NRG en nucleair in het nieuws	Krantenartikelen

Zoeken in NRG krantenartikelen NUCLEAIRE ALCHEMIE Chemisch2Weekblad Door: Ronald Schram, Marcel den Exter, Geert-Jan de Haas en Frodo Klaassen NRG 2 augustus 2003   De chemische revolutie in keramische materialen.Dat is wellicht de beste omschrijving voor de processen die plaatsvindenbij het gebruik en hergebruik van nucleaire splijtstoffen. Hierbijworden langlevende isotopen omgezet in stoffen met een kortere levensduur. Bij het splijten van uranium komt energie vrij die omgezet kan worden in elektriciteit. Zo'n zeventien procent van de wereldwijde elektriciteitsproductie wordt met kernenergie opgewekt. Met slechts enkele grammen uranium kan een huishouden een jaar lang van stroom worden voorzien. Een nadeel van kernenergie is echter de aard van het geproduceerde afval. De afvalcomponenten zijn radioactief en hebben een lange halveringstijd. De schadelijkheid van radioactief afval wordt uitgedrukt door de radiotoxiciteit, een maat voor de biologische schade bij ingestie of inhalatie van een bepaalde hoeveelheid radioactieve stof. Vanwege de hoge radiotoxiciteit is het belangrijk dat de afvalcomponenten buiten onze biosfeer blijven. Het risico dat afval toch in de biosfeer terechtkomt kan op verschillende manieren worden verkleind. Ten eerste kunnen wij ervoor zorgen dat de totale hoeveelheid afval wordt verkleind. Dit kan gedaan worden door het afval opnieuw in de reactor te brengen, waarbij langlevende radioactieve stoffen worden omgezet in stoffen met een kortere levensduur. Dit proces wordt ook wel aangeduid met transmutatie. Ten tweede kan het afval beter worden verpakt (gemmobiliseerd) zodat het niet in onzebiosfeer terecht kan komen. Beide methoden, transmutatie en immobilisatie, zijn onderwerp van onderzoek bij NRG. Op dit moment zijn er wereldwijd ruim vierhonderd reactoren in bedrijf. Dit zijn voornamelijk licht water reactoren die standaard uraniumoxide splijtstof gebruiken. Zo'n tien procent van de reactoren wereldwijd heeft een MOX-licentie. MOX staat voor Mixed OXide, dat wil zeggen een mengsel van uranium- en plutoniumoxide. Met MOX wordt een van de afvalcomponenten, het plutonium, hergebruikt. Echter, het tempo waarmee het plutonium wordt geproduceerd, is hoger dan de consumptie via de MOX-route, het plutonium accumuleert dus. Wereldwijd is er op dit moment een voorraad van ongeveer l500 ton plutonium voortkomend uit elektriciteitsproductie. Daarnaast is er een voorraad van ongeveer 250 ton wapenplutonium. SPLIJTING EN ACTIVERING De grondstof voor kernenergie is uranium (U). Dit komt voor in de natuur als uraniumerts. Dit natuurlijke uranium bestaat voor 0,7% uit het splijtbare U-235 nuclide. Voor reactorgebruik wordt het uranium verrijkt middels ultracentrifuge van het gasvormige UF6. Het verrijkte uranium bestaat voor ongeveer 4% uit 235U en voor 96% uit 238U. Uiteindelijk wordt de splijtstof in de vorm van UO2 tabletten gebruikt in de reactor. In de reactor wordt deze splijtstof blootgesteld aan neutronen. De volgende twee reacties vinden daarbij plaats: De vrijkomende neutronen, gemiddeld 2,5 neutron per splijtingsreactie, worden gebruikt voor het instandhouden van de gecontroleerde kettingreactie. Voorbeelden van veelgevormde splijtingsproducten zijn Sr, Rb, Kr (massagetal -- 90) en Xe, Cs, I (massagetal (massagetal -- l30). De afremming van de hoogenergetische splijtingsproducten zorgt voor verhitting van het uraniumoxide, en de hierbij vrijkomende warmte wordt eindelijk omgezet in electriciteit. Naast splijting vindt ook activering plaats (absorptie van neutronen), waarme plutonium (Pu) wordt aangemaakt. Dit plutonium wordt vervolgens, deels door activering en deels door natuurlijk verval, omgezet in overige actiniden als americium (Am), neptunium (Np) en curium (Cm). De splijtingsproducten en de actiniden zijn zowel chemisch als fysisch totaal verschillend. De splijtingsproducten hebben een levensduur van 270 jaar, terwijl de actiniden een levensduur hebben van ongeveer 130.000 jaar. Alhoewel het afval -- lees: de gebruikte splijtstof - voor het grootste deel bestaat uit uranium, is het toch voornamelijk het plutonium dat de radiotoxiciteit op de lange termijn domineert. Naast Pu geven Am en Cm belangrijke bijdragen aan de radiotoxiciteit. Het neptunium levert weliswaar een beperkte