren en daar dan deel uitmaken van de natuurlijke radioactieve achtergrond.

Zoals de figuur aantoont draagt kernafval slechts in zeer beperkte mate bij tot de natuurlijke radioactieve achtergrond. Als bijvoorbeeld al het radioactief afval dat werd geproduceerd tot het jaar 2000 gedurende 500 jaar kan afkoelen, wordt een hoeveelheid radioactieve straling uitgezonden die overeenkomt met de straling van een stuk grond van 30 x 30 km2 en 2 km dik (2 km is de typische diepte waarop zich een ondergrondse opslagplaats van kernafval bevindt).

Men start met het ontginnen van het uraniumerts. Dit erts wordt dan geplet en gemalen tot een fijn poeder waarna het een scheikundig behandeling ondergaat waarbij het uranium uit het erts wordt afgescheiden. Zo wordt dam uraniumoxide U3O8 verkregen. Om een kernreactor te laten draaien die ongeveer 1000 MW elektrisch vermogen produceert, is er jaarlijks ongeveer 200 ton U3O8 nodig.

De volgende stap bestaat er in om het uranium te verrijken met 235U. Dit proces start met het omvormen van het uraniumoxide (U3O8) tot uraniumhexafluoride (UF6). In snel draaiende centrifuges wordt dit gas daarna in twee delen gesplitst. Door 238Uaf te scheiden ontstaat er één stroom die relatief meer 235Ubevat (“verrijkt uranium”), en een tweede die juist minder 235Ubevat (“verarmd uranium”). De eerste zal gebruikt worden om brandstof voor kernreactoren te vervaardigen. De tweede, die minder 235U bevat kan bijvoorbeeld in metallische vorm gebruikt worden om efficiënt gammastralingen af te schermen omdat uranium een zeer zwaar metaal is.

Wanneer de brandstof na gebruik weer uit reactor wordt gehaald, wordt ze eerst een tijd lang opgeslagen om de aanwezige kortlevende radioactieve isotopen te laten vervallen zodat ze minder warmte afgeeft. Daarna wordt de gebruikte brandstof ofwel herwerkt om de splijtbare isotopen (235U and 239Pu) er uit te halen, of klaargemaakt voor langdurige opslag zonder herwerking.

Het is heel interessant om het volume en de radiotoxiciteit van het hoog radioactief afval dat ondergronds zal worden opgeslagen, met een factor 100 of meer te verkleinen. Ongeveer 97% van de gebruikte brandstof kan immers opnieuw gebruikt worden om nieuwe brandstofstaven te vervaardigen, waarna dan nog maar een zeer kleine fractie (enkele procenten van het volume van een brandstofstaaf) als hoog radioactief afval moet worden opgeslagen. Het gerecupereerde uranium bestaat voor slechts ongeveer 1% uit 235U (verarmd uranium). Naast ondergrondse opslag worden ook ‘Partitioning and Transmutation’ (P&T) technologieën overwogen. Hierbij zouden actinides (plutonium, neptunium, americium en curium) en sommige langlevende fissieproducten uit de gebruikte brandstofstaven verwijderd worden.

Transport van gebruikte brandstof van een kernreactor over de weg in Japan. (Bron: The Energy Library)

In tegenstelling wat soms wel eens beweerd wordt is het transport van gebruikte brandstof van een kernreactor niet gevaarlijk. In de voorbije 40 jaar zijn er alleen al in de Verenigde Staten ongeveer 3000 van dergelijke transporten geweest. Hierbij werden gebruikte brandstofstaven vervoerd met vrachtwagens en treinen over een totale afstand van ongeveer 2.5 miljoen km, zonder dat er zich één enkel incident heeft voorgedaan. Ook in Europa heeft zich nooit een incident voorgedaan bij dergelijke transporten. De veiligheid tijdens zo een transport wordt vooral gegarandeerd door een zwaar (ongeveer 120 ton) stalen vat waarin de brandstofstaven geplaatst worden. Deze vaten hebben een wanddikte van ongeveer 50 cm, ongeveer 15 keer dikker dan de wand van olievaten. Voor elke ton gebruikte kernbrandstof wordt er typisch drie keer zo veel materiaal gebruikt voor de verpakkingscontainer en het biologisch schild dat de straling tegenhoudt. Deze containers kunnen 30 minuten in een vlammenzee doorbrengen en een val van 9 meter hoog op een betonnen ondergrond weerstaan. Ze zijn voorzien om zelfs bij de impact van een vliegtuig intact te blijven! Per container worden er maximaal negen gebruikte brandstofstaven vervoerd. Recent werden er ook wijzigingen aan de constructie van deze stalen containers aangebracht om ook terroristische aanslagen te kunnen doorstaan.

