|
Radioactieve recycling
'WE MOETEN WELISWAAR NOG WAT technische hobbels nemen voor we een nog verdergaande recycling van kernafval voor elkaar hebben, maar uiteindelijk is de vraag welke eisen de maatschappij stelt aan kernafval en hoeveel het mag kosten', aldus dr. Ronald Schram, manager van de groep brand-stoffen, actiniden en isotopen bij Nuclear Research & Consultancy Group (NRG) in Petten. NRG is een dochteronderneming van ECN en KEMA en doet onder andere onderzoek naar de levensduurverkorting van radio-actief afval.
Schram is ervan overtuigd dat de recycling-technieken die hij met zijn groep onderzoekt een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan het oplossen van het kernafvalprobleem. Toch hangt commerciële toepassing van veel meer af dan techniek alleen. 'Technisch gezien kan veel, maar het laatste woord is aan de politiek. Die zal moeten definiëren wat het
probleem is met kernafval. Wat ziet de burger als een probleem? Is dat een mogelijke geringe verhoging van de natuurlijke achtergrond-straling? Is dat het hebben van een bepaalde hoeveelheid radiotoxiciteit onder de grond, waar het trouwens goed is afgeschermd. Of is dat het volume van het kernafval? En wil de burger een betere verpakking van het kernafval, een verkorting van de levensduur of allebei?’ Het volume van het kernafval is tegenwoordig al een serieus porbleem in de VS, omdat zij hun kernafval altijd meteen, zonder enige vorm van recycling, opslaan. Nu zitten ze
opgescheept met grote hoeveelheden gebruikte splijtstofelementen, in volume voornamelijk bepaald door het uranium.
Massapercentage
Wereldwijd wordt 17 % van de elektriciteit opgewekt met kernenergie, door ruim vierhonderd kerncentrales. Frankrijk wekt zelfs 80% van de elektriciteit op met kernenergie. Het lang radioactieve kernafval is het belangrijkste argument tegen kernenergie, zeker in Nederland. De splijtstof die de reactor ingaat, bestaat uit tabletten uraniumoxide. Als we het massapercentage uranium van de ongebruikte splijtstof op honderd stellen, wat zit er dan in de gebruikte splijtstof, ofwel het 'afval', wanneer het na gemiddeld zo'n drie jaar uit de reactor wordt verwijderd? Voor 95,4 massaprocent is dat nog steeds uranium. Veel van het uranium blijft dus ongebruikt over. De radioactiviteit en stralingsgiftigheid (een maat voor de biologische schade wanneer
de stof in het lichaam komt) van het overgebleven uranium is echter laag tot zeer laag. Voor 1,0 massaprocent blijft plutonium (een actinide) over en voor 0,1 massa-procent andere actiniden, zoals americium, neptunium en curium. De overige 3,5 massaprocent bestaat uit zogeheten splijtingsproducten, zoals jodium, cesium en strontium. Terwijl de actiniden een levensduur hebben in de orde van honderdduizenden jaren, kennen de splijtingsproducten typisch een levensduur van honderden jaren. De grootste zorg betreft
daarom de langlevende actiniden. Al jaren recyclen landen als Duitsland, Frankrijk, Zwitserland en België uranium en plutonium afkomstig uit het kernafval. Een opwerkingsfabriek scheidt eerst het plutonium en uranium uit het afval. Vervolgens wordt er een nieuwe brandstof van gemaakt: een zogeheten MOX (mixed oxide): een mengsel van uraniumoxide en plutoniumoxide. In feite is MOX gewone uraniumsplijtstof waaraan
een kleine hoeveelheid plutonium is toegevoegd. Huidige reactoren kunnen, zonder technische aanpassingen, voor maximaal eenderde van de totale brandstof MOX gebruiken. Met deze belading is de nette plutoniumproductie nul. De plutoniumvooraad neemt zo dus niet verder toe. Op deze manier kan MOX-gebruik de 1800 ton plutonium die nu wereldwijd aanwezig is wel stabiliseren maar niet terugdringen. Nieuwe recycling technieken,
zoals onder andere bij NRG beproefd, kunnen daartoe wel veel bijdragen.
