Kernenergie. Hiteq. Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland. Mark Veltman. Domein Technologie

Transcriptie

1 centrum van innovatie Hiteq Hiteq, centrum van innovatie, wil komen tot duurzame vernieuwing. Het centrum richt zich daarbij op technische beroepen en opleidingen. Hiteq wil ondernemingen en onderwijsinstellingen met concepten, modellen en visies ondersteunen bij het richting geven aan hun strategische beleid en toepassen van innovatie. Daarvoor ontwikkelt het centrum toekomstscenario s; visies op een toekomst die mogelijk gaat ontstaan. Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Mark Veltman Domein Technologie Januari 2007 Uitgave: juli Opdrachtgever Hiteq, centrum van innovatie Programmaleider Technologie Ir. Daan Maatman

2 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Mark Veltman Opdrachtgever Hiteq, centrum van innovatie Programmaleider Technologie Ir. Daan Maatman Domein: Technologie Januari 2007 Uitgave: juli

3 Hiteq Hiteq, centrum van innovatie, wil komen tot duurzame vernieuwing. Het centrum richt zich daarbij op technische beroepen en opleidingen. Hiteq wil ondernemingen en onderwijsinstellingen met concepten, modellen en visies ondersteunen bij het richting geven aan hun strategische beleid en toepassen van innovatie. Daarvoor ontwikkelt het centrum toekomstscenario s; visies op een toekomst die mogelijk gaat ontstaan. Hiteq doet dat door kennis te ontsluiten, te combineren en te verrijken en werkt daarbij samen met specialisten uit de wetenschap, het onderwijs en ondernemingen. Ontwikkelingen in vernieuwingsgebieden zijn vaak niet in afgebakende domeinen te vangen. Er is samenhang en wederzijdse beïnvloeding. Om enige richting te bepalen, hanteert Hiteq vier domeinen: Maatschappij Onderneming en arbeid Onderwijs Technologie Hiteq zoekt nadrukkelijk de verbanden tussen de domeinen, omdat de ontwikkelingen als geheel van invloed zijn op leren en werken in technische beroepen. Deze Hiteqpublicatie valt binnen het domein Technologie. Hiteq is een initiatief van Kenteq Deze publicatie is een bewerking van een onderzoeksverslag in het kader van de opleiding Engineering, Design & Innovation van de Hogeschool van Amsterdam Opdrachtgever: Hiteq, centrum van innovatie Programmaleider: ir. Daan Maatman

4 Inhoudsopgave Samenvatting 7 1 Inleiding 9 2 Wat is kernenergie? 11 3 Kernsplijting Het principe van kernsplijting Geschiedenis van de kernsplijting Splijtstof Landen op de kernenergiemarkt Radioactiviteit en straling Radioactiviteit Straling Radioactief afval Verwerking van radioactief afval Ondergrondse opslag Transmutatie 34 4 Kernfusie Het principe van kernfusie Korte geschiedenis van de kernfusie Kernfusieprojecten De bijdrage van Nederland 41 5 Conclusie Technologische mogelijkheden Opleidingsmogelijkheden Maatschappelijke impact 46 Bronnen 47 Noten 51 Termen en afkortingen 53

5 Bijlagen Samenvatting 1 Typen reactoren 57 2 De kernenergiecyclus 66 3 Actieve landen 67 4 De voor en nadelen van kernsplijting 69 Met kernenergie wordt bedoeld: de energie die vrijkomt bij het splijten (kernsplijting) of fuseren (kernfusie) van atoomkernen. Momenteel wordt alleen kernsplijting als commerciële methode van energieopwekking gebruikt; de techniek achter kernfusie is nog niet ver genoeg ontwikkeld. Kernsplijting is het splijten van een uranium235atoom met behulp van een neutron. Wanneer het atoom gespleten wordt, komen er (minimaal) twee brokstukken, twee à drie neutronen en een grote hoeveelheid energie vrij. 5 De COVRA 71 6 Plasma 73 Colofon 76 Kernsplijting heeft een aantal voordelen. Maar er is ook een groot nadeel, dat voor veel mensen zwaarder weegt dan de voordelen: het afval. Geen gewoon afval maar afval dat ioniserende straling uitzendt, beter bekend als radioactief afval. Dit radioactieve afval blijft gedurende duizenden jaren schadelijk voor mens en milieu. Met de huidige technieken op het gebied van afvalverwerking kan de levensduur (de tijd waarbinnen het afval schadelijk is) gereduceerd worden tot enkele honderden jaren. Momenteel worden de mogelijkheden onderzocht om het afval ondergronds, in geologisch stabiele lagen, op te slaan en om door middel van transmutatie de langlevende (gevaarlijke) deeltjes om te zetten in kortlevende deeltjes. Dit onderzoek vindt onder andere plaats bij de Nuclear Research and consultancy Group (NRG) in Petten. Doordat de benodigde grondstof voor kernsplijting eindig is en afval met zich meebrengt, kan kernsplijting niet gezien worden als een vorm van duurzame energie. Kernfusie, daarentegen, is wél een vorm van duurzame energie. De brandstof die hierbij wordt gebruikt, bestaat uit waterstofisotopen, waarvan een oneindige hoeveelheid op aarde aanwezig is. En het afval/restproduct bestaat uit helium, een onschadelijk gas. Kernfusie staat echter nog voor een aantal grote technische uitdagingen. Eén van deze uitdagingen is dat het fuseren van atomen een extreem hoge temperatuur vereist. Omdat nog niet bewezen is dat kernfusie rendabel kan zijn, wordt momenteel gewerkt aan een wereldonderzoeksproject op dit gebied. De verwachting is, indien alle proeven en testen goed gaat, dat in 2050 de eerste commerciële kernfusiereactor actief kan zijn. Nederland kan met zijn organisaties en instellingen een belangrijke rol spelen in zowel het onderzoek naar, als de optimalisering van kernsplijting. Wat betreft kernfusie kan Nederland een belangrijke bijdrage leveren aan het wereldwijde onderzoeksproject ITER. Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 7