bijdrage aan de totale radiotoxiciteit, maar is door het mobiele karakter van zijn verbindingen toch van belang met het oog op mogelijke verspreiding binnen onze biosfeer. Daarnaast neemt de hoeveelheid neptunium toe in de loop van de tijd door radioactief verval van het in grotere hoeveelheid in het afval aanwezige plutonium-241 en americium-241. De splijtstof verblijft zo'n drie jaar in de reactor waarna het ofwel direct wordt opgeslagen ofwel wordt hergebruikt. Het hergebruiken begint bij de opwerkingsfabrieken, waar het uranium en het plutonium van de overige afvalcomponenten worden afgescheiden. Dit uranium en plutonium kan opnieuw worden gebruikt in de vorm van MOX. Dan resteren de overige actiniden en de splijtingsproducten welke volgens de huidige technologie worden verglaasd en uiteindelijk zullen worden opgeslagen. Bij NRG wordt de haalbaarheid van transmutatie en immobilisatie van de huidige reststromen van actiniden en splijtingsproducten onderzocht. URANIUM-VRIJE SPLIJTSTOFFEN. Het plutonium kan efficienter worden aangepakt met behulp van uranium-vrije splijtstoffen dan met MOX. Als er geen uranium in de splijtstof aanwezig is,wordt ook geen nieuw plutonium gevormd en het reeds aanwezige plutonium wordt wel omgezet in splijtingsproducten. Het uranium moet echter wel vervangen worden door een ander, niet splijtbaar, keramisch materiaal. De keramische materialen waarin de te transmuteren actiniden, bijvoorbeeld plutonium of americium, worden ingebed, moeten uiteraard zo gekozen worden dat zij zelf niet of nauwelijks tijdens bestraling geactiveerd worden en dus geen nieuw afval opleveren.Voorbeelden van niet-activerende chemische elementen zijn aluminium, magnesium, silicium en zirkonium. Keramische matrices die aan deze voorwaarde voldoen worden ook wel "inerte matrices" genoemd. Naast de lage activeringskans dienen de gekozen materialen een goede warmtegeleiding te hebben en relatief ongevoelig te zijn voor structuurveranderingen door strailngsschade. Daarnaast dient de chemische interactie met de gevormde splijtingsproducten en de zwelling veroorzaakt tijdens bestraling gevormde splijtingsgassen (Kr, Xe, He) beperkt te blijven. Het is dus van belang om zoveel mogelijk te weten te komen over het bestralingsgedrag van keramische materialen teneinde potentiële matrix materialen op voorhand te kunnen selecteren. Recentelijk is het OTTO bestralingsexperiment in de Hoge Flux Reactor (HFR) in Petten afgerond. Dit experiment was een samenwerking van het Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI) en het Paul Scherrer Institute (PSI) uit Zwitserland en NRG met als doel het eenmaal bestralen van plutonium, gevolgd door opslag (OTTO = Once Through Then Out). Doel van dit experiment was het opbranden van plutonium in inerte matrices te testen. Het plutonium werd bij dit experiment ingebed in spinel (MgAI204) en gestabiliseerde zirkoniumoxide (ZrO2) matrices. In het geval van spinel werden Pu-houdende bolletjes met een diameter van 200 micrometer ingebed in een spinelmatrix. In zirkoniumoxide kan het plutonium direct worden opgelost, omdat het zirkoniumoxide dezelfde kristalstructuur als plutoniumoxide heeft. Bij dit experiment is meer dan de helft van het plutonium omgezet in splijtingsproducten. Dit komt overeen met een afname van de radiotoxiciteit na duizend jaar met een factor twee. Het experiment was een succes: we hebben laten zien dat dergelijke matrices geschikt zijn voor Pu-omzetting. Dit is een belangrijke stap in de oplossing van het afvalprobleem. Hierover is de nodige aandacht in de media geweest; het bovengenoemde project was onderwerp van een NOVA-uitzending op 24 juni 2003. De volgende stap binnen dit onderzoek is het verhogen van de omzetting naar negentig procent. Wij zouden hier ook kunnen spreken van nucleaire alchemie. Weliswaar veranderen wij geen lood in goud, maar actiniden in splijtingsproducten, en dat is een buitengewoon waardevolle omzetting. Daarnaast trachten wij de participatie van elektriciteitsbedrijven en splijtstoffabrikanten binnen dit onderzoek te verkrijgen. Een test van deze innovatieve splijtstof in commerciele (elektriciteitsproducerende) reactoren is het volgende doel.

NRG, PO Box 25, NL-1755 ZG Petten, Netherlands, Tel +31-224564080, Fax +31-224563912 Informatie: info@nrg-nl.com Update 2 augustus 2003