Naast in kerncentrales en bij militaire toepassingen, wordt er ook overal waar radioactieve bronnen gebruikt worden kernafval geproduceerd. Zo bijvoorbeeld in hospitalen met afdelingen voor nucleaire geneeskunde en radiotherapie, in universitaire en industriële onderzoekslaboratoria, en bij het gebruik van radioactieve bronnen in industriële processen (bijvoorbeeld in de papierindustrie, in uranium- en steenkoolmijnen, bij de aanmaak van rookdetectoren, enz.). In tegenstelling tot gebruikte brandstofstaven is dit kernafval echter slechts laag of middelmatig radioactief en zijn de halfwaardetijden van de isotopen meestal niet zo groot. Dit afval wordt meestal samengeperst voordat het wordt opgeslagen in speciaal daarvoor ontworpen containers.

Er zijn enkele alternatieven voor het langdurig opslaan van kernafval. Bij transmutatie wordt een langlevend radioactief isotoop door het invangen van een neutron omgezet in een ander isotoop dat een kortere halfwaardetijd heeft of zelfs stabiel (dus niet radioactief) is. Bij verbranding (‘incineration’) leidt het invangen van een neutron tot de vorming van een isotoop dat vervalt door kernsplijting. Er worden grote inspanningen gedaan om beide processen commercieel interessant te maken. Het ADS (‘Accelerator Driven System) concept laat bovendien hopen dat het kernafval dat we tot hier toe wereldwijd geproduceerd en opgeslagen hebben, en ook dat wat nog zal geproduceerd worden, zal kunnen worden omgezet in kortlevende afval dat we veel makkelijker zullen kunnen opslaan. Bij een ADS systeem wordt een beperkte hoeveelheid uranium samen met kernafval uit andere reactoren als brandstof gebruikt. De hoeveelheid uranium is onvoldoende om zelf een kettingreactie op gang te brengen zodat zich in een ADS reactor nooit een smelten van de brandstof kan voordoen. Met een deeltjesversneller wordt een bundel van snelle protonen op de gemengde brandstof van het ADS systeem geschoten. Hierbij worden uranium en andere isotopen in de brandstof gespleten. De neutronen die daarbij vrijkomen, laten toe om de kettingreactie op gang te houden. Als de protonenbundel wegvalt, worden er echter niet meer genoeg neutronen in het systeem geproduceerd, en stopt de kettingreactie. Dit is daardoor een zeer veilige kernreactor. Bovendien worden naast het uranium ook de isotopen van het langlevend kernafval (sommige met halfwaardetijden van enkele honderdduizenden jaren) gespleten. Omdat de fissieproducten die bij de splijting van dit kernafval geproduceerd worden een halfwaardetijd van hooguit nog ongeveer 300 jaar hebben, is het dan niet langer nodig om het kernafval voor zeer lange periodes op te slaan. Na ongeveer 300 jaar zal de radioactiviteit immers al zo sterk zijn afgenomen dat er geen groot gevaar meer bestaat. Tegelijk zal bij de splijting van dit kernafval energie worden geproduceerd die in elektriciteit zal worden omgezet! Aan het Studiecentrum voor Kernenergie (SCK-CEN) in Mol (België) loopt een onderzoeksproject om een dergelijk ADS systeem effectief te realiseren (http://myrrha.sckcen.be/), waardoor het kernafvalprobleem dan uit de wereld zou worden geholpen.