6 Als Nederland een rol wil spelen op het gebied van kernsplijting, dan valt te denken aan het hoog aangeschreven fysische onderzoek en aan de industriële automatisering. Verder beschikt Nederland over onderzoeksreactoren met goede mogelijkheden om onderzoek te doen naar speciale materialen. Het gaat dan om materialen die goed neutronen kunnen invangen of materialen die bestand zijn tegen extreem hoge temperaturen. Ten slotte: bij TUDelft en NRG worden opleidingen verzorgd voor onder andere reactorpersoneel. 1 Inleiding In 1955 voorspelde een stofzuigerfabrikant dat er binnen tien jaar een nucleair aangedreven stofzuiger op de markt zou verschijnen. En een fabrikant van boilers en radiatoren voorzag de komst van de huisreactor. 1 Daar is niets van terechtgekomen. De euforische stemming rond kernenergie stuitte begin jaren zeventig op maatschappelijke weerstand, die aan het eind van dat decennium politieke steun kreeg door het reactorongeval in de Amerikaanse kerncentrale Three Mile Island. Na het reactorongeval in Tsjernobyl in 1986 verdwenen de plannen voor de nieuwbouw van kerncentrales, die ook in Nederland gereed lagen, van tafel. De behoefte aan energie neemt steeds verder toe. Nu er een tekort aan fossiele brandstoffen dreigt te ontstaan én het klimaat een steeds grotere kwestie wordt, zal er gekeken moeten worden naar andere vormen van energieopwekking. Om deze redenen is de staatssecretaris van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer (VROM) in september 2006 gekomen met de notitie Randvoorwaarden voor nieuwe kerncentrales. De notitie geeft een leidraad: waar moeten eventuele nieuwe kerncentrales aan voldoen? Welke technologische rol kan Nederland spelen op de internationale markt van de kernenergie? Dat is de centrale vraag in deze publicatie. Om tot een antwoord te komen wordt uitgebreid ingegaan op een aantal aspecten van kernenergie. De opbouw van de publicatie is als volgt: Allereerst wordt in hoofdstuk 2 ingegaan op wat kernenergie nu precies is. In hoofdstuk 3 is er uitgebreid aandacht voor kernsplijting; dit is de belangrijkste vorm van kernenergie en bovendien de enige die momenteel commercieel toepasbaar is. Vervolgens komt in hoofdstuk 4 de andere vorm van kernenergie aan de orde: kernfusie. In hoofdstuk 5, het laatste hoofdstuk, wordt het antwoord gegeven op de centrale vraag, waarbij een onderverdeling is gehanteerd in technologische mogelijkheden, opleidingsmogelijkheden en maatschappelijke impact. Naast het hoofddoel heeft deze publicatie ook een secundaire, afgeleide doelstelling, namelijk het leveren van een bijdrage aan de verbreding van het gezichtsveld van mensen op het onderwerp kernenergie, of zij nu voor of tegen kernenergie zijn of zich daarover nog geen mening hebben gevormd. Daarom is gestreefd naar een zo neutraal mogelijke weergave van informatie en feiten. 8 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland

7 2 Wat is kernenergie? Kernenergie is de energie die vrijkomt bij de splijting of de fusie van atoomkernen. Momenteel voorziet kernenergie in ongeveer 16% van de wereldwijde vraag naar elektriciteit. De techniek van alle (wereldwijd) 441 in bedrijf zijnde kerncentrales berust op het principe van kernsplijting. Daarbij gaat het om het splijten van uraniumatomen met behulp van neutronen. Wanneer een uraniumatoom een neutron invangt, wordt de kern van het atoom instabiel en breekt ( splijt ) deze na een zeer korte tijd in twee brokstukken van ongelijke grootte. Bij dit proces komen twee à drie nieuwe neutronen vrij, die op hun beurt nieuwe uraniumatomen kunnen splijten. Dit dominoeffect wordt ook wel aangeduid met de term kettingreactie. Wanneer de kern splijt komen er niet alleen neutronen en twee brokstukken (xenon, strontium of krypton) vrij, maar ook een grote hoeveelheid energie in de vorm van warmte (enkele honderden graden Celsius). De energie wordt opgenomen door het koelwater van de kerncentrale. Bij een Pressurized Water Reactor (PWR, het reactortype dat het meest voorkomt; 268 centrales) staat het koelwater onder hoge druk (155 bar). Hierdoor neemt het water wel de warmte op, maar gaat het niet koken. Het koelwater bevindt zich in een primaire kringloop die in verbinding staat met een secundaire kringloop. Deze secundaire kringloop staat onder een veel lagere druk, waardoor het water in deze kringloop wél gaat koken en zo stoom produceert. Met deze stoom wordt een stoomturbine aangedreven die zijn bewegingsenergie omzet in elektriciteit door middel van een generator. De stoom wordt vervolgens door middel van een condensator weer omgezet in water. Dit is een voorbeeld van een gesloten circuit (geen verlies van water): het (koel)water kan weer dezelfde route doorlopen. 2 (Zie Afbeelding 1.) Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 11

8 A E G F (Afbeelding 2 is een schematische weergave van een kernfusiecentrale.) Er bestaan op het moment nog geen commercieel toepasbare kernfusiecentrales; naar verwachting zullen deze pas op de langere termijn beschikbaar komen. B D H C I Afbeelding 1: Schematische weergave van een kerncentrale, type PWR. A = reactor; B = regelstaven; C= brandstofkern; D = stoomgenerator; E = stoom; F = generator; G = stoomturbine; H = condensator; I = koeling. Primaire kringloop: C D. Secundaire kringloop: D E G. Tertiaire kringloop (kringloop van het koelwater): H I. Een Boiling Water Reactor (BWR; 94 centrales) werkt anders. Hier is er geen scheiding van koelwater en stoomproductie. De primaire en secundaire kringloop vormen één circuit. Het koelwater staat onder een druk van 80 bar en gaat koken bij ongeveer 300 C, waardoor het direct wordt omgezet in stoom. De stoom wordt op dezelfde wijze als bij de PWR omgezet in elektriciteit. (Zie ook Bijlage 1: Typen reactoren.) Relativiteitstheorie De energie die vrijkomt bij kernsplijting is te berekenen aan de hand van de relativiteitstheorie van Einstein: E = mc 2. Hierbij staat E voor de vrijgekomen energie, m voor het massaverschil en c voor de lichtsnelheid. De lichtsnelheid is een zeer groot getal ( m s). Afbeelding 2: Schematische weergave van een kernfusiecentrale. Het gele gedeelte is het plasma; hier vindt het fusieproces plaats. (Bron: In hoofdstuk 3 wordt uitgebreid ingegaan op kernsplijting. Het onderwerp kernfusie komt aan de orde in hoofdstuk 4. Kernfusie, de andere vorm van kernenergie, heeft meer verschillen dan overeenkomsten met kernsplijting. De grootste overeenkomst is dat de elektriciteit op dezelfde (conventionele) manier wordt opgewekt. Belangrijk verschil is dat het kernsplijtprincipe is gebaseerd op het splijten van grote/zware atomen (uranium) en het kernfusieprincipe op het samensmelten (fuseren) van lichte atomen (waterstof). Bovendien is er voor het fuseren van atomen een extreem hoge temperatuur vereist: 100 tot 150 miljoen graden Celsius. 12 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland

9 3 Kernsplijting Kernsplijting wordt toegepast in alle 441 kerncentrales ter wereld en berust op het principe van het uit elkaar vallen (splijten) van zware atomen in twee lichtere brokstukken. Dit gaat gepaard met een grote uitzending van energie. Het principe is schematisch weergeven in Afbeelding 3. Ba144 Neutron Neutron Neutron U235 Neutron Kr89 Afbeelding 3: Het splijten van een uraniumatoom (kernsplijting). Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 15