Transmutatie
Opwerking scheidt uranium en plutonium van de gebruikte splijtstof. Van het na de opwerking nog overgebleven afval worden glazen staven gemaakt. Hierin zitten andere actiniden als americium, neptunium en curium, plus de splijtingsproducten, stevig opgesloten. De laatste stap is onder- of bovengrondse opslag van de staven. Op 30 september opende koningin Beatrix bij Vlissingen het Haboggebouw, waar hoogradioactief
afval voor honderd jaar bovengronds wordt opgeslagen. Wat er daarna gebeurt met de staven is nu nog onduidelijk, maar ondergrondse opslag lijkt de meest waarschijnlijke optie. Nieuwe recyclingstrategieën experimenteren hoe de diverse langlevende isotopen die nu nog worden verglaasd, opnieuw kunnen worden gebruikt als brandstof in de kernreactor.
Schram onderzoekt met zijn groep de splijting van de langlevende isotopen plutonium en americium in korter levende splijtingsproducten. Dat gebeurt met neutronen, net zoals dat in een kernreactor standaard plaatsvindt. De omzetting van langlevende nucliden naar kortlevende of stabiele nucliden heet met een duur woord 'transmutatie', in slordig taalgebruik heet het ook wel 'opbranden' of ‘verbranden’. Splijting kan de levensduur van het radioactieve afval met een factor duizend terugbrengen tot zo'n driehonderd tot duizend jaar. Deze recycling kan de nu al aanwezige plutoniumvoorraad terugdringen, maar ook de levensduur van toekomstig kernafval verkorten.
De langlevende isotopen kunnen niet zomaar worden teruggestopt in de reactor. De kernreacties zouden dan te hard verlopen. De oplossing is het inbedden van bijvoorbeeld plutonium of americium in een inert, keramisch dragermateriaal in plaats van in uranium. De nieuwe splijtstof is uraniumvrij, zodat tijdens de neutronenbestraling geen nieuw plutonium ontstaat. En het al aanwezige plutonium wordt omgezet in korter levende splij-tingsproducten. Zo'n inert keramisch materiaal dat uranium als drager vervangt, reageert
niet of nauwelijks chemisch en raakt niet radioactief bij neutronenbestraling.
Schram: 'We onderzoeken hoe je een lang levende straler moet verpakken om het vervolgens twee jaar in een reactor te hangen en zo als gerecyclede brandstof te gebruiken. Het draagt gewoon bij aan de energieopwekking.' Het dragermateriaal moet niet tot nauwelijks door de neutronen worden geactiveerd, goed warmtegeleidend zijn en de structuur van het materiaal moet zo stevig zijn dat het niet verandert bij eventuele stralingsschade.
De drager komt in de reactor bloot te staan aan een bombardement van neutronen,
alfadeeltjes en splijtingsproducten en aan temperaturen van meer dan 1000 °C. Hierdoor zou de drager microscopische schade kunnen oplopen en zijn specifieke eigenschappen verliezen. Dat mag dus niet gebeuren.
Geschikte elementen voor een drager die aan alle eisen voldoet, zijn bijvoorbeeld zirkonium, aluminium, magnesium en silicium. Schram: 'Aan de ene kant willen we zoveel mogelijk langlevende straler in het dragerma-teriaal stoppen, maar het mag ook weer niet zoveel zijn dat het vermogen te hoog wordt, waardoor de temperaturen te veel stijgen. De bijdrage aan de energieopwekking moet liefst hetzelfde zijn als dat van de uraniumoxidebrandstof. We stellen zo een combinatie van reactorfysische en economische eisen aan de recyclebrandstof’.
Spinel
NRG heeft in december vorig jaar een tweejarige bestraling afgerond van zeven splijtstofpennen met plutonium in de Pettense reactor. Zes daarvan hadden een experimentele inerte-dragersplijtstof en de zevende bevatte MOX-splijtstof als referentie materiaal. De onderzoekers gebruikten geochemisch stabiele materialen, zodat de opgebrande splijtstof direct geschikt is voor eindberging. Het ging om spinel, een oxide dat magnesium en aluminium bevat, en zirkoniumoxide. Het dragermateriaal bevat dan uiteindelijk plutoniumbolletjes van 200 micrometer en ziet eruit als een pilletje.