10 3.1 Het principe van kernsplijting Om het principe van kernsplijting te verduidelijken, wordt hier eerst toegelicht wat een atoom nu eigenlijk is. Alle materie op aarde is opgebouwd uit atomen. Deze bouwstenen zijn, vooralsnog, de kleinste scheikundige elementen die we kennen. Een atoom heeft een kern die bestaat uit twee verschillende soorten deeltjes: protonen (positief geladen) en neutronen (ongeladen). Om de kern draait een wolk van negatief geladen elektronen. Deze wolk bepaalt de fysieke grootte van het atoom. (Zie Afbeelding 4.) De elektronenwolk draait om de kern als gevolg van de kernbinding: de elektrische aantrekking tussen de positief geladen kern en de negatief geladen elektronen. Veel natuurkundige eigenschappen (onder andere de massa en het radioactieve gedrag van het atoom) hebben niets met de elektronen te maken, maar alleen met de kern. Omdat elektronen vrijwel geen massa hebben, wordt de massa van het atoom hoofdzakelijk bepaald door de uitermate kleine kern. De protonen en neutronen in de kern worden bij elkaar gehouden door de sterke kernkracht; dit is de sterkste kracht van de vier fundamentele natuurkrachten. Natuurkrachten Alle krachten kunnen worden afgeleid uit een viertal fundamentele natuurkrachten, te weten (gerangschikt van sterk naar zwak:) Sterke kernkracht houdt de protonen en neutronen bij elkaar. Elektromagnetische kracht houdt de elektronen vast. Zwakke kernkracht speelt een rol in vervalprocessen. Zwaartekracht houdt materie op grote schaal bij elkaar. Het aantal protonen in de atoomkern is gelijk aan het atoomnummer. Het is bepalend voor de chemische eigenschappen van het atoom. Een stof bestaande uit atomen met hetzelfde atoomnummer wordt een element genoemd. Voorbeelden: waterstof (atoomnummer 1), helium (atoomnummer 2), ijzer (atoomnummer 26), uranium (atoomnummer 92). De 118 bekende elementen zijn gerangschikt in het periodiek systeem. 3 Afbeelding 4: een (willekeurig) atoom. Elk atoom heeft daarnaast een bepaald aantal neutronen in de kern. Het aantal neutronen en het aantal protonen bepalen het massagetal. Het komt voor dat atomen van eenzelfde element een afwijkend aantal neutronen bezitten, en dus ook een andere massa hebben. Deze afwijkende atomen worden isotopen genoemd. Ze hebben dezelfde chemische maar andere fysische eigenschappen. Isotopen van een bepaald element hebben dus hetzelfde atoomnummer maar een afwijkend massagetal. Een voorbeeld: Uranium heeft atoomnummer 92, dus 92 protonen in de kern. Natuurlijk uranium komt in de meeste gevallen (99,3%) voor met het massagetal 238. Dit wordt verkort weergegeven als 238 U of als U238. Dat houdt in dat er = 146 neutronen in deze kern zitten. Een isotoop van uranium is uranium met het massagetal 235 ( 235 U of U235). Deze komt voor in 0,7% van de gevallen. U235 heeft 92 protonen en 143 neutronen in de kern en kan, in tegenstelling tot U238, splijten door het invangen van neutronen. 16 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 17

11 Meerdere atomen die in een vaste rangschikking van chemische bindingen met elkaar verbonden zijn, worden moleculen genoemd. Hierbij hoeft het niet te gaan om atomen van hetzelfde element. Zo bestaat een watermolecuul uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Atoomkernen van de isotoop U235 kunnen door kernsplijting worden gesplitst tot kleinere kernen onder het uitzenden van warmte, neutronen en straling. Wanneer een U235isotoop een neutron invangt, wordt hij een U236isotoop. Dit is een isotoop die niet in de natuur voorkomt en die een zeer korte halfwaardetijd heeft. (De halfwaardetijd is de tijd die een radioactieve stof nodig heeft om de helft van zijn radioactiviteit te verliezen; deze tijd verschilt per stof zie ) Deze isotoop splitst zich in twee ongelijke brokstukken. Deze brokstukken kunnen bestaan uit de volgende elementen: krypton (Kr), barium (Ba), cesium (Cs), jodium (I), strontium (Sr), xenon (Xe). Het splijten van een uraniumatoom is schematisch weergegeven in Afbeelding 3 en ziet er in formulevorm als volgt uit: 235 U+neutron é 236 U é 144 Ba Kr neutronen + straling De neutronen die hierbij vrijkomen kunnen op hun beurt weer een nieuwe reeks splijtingen veroorzaken (kettingreactie). Per reactie komt er een zeer grote hoeveelheid energie vrij in de vorm van warmte. Ter vergelijking: het splijten van 1 gram uranium levert evenveel energie op als de verbranding van 2500 liter benzine of van 3000 kilogram kolen. Met de vrijgekomen warmte wordt op conventionele manier energie opgewekt. Het genereren van stoom vindt niet in alle typen kerncentrales op dezelfde wijze plaats (zie ook Bijlage 1: Typen reactoren) Geschiedenis van de kernsplijting In 1938 ontdekten twee Duitse scheikundigen, Otto Hahn en Fritz Strassman, dat uraniumatomen zich laten splijten wanneer er neutronen op worden afgeschoten. In 1942 vond in de eerste kerncentrale een kettingreactie plaats. Deze centrale gebruikte uranium en had als moderator grafiet. (De moderator is de stof die er in de kerncentrale voor zorgt dat de snelle neutronen zodanig worden afgeremd dat ze deel blijven nemen aan de kettingreactie en niet voortijdig de reactor verlaten.) Het doel van deze eerste kerncentrale was aan te tonen dat het splijtingsproces van uranium middels een kettingreactie zichzelf op gang kan houden. Het opwekken van elektrische energie was hier nog niet het doel. Tijdens de Tweede Wereldoorlog en in de periode daarna was de ontwikkeling van kernenergie voornamelijk gericht op militaire doeleinden: de atoombom en de aandrijving van onderzeeërs. In 1954 werd de eerste atoomonderzeeër van de Amerikaanse marine te water gelaten. Deze werd aangedreven door een drukwaterreactor (PWR); een concept dat meteen een succes werd. De Amerikaanse elektriciteitssector nam dit concept over en later zijn ook industrieën in andere landen dit reactortype gaan produceren. De ontwikkeling van kernenergie bleef tot in de jaren negentig een nationale zaak. Ook andere concepten dan de PWR werden in deze tijd ontwikkeld. Na een aanvankelijk euforische stemming ontstond er in de jaren zeventig maatschappelijke weerstand tegen kernenergie. Deze maatschappelijke beweging kreeg politieke steun na het reactorongeval in de Amerikaanse kerncentrale Three Mile Island in 1979; een steun die krachtiger werd na de ramp in Tsjernobyl in Gevolg hiervan was dat de bouw van kerncentrales in een aantal landen vrijwel stil kwam te liggen, maar ook dat strengere regelgeving en overheidstoezicht konden leiden tot een grotere betrouwbaarheid en betere economische prestaties van centrales die wél werden gebouwd. Kernenergierampen Het ongeluk op Three Mile Island in 1979 is de bekendste kernenergieramp uit de Amerikaanse geschiedenis. Er waren geen slachtoffers en na de nodige werkzaamheden kon de reactor weer in bedrijf worden gesteld. Het ongeluk in Tsjernobyl in 1986 is wereldwijd waarschijnlijk het bekendste nucleaire ongeluk. De oorzaak van dit ongeval was een menselijk falen, met als gevolg een oververhitte reactorkern. Bij de hierdoor veroorzaakte explosie en brand kwamen 31 mensen om het leven. In de jaren negentig werden reactoren gebouwd van een nieuwe generatie (Generatie III); dit gebeurde alleen in het Verre Oosten (Japan en Korea). In Europa is in 2006 in Finland begonnen met de bouw van een GeneratieIIIreactor: de European Pressurized Reactor (EPR). In Frankrijk zijn er plannen voor de bouw van een centrale van hetzelfde type. In Nederland heeft van 1968 tot 1997 een Boiling Water Reactor (BWR) van de eerste generatie gedraaid in Dodewaard. Deze centrale had een elektrisch 18 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 19

12 vermogen van 54 MW. In 1973 kwam er een TweedeGeneratiePWR in Borssele, die recentelijk werd opgewaardeerd van 450 MW naar 480 MW (door optimalisatie van onder andere de turbines). In 2006 is besloten dat Borssele tot 2033 operationeel blijft. De Technische Universiteit Delft beschikt sinds 1963 over de Hoger Onderwijs Reactor met een thermisch vermogen van 2 MW. Twee onderzoeksreactoren bevinden zich in Petten, onder het beheer van de Nuclear Research & consultancy Group (NRG). Deze drie reactoren wekken geen elektriciteit op en worden daarom niet tot de kerncentrales gerekend Splijtstof Bronmateriaal De splijtstof (brandstof) die in de meeste kerncentrales gebruikt wordt, is uranium. Vooral de (splijtbare) isotoop U235 is van groot belang. Uranium is na raffinage een zilverwit, licht radioactief metaal, iets zachter dan staal. Het is vervormbaar (buigzaam) en heeft een zeer hoge dichtheid (65% dichter dan lood). Het uraniumerts dat van nature het meest op aarde voorkomt is uraniniet. Het bestaat voornamelijk uit uraniumdioxide, dat wordt verwerkt tot ammoniumdiuranaat, beter bekend als Yellow Cake. Deze Yellow Cake bevat 70 tot 80% uraniumoxide. Om U235 te winnen moeten grote hoeveelheden erts worden gedolven, want in 1000 kilogram uraniumerts zit slechts 1 kilogram U235. Uraniummijnen zijn onder andere te vinden in Australië, Canada, Niger, de Verenigde Staten en ZuidAfrika. Uranium wordt echter ook gewonnen als bij/afvalproduct in de goud en zilvermijnbouw. Verrijking Uranium bestaat maar voor 0,7% uit U235. Voor een rendabele reactie in de reactor is tussen de 3% en 5% U235 nodig. Om dat percentage te bereiken wordt het uranium verrijkt. Nadat het erts gewonnen is en verwerkt is tot Yellow Cake, wordt het via chemische handelingen (conversie) omgezet in uraniumhexafluoride (UF 6 ). Dit gas is het bronmateriaal voor het verrijkingsproces. Hiervoor bestaan momenteel twee methodes: met behulp van een gascentrifuge of via gasdiffusie. Bij beide methodes wordt gebruikgemaakt van het massaverschil: U235 is lichter dan U238. Het uranium wordt in beide gevallen aan fluor gebonden (conversie) waardoor er uraniumhexafluoride ontstaat. Deze verbinding is bij 60 C gasvormig. Bij het centrifugeproces wordt het gas in een ultracentrifuge (een met zeer hoog toerental draaiende gascentrifuge) bewerkt. De zwaardere fractie (U238) wordt naar de buitenkant geslingerd en kan zo worden afgetapt. In de centrifuge zelf blijft dan voornamelijk het lichtere U235 over. Het op deze manier verrijken van uranium wordt onder andere toegepast bij Urenco in Almelo. Bij gasdiffusie wordt het gas door een membraam geperst waarbij de lichtere fractie (U235) gemakkelijker door het membraam gaat dan de zwaardere fractie. Het gehalte U235 neemt hierdoor toe. Tot 1942 werd eigenlijk alleen de gascentrifugemethode gebruikt. Het lukte echter niet om de technische problemen die zich hierbij voordeden op te lossen. Daarom stapte men over op gasdiffusie, een methode die echter veel meer energie kost. Tot op heden hielden de Amerikanen en de Fransen vast aan dit principe, maar er schijnen plannen te zijn om weer terug te keren naar de techniek van de gascentrifuge. Brandstofstaven Het verrijkte deel van het uranium gaat vervolgens naar een fabriek waar de splijtstofstaven voor de kerncentrale worden gemaakt. In deze fabriek wordt het fluor uit het UF 6 verwijderd, waardoor uraniumdioxide (UO 2 ) ontstaat. Dit zwarte poeder wordt tot tabletjes geperst en verpakt in hulzen (van roestvast staal of zircaloy 5 ) die in bundels bij elkaar de splijtstofelementen (brandstofstaven) vormen. De totale hoeveelheid uranium in een splijtstofelement beslaat circa 500 kilogram voor een drukwaterreactor (PWR) en circa 200 kilogram voor een kokendwaterreactor (BWR). In een kerncentrale zijn meerdere splijtstofelementen aanwezig, die gescheiden worden door regelstaven. (Zie de Afbeeldingen 5 en 6.) Met de regelstaven is het vermogen van de centrale te beïnvloeden: hoe verder deze staven naar beneden gaan, hoe kleiner de kans dat de splijtbare isotopen nog kunnen splijten. Wanneer de staven helemaal naar beneden staan, stopt de kettingreactie. Afbeelding 5: Splijtstofelement. Afbeelding 6: Schematische weergave van de regelstaven. Na enige tijd zo n drie tot vijf jaar is er te weinig splijtbaar uranium over in de splijtstofelementen om het splijtingsproces op gang te houden en moeten de elementen vervangen worden. Een nieuw splijtstofelement bestaat voor circa 20 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 21