Na 548 bestralingsdagen was 60% van de oorspronkelijke hoeveelheid plutonium gespleten. 'Dat is al een hoog percentage', zegt Schram. 'Maar we gaan nu proberen om het nog op te krikken naar 90%. Bovendien onderzoeken we ook de splijting van de andere actiniden uit het afval.’ Deze resultaten vormen een van de aanknopingspunten voor een hernieuwde discussie over het gebruik van kernenergie in Nederland. In opdracht van het ministerie van OCW onderzoekt het Rathenau Instituut momenteel wat de meest recente
ontwikkelingen - zowel in technisch opzicht als in het licht van de klimaatdiscussie
- betekenen voor de diverse argumenten voor en tegen kernenergie.
De klimaatdiscussie speelde twintig jaar geleden niet, reactoren zijn veel veiliger geworden en recycling was destijds ook nog niet zover als nu mogelijk is. In de toekomst moeten zowel plutonium als americium en curium elk verpakt in een eigen dragermateriaal als recyclebrandstof voor commerciële kernreactoren kunnen dienen. Dat is het doel van
de steeds verder gaande recycling. Het afscheiden van plutonium gebeurt nu al efficiënt. Americium en curium afscheiden is echter heel wat moeilijker en levert nog wel wat technische hoofdbrekens. Maar stap voor stap boekt de recycling van kernafval vooruitgang. Het Pettense experiment op laboratorium-schaal werkt uiteraard met kleine hoeveelheden recyclebare splijtstof, in de vorm van kleine pilletjes. Toch is het
geen probleem om het proces op te schalen naar veel grotere hoeveelheden, zegt de NRG-onderzoeker. 'Die pil-letjes zijn makkelijk en in grote hoeveelheden te maken.' Graag zou Schram recyclingtests uitvoeren in een commerciële reactor. Technisch gezien is dat geen enkel probleem, maar kerncentrales hebben nu geen enkele prikkel om daaraan mee te werken. 'Commerciële centrales zien geen probleem met de afvalverwerking zoals die nu plaatsvindt. We slaan het afval toch gewoon op, zeggen ze dan. Natuurlijk is dat een korte-termijnvisie, want uiteindelijk is het ook in hun belang dat de burger meer vertrouwen krijgt in de manier waarop we met kernafval omgaan.' De overheid is daarom nodig om innovatieve recyclingconcepten in commerciële centrales te testen en uiteindelijk bijvoorbeeld verplicht in te voeren, vindt Schram. Daarvoor zijn regels
nodig die eisen stellen aan wat wel en niet in kernafval mag. 'We weten dat ons recyclingconcept werkt. Het staat klaar om richting industrie te gaan, maar dat kunnen wij niet alleen. Er zit een heel internationaal politiek spinnenweb omheen, een krachtenspel tussen overheid, bedrijfsleven en onderzoek. We krijgen veel aandacht voor ons recyclingonderzoek. Maar dat is voornamelijk vanuit publieksperspectief en niet vanuit
bedrijfsperspectief.’ 'Dan komen we weer terug bij het begin’, zegt Schram. 'Alles hangt af van hoe de maatschappij tegen het afvalprobleem aankijkt. Elke vorm van energieopwekking levert op een of andere manier afval. Maar de vraag is dan hoe je dat afval beoordeelt en hoeveel geld we ervoor over hebben om een bepaalde afvalcomponent te reduceren. Terugdringen van vervuilende uitstoot of het opslaan van koolstofdioxide bij het gebruik van fossiele brandstoffen kost ook geld. Recycling van kernafval is evenmin gratis, maar kan de levensduur van langlevende isotopen wel met een factor honderd tot duizend terugdringen.' www.nrg-nl.com
|
![[menubar_home]](http://www.nrg-nl.com/images/menu/genbar.gif){kind=small}
![[MailBox]](http://www.nrg-nl.com/images/mailbox2.gif)