13 96% uit U238 en voor circa 4% uit U235. Een opgebrand splijtstofelement bestaat voor 95% uit uranium (voornamelijk U238), voor 1% uit plutonium en voor 4% uit splijtingsproducten (als afval), zoals xenon, americium, cesium, strontium en krypton. (Zie Afbeelding 7.) 4% 4% 1% (radioactief) afval. Opwerkingsfabrieken zijn te vinden in Engeland, Frankrijk, Rusland en Japan. Het teruggewonnen uranium en plutonium kan na een passende chemische bewerking weer opnieuw in de centrale worden gebruikt: het uranium kan de gehele kernenergiecyclus (van uraniumerts tot afval) weer doorlopen; het plutonium wordt gebruikt bij de splijtstofstavenfabricage. Door het plutonium te mengen met uranium ontstaat er een splijtstofmengsel dat bekend staat als MOX (Mixed Oxide). 96% 95% Kernenergiecyclus Afbeelding 7: Samenstelling van (links) de verse splijtstof (96% U238 en 4% U235) en (rechts) de gebruikte splijtstof (95% uranium, 4% splijtingsproducten en 1% plutonium). Als een U238atoom een neutron invangt, kan dit (het niet in de natuur voorkomende) Pu239 (plutonium) worden. Pu239 is splijtbaar, net zoals U235, en zorgt daardoor ook deels voor de warmteontwikkeling in de kerncentrale. Uraniumwinning. De twee voornaamste methodes die gebruikt worden voor de winning van uranium zijn ondergrondse mijnbouw (40%) en open mijnbouw (28%). Een derde methode, die niet overal toegepast kan worden, Í mijnbouw (28%). Een derde methode, die niet overal toegepast kan worden, is In Situ Leaching (ISL): het uranium wordt opgelost en vervolgens omhoog gepompt (21%). Uranium wordt ook gewonnen als bijproduct in de koper en goudmijnbouw (11%). Actiniden en splijtingsproducten De actiniden zijn een serie van 15 elementen: atoomnummers 89 tot en met 103. Ze zijn radioactief en vervallen spontaan naar lagere elementen. Alleen thorium (90) en uranium (92) komen in de natuur voor, de andere actiniden worden kunstmatig vervaardigd. Splijtingsproducten ontstaan door het splijten van zware atomen (uranium, plutonium en thorium) en door het daarop volgende radioactieve verval van de ontstane instabiele atomen. Enkele van deze producten zijn: xenon, americium, cesium, strontium en krypton. Opwerking Wanneer de gebruikte splijtstofelementen zijn opgebrand, kunnen ze op twee manieren worden behandeld. De eerste manier is om de splijtstofelementen direct op te bergen; dit vindt plaats in de open splijtstof of kernenergiecyclus. Bij de tweede manier wordt het grootste gedeelte (96%) opgewerkt (gerecycled); dit kenmerkt de gesloten splijtstof of kernenergiecyclus. (Deze cycli zijn schematisch weergegeven in Bijlage 2: De kernenergiecyclus.) Bij opwerking worden door middel van een chemisch proces de nog waardevolle stoffen uranium en plutonium uit de opgebrande splijtstofelementen gehaald. Hierdoor blijven alleen de splijtingsproducten als afval over, met als gevolg: veel minder Conversie. Een chemisch proces waarmee Í(uraniumhexafluoride) wordt Verrijking. Het procédé waarbij het percentage van een bepaalde isotoop Í Conversie. Een chemisch proces waarmee (uraniumhexafluoride) wordt geproduceerd. Dit is een vluchtige stof die bij 60 C gasvormig is. Verrijking. Het procédé waarbij het percentage van een bepaalde isotoop in een element wordt vergroot: in dit geval het percentage U235 in natuurlijke uranium. Dit kan op twee manieren gebeuren: met behulp van een ultracentrifuges en via gasdiffusie. Splijtstof. De stof die zich door neutronen Ílaat splijten, waar vervolgens weer Splijtstof. De stof die zich door neutronen laat splijten, waar vervolgens weer neutronen bij vrijkomen, bijvoorbeeld uranium235 en plutonium239. Opwerking. De toepassing van chemische processen om uit de gebruikte splijtstof de waardevolle stoffen (het nog aanwezige uranium en het gevormde splijtbare plutonium) te scheiden van de splijtingsproducten. Het teruggewonnen uranium en plutonium kan na chemische bewerking weer Í Het teruggewonnen uranium en plutonium kan na chemische bewerking weer als in een kerncentrale worden gebruikt. Zo kan 30 à 40% meer energie uit eenzelfde hoeveelheid uranium worden geproduceerd. Conditioneren. Het afval verpakken en voorbereiden voor definitieve opslag. (Schematische weergaven van de open en de gesloten kernenergiecyclus zijn opgenomen als Bijlage 2: De kernenergiecyclus.) 22 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 23

14 MOX kan in alle typen kerncentrales worden gebruikt, maar om proliferatie (verspreiding) te voorkomen is het gebruik van MOX gebonden aan een vergunningenstelsel. In Europa zijn er vijftig kerncentrales met een dergelijke vergunning. De gesloten kernenergiecyclus wordt ook in Nederland toegepast. Deze is duurder dan de open cyclus, maar leidt tot veel minder afval. 3.2 Radioactiviteit en straling Het grootste nadeel van kernsplijting is dat het nucleaire afval radioactief is: het stoot zeer kleine deeltjes en/of elektromagnetische straling 6 uit. (Zie ook Bijlage 4: De voor en nadelen van kernsplijting.) Alternatieve splijtstof Naast uranium en plutonium kan ook thorium worden gebruikt als brandstof voor een kerncentrale. Thorium is een zacht zilverwit metaal dat veel voorkomt in India. Echter, thorium kan zelf niet splijten. Als de thoriumisotoop Th232 een neutron invangt, wordt dit Th233: een zeer instabiele thoriumisotoop (met een halfwaardetijd van 22 minuten). Deze vervalt snel tot Pa233 (protactinium), dat eveneens zeer instabiel is (met een halfwaardetijd van 27 dagen). Pa233 vervalt uiteindelijk tot U233. U233 is een niet in de natuur voorkomende uraniumisotoop die zeer goed splijtbaar is, waarbij meer energie vrijkomt dan bij het splijten van U235. Een op thorium gebaseerde splijtstofcyclus produceert vrijwel geen plutonium, maar deze methode is nog niet uitontwikkeld en wordt daarom nog niet commercieel toegepast. Thorium kan niet worden gebruikt in de momenteel in gebruik zijnde kerncentrales Landen op de kernenergiemarkt Wereldwijd zijn er 441 werkende kerncentrales (anno 2006), die samen verantwoordelijk zijn voor 16% van de mondiale vraag naar energie. De centrales zijn verdeeld over 31 landen. Verder zijn er 23 centrales in aanbouw en komen er binnen enkele decennia naar schatting enkele tientallen kerncentrales bij, vooral in landen als China (20), India (24) en ZuidAfrika (24). (Een overzicht van de kernenergieproducerende landen, met de belangrijkste gegevens over opwekking en vermogen, is opgenomen als Bijlage 3: Actieve landen.) Uranium wordt gewonnen in Australië, Canada, Niger, de Verenigde Staten, Rusland en ZuidAfrika. Canada is met 32% van de totale hoeveelheid uraniumwinning de grootste leverancier; Australië en Niger volgen met respectievelijk 19% en 8,5% Radioactiviteit Radioactiviteit is een natuurverschijnsel. Het is een uiting van een nietstabiele atoomkern. De meeste atomen zijn stabiel, wat betekent dat hun kern niet verandert. Sommige atomen hebben echter een onstabiele kern. Een dergelijke kern heeft te veel protonen (positief geladen deeltjes) en/of neutronen (neutrale deeltjes). Een onstabiele atoomkern wil stabiel worden, en dat kan door het uitzenden van één of meerdere deeltjes (protonen of neutronen). Hierbij komt straling uit de kern vrij. Onstabiele atomen noemen we radioactief. Elke keer als een atoom van een radioactieve stof vervalt, ontstaat er een andere stof of atoomvariant die meestal zelf niet radioactief is. Er blijft dus steeds minder van de oorspronkelijke radioactieve stof over. Hoe snel deze verzwakking van de radioactiviteit gaat, wordt uitgedrukt met de halfwaardetijd (ook wel halveringstijd genoemd). Dit is de tijd die een radioactieve stof nodig heeft om de helft van zijn radioactiviteit te verliezen. De halfwaardetijd is voor alle radioactieve stoffen verschillend, variërend van enkele seconden tot duizenden jaren Straling Straling is het uitzenden van energie als golven (elektromagnetische straling) of als deeltjes (deeltjesstraling). Straling kan ontstaan door een aantal natuurkundige processen, zoals radioactief verval, kernsplijting, (hoge) temperaturen en invloed van elektriciteit. Straling kan worden onderverdeeld in twee soorten: ioniserende straling en nietioniserende straling. Deze onderverdeling wordt gemaakt om het energiegehalte en de mate van gevaar van de straling aan te geven. Ionisatie is een proces waarbij elektronen uit atomen of moleculen verwijderd worden, waardoor elektrisch (positief) geladen deeltjes (de ionen) achter blijven. Nietioniserende straling kent vele vormen. Warmte, zichtbaar licht, microgolven en radiogolven bezitten allemaal te weinig energie om elektronen uit atoomkernen te verwijderen en behoren tot de nietioniserende straling. Ioniserende straling is straling die voldoende energie bevat om een elektron uit het atoom weg te slaan. Hierdoor krijgt het atoom een positieve lading in plaats van een neutrale lading: het atoom wordt geïoniseerd en verandert in een ion (positief geladen deeltje). 24 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 25

15 Ioniserende straling is te verdelen in deeltjesstraling (alfa en bètastraling, elektronen en neutronen) en elektromagnetische straling (röntgen en gammastraling). Deze vorm van straling wordt vaak radioactieve straling genoemd. (Een benaming die niet juist is, want de straling is niet zelf radioactief; zij is het gevolg van radioactiviteit: van de drang van instabiele atomen om stabiel te worden). Ioniserende straling Alfastraling (α). Relatief grote en zware energiedeeltjes (heliumatomen, bestaande uit twee protonen en twee neutronen). Alfastralen hebben geen goed doordringend vermogen en worden snel afgeremd. Een blad papier of een luchtlaag van ongeveer 3 cm is voldoende om de straling tegen te houden. Bètastraling (β). Lichte energiedeeltjes (elektronen) met een zeer hoge snelheid ( km/sec). Deze vorm van straling kan tegengehouden worden door een aluminiumplaat van enkele millimeters dik of door een luchtlaag van ongeveer 3 meter. Gammastraling (γ).elektromagnetische golven met een hoge energie: minder ioniserend dan alfa en bètastraling, maar met een veel groter doordringend vermogen. Deze straling vergt een dikkere beschermingslaag, zoals een centimeters tot metersdikke (afhankelijk van de intensiteit) laag van zware stoffen: ijzer, beton of lood. Gammastraling kan honderden meters lucht doorkruisen zonder noemenswaardig te verzwakken. (Zie ook Afbeelding 8.) Afbeelding 8: Schematische weergave van de verschillende soorten ioniserende straling met bijbehorend doordringend vermogen. (Bron: nl.wikipedia.org.) Radioactief materiaal komt overal in de natuur voor: in de bodem, in lucht, in water en in planten. De isotopen van uranium samen met hun vervalproducten thorium, radium en radon zijn de belangrijkste veroorzakers van deze natuurlijke achtergrondstraling. Sommige van deze stoffen kunnen door het lichaam worden opgenomen via voedsel en water, andere via inademing. In gebieden waar uranium en thorium wordt gewonnen is een grotere achtergrondstraling aanwezig. Behalve aardse en de kosmische straling komen er in het menselijk lichaam van nature radioactieve isotopen voor, onder andere kalium40, koolstof14 en lood210. Naast de natuurlijke achtergrondstraling zijn er stralingsbronnen die door de mens worden veroorzaakt. Dit zijn de zogenoemde kunstmatige stralingsbronnen. Kunstmatige stralingsbronnen zijn qua intensiteit te vergelijken met natuurlijke stralingsbronnen. De blootstelling van een gemiddeld persoon aan straling bedraagt ongeveer 2 tot 2,5 millisievert per jaar (zie kader Eenheden van straling). 81% hiervan komt van natuurlijke stralingsbronnen, het overige deel van door de mens gemaakte stralingsbronnen. 7 Verreweg het grootste deel van de door de mens veroorzaakte straling is het gevolg van medische handelingen (röntgenstraling, radioactieve medicijnen en bestralingstherapieën). Daarnaast staat de mens bloot aan straling afkomstig van gebruiksgoederen. Enkele voorbeelden: tabak (polonium210), bouwmaterialen (radium en radon), televisietoestellen, röntgentoestellen (bijvoorbeeld op vliegvelden) en kousjes van gaslampen (thorium). In mindere mate wordt de mens blootgesteld aan de straling ten gevolge van de cyclus van de nucleaire brandstof, zelfs als de ongevallen worden meegerekend.. De uraniumertsen die gewonnen worden, hebben wel een hogere stralingsintensiteit dan steenkool (gebruikt in een kolencentrale), maar de hoeveelheid gewonnen uraniumerts is in vergelijking met steenkool zo gering dat daar ook niet meer straling bij vrijkomt dan bij de kolenmijnbouw. De aarde, en al het leven hierop, staan constant bloot aan straling uit de ruimte. Geladen deeltjes van de zon en andere sterren hebben een wisselwerking met de atmosfeer en het magnetische veld van de aarde. Hierdoor ontstaat er een stortregen van straling (voornamelijk bèta en gammastraling). Deze straling wordt ook wel kosmische straling genoemd. Zij verschilt per plek op de aarde, als gevolg van verschillen in hoogte en de invloed van het aardmagnetische veld. Enkele voorbeelden van branches en functies waarin mensen worden blootgesteld aan ioniserende straling: industriële energieopwekking; industriële doorlichting (voedselbehandeling tegen schimmels); radiologisch personeel in ziekenhuizen; personeel in kerncentrales; laboratoria voor wetenschappelijk onderzoek; luchtvaartpersoneel (piloten, stewardessen). 26 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 27

16 Ioniserende straling is voor de mens niet te voelen, te zien of te ruiken. Er zijn eenvoudige en gevoelige instrumenten beschikbaar waarmee minieme hoeveelheden straling uit natuurlijke en kunstmatige bronnen te meten en dus te ontdekken zijn, zoals de Geigerteller en de scintillometer. De hoeveelheid straling wordt weergegeven met de Becquerel; de energie van deze straling wordt weergegeven met de Gray; de gevolgen van deze straling worden uitgedrukt met de Sievert (of millisievert). Natuurlijke radioactiviteit Kosmische stralingen 0,3 Radon in woningen 0.3 Bouwmaterialen 1,0 Bodemstraling 0,35 Radioactiviteit (msv/jaar) Kunstmatige radioactiviteit Röntgenstraling 0,5 (voor medische doeleinden) Industrie 0,03 Eenheden van straling Becquerel. De eenheid voor het meten van radioactiviteit is de Becquerel (afgekort: Bq). Het gaat hier om de hoeveelheid straling die een radioactieve stof uitzendt. 1 Becquerel komt overeen met 1 vervallen kern per seconde. Gray. Ioniserende straling draagt energie over op weefsel (menselijk en dierlijk). De hoeveelheid energie die wordt overgedragen op een bepaalde hoeveelheid weefsel, wordt de geabsorbeerde dosis genoemd. Deze wordt uitgedrukt in Gray (Gy). 1 Gray komt overeen met 1 Joule/kilogram. Sievert. Sommige soorten straling veroorzaken meer ionisatie dan andere: alfastralen meer dan bèta en gammastralen. Om hiermee rekening te houden, wordt de geabsorbeerde dosis vermenigvuldigd met een factor om te komen tot een equivalente dosis. Dit wordt ook wel de effectieve dosis genoemd. Deze wordt weergegeven met de Sievert (Sv) of millisievert (msv = 0,001 Sv). De effectieve dosis heeft, als het over de mens gaat, over het algemeen een zeer lage waarde. Hier is de msv de meest geschikte eenheid. De blootstelling van menselijke weefsels, botten en organen aan ioniserende straling wordt zo op één (risico)schaal uitgezet. (Bron: Nirond.be.) Bij de effecten die straling op het menselijke lichaam kan hebben, kan onderscheid worden gemaakt tussen directe effecten (bijvoorbeeld huidbeschadiging bij een hoge dosis) en late effecten (bijvoorbeeld verstoring van de interne fysiologie, mogelijk resulterend in kanker). Om het risico van deze effecten zo laag mogelijk te houden heeft de overheid strikte normen opgesteld voor de maximaal toelaatbare stralingsdosis (zie Afbeelding 9). In deze normen is bepaald dat een burger maximaal 1 msv per jaar extra (dat wil zeggen: bovenop de gemiddelde waarde van 2,5 msv per jaar) mag ontvangen. Voor reactorpersoneel en radiologische medewerkers geldt een norm van 3 à 5 msv per jaar extra. Deze waarden blijven ver beneden de maximaal toelaatbare dosis van 20 msv Vier elementen spelen een belangrijke rol bij bescherming tegen ioniserende straling: De duur van de blootstelling Hoe korter de blootstelling, hoe kleiner de (gevaarlijke) dosis. De afstand tot de bron Hoe verder de radioactieve bron verwijderd is, hoe kleiner de stralingsdosis. Tweemaal de afstand komt overeen met een kwart van de stralingsdosis. Afscherming Voorbeelden van goede beschermingen tegen het doordringen van straling zijn (een schild) van lood, gewapend beton en water. In de praktijk worden bepaalde radioactieve materialen opgeslagen in een bassin van water of tussen dikke betonnen wanden die in veel gevallen gevoerd zijn met lood. Insluiting + Totaal 2,5 msv per jaar Kosmische straling: + 0,03 msv per jaar per hoogtetoename van 100 meter In sommige streken: 10 à 20 msv per jaar Afbeelding 9: De stralingsdosis van de gemiddelde Nederlander. (Bron: kerncentrale.nl.) Beneden een stralingsdosis van 200 msv kan geen direct effect op de mens worden waargenomen. Wanneer het hele lichaam wordt blootgesteld aan meer dan 1000 msv, zal de getroffene ziek worden. Een eenmalige dosis van 5000 msv of meer kan binnen enkele dagen de dood tot gevolg hebben. De zogenoemde stralingsziekte is een toenemend tekort aan rode bloedlichaampjes, met als gevolg ernstige bloedingen en een verhoogde kans op infectieziekten. Een van de meest bekende late effecten van een te grote stralingsdosis is kanker. Aangepaste kleding en maskers beperken het gevaar voor besmetting. Het omhullen van de radioactieve bron gaat verspreiding van straling tegen. + 0,00001 Kernenergiecentrale te Borsele 28 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 29

17 3.3 Radioactief afval Radioactief afval is het afval dat, onder andere, als restproduct overblijft na het opwekken van energie door kernsplijting. Het gevaar van radioactief afval is dat het ioniserende straling uitzendt. Deze straling is (afhankelijk van de halfwaardetijd) voor korte of zeer lange tijd schadelijk voor mens en milieu. Kerncentrales zijn belangrijke producenten van radioactief afval, maar ook ziekenhuizen en bepaalde industrieën produceren radioactief afval. Er kunnen verschillende typen radioactief afval worden onderscheiden, te weten: laag, middel en hoogradioactief afval. Deze indeling is gebaseerd op de mate van radioactiviteit. Typen radioactief afval Laagradioactief afval. Laagradioactief afval ontstaat niet alleen in de splijtstofcyclus maar is ook afkomstig uit ziekenhuizen en industrieën. Het gaat hier om een verscheidenheid aan materialen, zoals gereedschappen, filters, doeken, kleding en injectienaalden, die met een kleine hoeveelheid, meestal kortlevende isotopen (dus snel stabiel) besmet zijn. Dit soort afval hoeft tijdens behandeling en transport niet te worden afgeschermd. Middelradioactief afval. Middelradioactief afval bevat materialen met een hogere radioactiviteit en moet in sommige gevallen afgeschermd worden. Het gaat hier vooral om verontreinigde chemische harsen, slib en metalen brandstofstaafomhulsels. Tot dit type afval behoort ook het materiaal van ontmantelde kerncentrales. Hoogradioactief afval. Hoogradioactief afval wordt ook wel kernsplijtingsafval genoemd. Dit is het directe afvalproduct dat ontstaat bij het gebruik van uranium (of ander splijtbaar materiaal) als brandstof in een kerncentrale. Dit materiaal is zeer radioactief en door de hoge radioactiviteit komt er ook nog veel vervalwarmte vrij (vervalwarmte is de warmte die vrijkomt bij het vervallen/ splijten van atomen). Wanneer de gebruikte splijtstof niet opgewerkt wordt, blijft afval gevaarlijk over een periode van jaar. Als de gevaarlijkste producten wél worden verwijderd, kan de duur van de radiotoxiciteit (de mate waarin de straling schadelijk is) worden gereduceerd tot enkele duizenden of honderden jaren. Het totale volume aan radioactief afval bestaat voor 97% uit laag en middelradioactief afval en is verantwoordelijk voor 5% van de totale hoeveelheid radioactieve straling. De overige 95% van de radioactieve straling wordt dus gegenereerd door 3% van het totale volume aan radioactief afval. Dit betreft het hoogradioactieve afval. Voorbeeld: een PWR van gemiddelde grootte (1000 MW) produceert per jaar ongeveer 25 tot 30 ton hoogradioactief afval met een volume van 2 tot 3 m Verwerking van radioactief afval Voor de verwerking van (alle soorten) afval zijn er twee strategieën, namelijk: 1 Verdunnen en verspreiden (in Engelse termen: Dispose & Discharge D&D). Bijvoorbeeld via schoorstenen en het lozen van koelwater. 2 Concentreren en bewaren (Concentrate & Contain C&C). Bijvoorbeeld radioactief afval. Omdat de radioactiviteit bij de drie typen radioactief afval verschillend is, worden deze typen afval ook op verschillende manieren verwerkt. Afbeelding 10: Opslag van laag en middelradioactief afval bij de COVRA in Vlissingen. (Bron: COVRA.) Laag en middelradioactief afval bestaan voornamelijk uit kortlevende isotopen. Hier kan worden volstaan met insluiting van de stoffen in een betonnen omhulsel om de radioactieve straling tegen te houden. Het afval wordt als volgt verwerkt. Het vaste afval komt eerst in een pers waar het onder zeer hoge druk wordt samengeperst tot een massief blok, dat vervolgens in beton wordt verpakt (C&Cmethode). Kadavers van dierexperimenten en laagradioactieve vloeistoffen worden in een speciale verbrandingsoven vernietigd (D&Dmethode); de rookgassen van deze ovens worden gereinigd. Grotere metalen delen worden verkleind in de verschrotingsinstallatie en daarna ook in beton verpakt (C&Cmethode). Waterige vloeistoffen worden in een biologische en chemische behandeling schoongemaakt. Omdat het verpakte afval geen gevaren meer 30 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 31

18 oplevert (na enkele jaren is de radioactiviteit verdwenen) kan het bovengronds worden opgeslagen; na verloop van jaren kunnen de betonnen omhulsels worden hergebruikt. Hoogradioactief afval (kernsplijtingsafval) vereist een heel andere vorm van verwerking. De gebruikte splijtstofstaven die uit een Nederlandse kerncentrale komen, worden opgewerkt in het buitenland (gesloten splijtstofcyclus). De afvalstoffen moeten in eigen land worden opgeslagen. Dit afval wordt in glas gesmolten/gegoten, zodat het één glazen blok wordt. Dit glazen blok wordt verpakt in een stalen cilinder. De cilinder wordt op zijn beurt weer in een grotere cilinder verpakt, met de mogelijkheid om de (verval)warmte kwijt te raken. Dit afval wordt in Nederland voor honderd jaar bovengronds opgeslagen in een speciaal hiervoor ontworpen gebouw: het HABOG 9 bij de COVRA 10 in Vlissingen (zie Bijlage 5: De COVRA). Veel landen (onder andere de Verenigde Staten en Canada) zijn echter van mening dat het beter is om kernsplijtingsafval meteen op te slaan en niet op te werken (open splijtstofcyclus). De gedachte hierachter is dat dit de kans op verspreiding van het materiaal (proliferatie) zou verkleinen. Leefomgeving van de mens Geosfeer (gesteente, aarde, enz) Klei of zoutformatie Schacht voor terughaalbaarheid Radioactief Technische barrières afval (beton, staal, enz) Afbeelding 11: Schematische weergave van de ondergrondse opslag van radioactief afval. ± 500 meter Ondergrondse opslag Voor het definitief van de samenleving afsluiten van radioactief afval wordt gekeken naar de mogelijkheden van permanente opslag in geologisch stabiele lagen (klei, zout, graniet). Voordat afval ondergronds opgeslagen kan worden, moeten eerst de volgende fasen worden doorlopen: Fase 1. Een haalbaarheidsstudie uitvoeren. Fase 2. Een onderzoekslab onder de grond bouwen. Fase 3. Een pilot (testversie) maken. Veel landen zijn momenteel in fase 2 (zo ook Nederland). De landen met een grote kernenergiemarkt (onder andere Frankrijk) bevinden zich in fase 3. Finland (dat onlangs begonnen is met de bouw van een nieuwe kerncentrale) en Zweden zijn al vergevorderd in fase 3. Voor zover bekend wordt ondergrondse opslag nog nergens ter wereld grootschalig toegepast. In Nederland wordt onderzoek gedaan naar twee opties: diepondergrondse opslag in klei en in steenzoutformaties (zie Afbeelding 11). Voordelen van kleilagen: Er is nauwelijks grondwaterstroming. Een van de belangrijkste verspreidingsmechanismen voor oplosbaar radioactief afval wordt op deze wijze sterk gereduceerd. Klei absorbeert de meeste radioactieve stoffen. Klei is plastisch (vervormbaar), zodat scheuren en lekkages in de opslagfaciliteit in de loop van de tijd worden dichtgedrukt. Dit geldt niet voor zware gesteentes. Voordelen van steenzoutformaties: Er is geen grondwaterstroming. Steenzoutformaties zijn mechanisch zeer stabiel; het uitgraven van gangen en dergelijke gaat relatief gemakkelijk. Er is een goede thermische geleiding; eventuele vervalwarmte kan goed worden afgevoerd. Steenzoutformaties hebben een zelfherstellend vermogen; uitgravingen zullen langzaam dichtvloeien, waardoor het afval uiteindelijk geheel wordt geïsoleerd van de omgeving. Of er nadelen kleven aan één of beide opties zal moeten blijken uit het onderzoek dat momenteel wordt uitgevoerd. Dat richt zich met name op lange termijn gedrag en stabiliteit van de betreffende lagen. 32 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 33

19 Het grootste gevaar van ondergrondse opslag van radioactief afval is dat de vaten gaan lekken. Wanneer dit zich voordoet, komt er een zekere hoeveelheid radioactief materiaal in de leefomgeving van de mens: via de bodem naar planten, vervolgens via dieren die planten eten naar de (vleesetende) mens. Elke stap in dit proces is verdunnend ; de stralingsdosis waaraan de mens via deze route wordt blootgesteld, neemt met elke stap af. Daarnaast wordt lekken direct gedetecteerd en zal er op worden ingegrepen waardoor deze route wordt afgesloten. De schade aan mens, dier en ecosysteem is daarmee beperkt en beheersbaar. Deze route is een goede illustratie van de afvalverwerkingsstrategie D&D (verdunnen en verspreiden) Transmutatie Transmutatie of Partitioning & Transmutation (P&T) is een zeer geavanceerde vorm van opwerking. Bij deze methode worden naast uranium en plutonium enkele andere transuranen en langlevende splijtingsproducten chemisch afgescheiden (partitioning), om vervolgens in speciale systemen te worden omgezet tot kortlevende radionucliden 11 (transmutation). Het doel hiervan is het verkleinen van de schadelijkheid en/of de duur van de schadelijkheid van het radioactieve afval. Transuranen Radiotoxiciteit (Bq) [logaritmisch] Deze technologie is nog niet operationeel. Momenteel doen veel landen, waaronder Nederland, onderzoek naar deze technologisch ingewikkelde processen. Het zal zeker nog twintig jaar duren voordat transmutatie op industriële schaal toegepast kan worden Tijd (jaren) [logaritmisch] Plutonium Actinides Splijtingsproducten Uranium Uranium erts Afbeelding 12: Tijdschaal van de radiotoxiciteit van een aantal splijtingsproducten. De horizontale lijn in het midden geeft de radiotoxiciteit van uraniumerts weer. Een transuraan element is een chemisch element met een atoomnummer groter dan 92 (uranium). Transurane elementen komen niet in natuurlijke vorm op aarde voor, maar kunnen wel kunstmatig worden vervaardigd in bijvoorbeeld een kerncentrale. Enkele voorbeelden van transuranen zijn: plutonium, neptunium, americium en curium. Bestraalde (oude) splijtstof bevat als deze niet wordt opgewerkt langlevende bestandsdelen. Hiervan is plutonium het belangrijkst: pas na circa jaar is de radiotoxiciteit van plutonium gelijk aan die van uraniumerts 12. Als het plutonium door opwerking verwijderd wordt, is de resterende radiotoxiciteit van het afval na circa jaar gelijk aan die van uraniumerts. Als ook de andere langlevende transuranen en de langlevende splijtingsproducten worden verwijderd, kan er een radiotoxiciteit worden bereikt die na 200 jaar gelijk is aan die van uraniumerts. (Zie Afbeelding 12.) Deze langlevende producten zouden met speciale systemen, zoals snelle reactoren (Generatie IV) en versnellers, kunnen worden verbrand tot korterlevende producten. 34 Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 35

20 4 Kernfusie Kernfusie is een proces dat op de zon en de overige sterren plaatsvindt. De daarbij vrijkomende energie zien wij op aarde als licht. Bij dit proces smelten lichte atoomkernen samen tot zwaardere, waarbij veel energie vrijkomt. Een belangrijke randvoorwaarde voor het fuseren van kernen is een extreem hoge temperatuur: 100 tot 150 miljoen graden Celsius. Deuterium Helium (17,6 MeV) Tritium Neutron Afbeelding 13: De samensmelting van twee waterstofisotopen (kernfusie). Kernenergie Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland 37