Nucleair Materiaal onschadelijk maken

Transcriptie

1 Nucleair Materiaal onschadelijk maken Frodo Klaassen Kivi Symposium 24 maart 2014

2 Inleiding Wat is nucleair materiaal? Hoeveel materiaal is er op de wereld? Afbreken en onschadelijk maken van hoogverrijkt uranium en plutonium Hoogverrijkt uranium omzetten naar laagverrijkt uranium Plutonium gebruiken als splijtstof in kerncentrales Conversie van onderzoeksreactoren: van HEU naar LEU 2

3 3 Wat is nucleair materiaal? Nucleair materialen zijn de grondstoffen voor nucleaire splijting: Uranium, Plutonium, Thorium Voor kernwapens kunnen twee elementen gebruikt worden Uranium Specifiek: hoog verrijkt uranium (HEU) Uranium met meer dan 20% U-235 (vaak 90% U-235) U-233 kan ook gebruikt worden (uit thorium) Plutonium Specifiek: weapons-grade plutonium (WG-Pu) Plutonium met maximaal 7% Pu-240 (~ 93% Pu-239) De isotopenverdeling van uranium / plutonium is essentieel hoge concentratie van de belangrijkste splijtbare isotoop: U-235 of Pu-239

4 4 Uranium heeft twee isotopen Uranium bestaat uit U-235 en U-238 Uranium-235 is splijtbaar, Uranium-238 niet Natuurlijk uranium bestaat uit: 99.3% U-238 U % U-235 neutron Voor nucleaire toepassingen moet uranium verrijkt worden verhogen van de concentratie U Energie 2 splijtingsproducten

5 5 Productie van verrijkt uranium Uranium wordt verrijkt met behulp van ultra-centrifuge De lay-out van de centrifuge cascade bepaalt de uiteindelijke verrijkingsgraad huis

6 6 Uranium in kerncentrales en in nucleaire R&D Typisch onderscheidt men voor uranium drie verrijkingsgraden: 1. Verrijkt uranium < 5% Electriciteitsproductie 2. Laag verrijkt uranium LEU < 20% Research reactoren (nucleaire R&D) 3. Hoogverrijkt uranium HEU ~ 93% U-235 ~ 93% (HEU) in sommige research reactoren, die nog niet geconverteerd zijn Voor militaire toepassingen: HEU, typisch >90% U-235

7 7 De grens tussen HEU en LEU De grens tussen HEU en LEU van 20% wordt bepaald door twee factoren 1. Proliferatie risico ten opzichte van plutonium 2. Kritische massa bij gegeven verrijkingsgraad Proliferatie risico Proliferation Risk (no scale) Pu-239 U-235 Uranium HEU (90% U-235) HEU (50% U-235) HEU (20% U-235) LEU (10 % U-235) Kritische massa van een bol 53 kg 152 kg 747 kg 3630 kg 0% ~20% 100% Uranium fuel enrichment in U-235

8 8 Plutonium Plutonium heeft vijf belangrijke isotopen: Pu-238 to Pu-242 Alle isotopen hebben een kleine kritische massa ~ 10 kg Maar alleen Plutonium-239 heeft ook de juiste fysische eigenschappen weapons-grade plutonium (WG-Pu) bevat daarom ~ 93% Pu-239

9 Productie van weapons-grade Pu WG Plutonium wordt gemaakt uit natuurlijk uranium met 99.3% U-238 Hiervoor worden specifieke productie reactoren gebruikt U-238 Plutonium 239 Neutron Windscale piles (UK) 9

10 Productie van weapons-grade Pu WG-Pu wordt in speciale productie reactoren gemaakt Het uranium wordt na een korte bestralingstijd opgewerkt en het plutonium eruit gehaald concentratie Splijtstof in kerncentrales wordt 3-4 jaar gebruikt en bevat uiteindelijk slechts ~ 50-55% Pu-239 ~ tijd J. Carson Mark, Science & Global Security 4 (1993),

11 Het opwerken van splijtstof vindt plaats in grote fabrieken 11

12 12 Significante hoeveelheid (SQ) De IAEA definitie van een significante hoeveelheid (Significant Quantity, S.Q.): the minimum amount of fissile material which, if diverted from peaceful nuclear activities, could be used directly (without further chemical separation or enrichment) to manufacture a nuclear explosive device. Het IAEA hanteert de volgende massa s voor S.Q.: Plutonium = 8 kg Hoog Verrijkt Uranium = 25 kg U-235 Voorbeeld: in HEU met een verrijking van 36%: 1. S.Q. = 25 kg/0.36 = 70 kg

13 Voorraden hoogverrijkt uranium Opgeruimd Overtollig Civiel Onderzeeers Militair China Frankrijk India, Pakistan, Israel Rusland Verenigd Koninkrijk 260 Verenigde Staten 15 NNW states kernwapens

14 Voorraden weapons-grade plutonium Opgeruimd Overtollig 100 Additioneel strategisch Militair China Frankrijk India, Pakistan, Israel, N-Korea Rusland 3.2 Verenigd Koninkrijk 38.3 Verenigde Staten kernwapens

15 15 Voorraden HEU in de civiele sector 25 Civiel HEU 20 civiele HEU voorraad (ton) China Frankrijk Rusland Verenigd Koninkrijk Verenigde Staten NNW staten kg HEU voor medische isotopen

16 16 HEU en WG-Plutonium onschadelijk maken Er zijn grote voorraden militair uranium en plutonium, deels overtollig verklaard Verschillende programma s proberen deze hoeveelheden terug te dringen: Voor hoogverrijkt uranium: Megatons to Megawatts programma Voor plutonium: MOX initiatief om 34 ton weapons-grade plutonium onschadelijk te maken Voor civiel hoogverrijkt uranium: GTRI GTRI = Global Threat Reduction Initiative Conversie van research reactoren van HEU naar LEU Transport van US-origin HEU naar de VS (+ Russiche HEU naar Rusland)

17 17 Hoog Verrijkt Uranium Bestaande voorraden HEU kunnen verkleind worden door downblenden en fabricage van splijtstof voor gebruik in kerncentrales Direct vermengen met opgewerkt uranium van gebruikte splijtstof Ook natuurlijk of verarmd uranium kan gebruikt worden Hieruit krijgen we UO 2 splijtstof met lage verrijking (3-5 %) Dat was de basis voor het Megatons to Megawatts programme ( ) om overtollig HEU om te zetten in fuel voor kerncentrales

18 18 Megatons to Megawatts programma 500 ton Russisch HEU (90% U-235) is omgezet in reactor splijtstof met een verrijking van ~ 4.4% U-235 Dit geeft ton laag verrijkt uranium Met het huidig gebruik wordt hier zo n ~ 6200 TWhe mee gemaakt worden (= meer dan 50 jaar NL elektriciteitsverbruik) De Verenigde Staten hebben zo n 209 ton HEU als overtollig aangemerkt 175 ton HEU hiervan wordt gedownblend Tot 2013 is zo n 141 ton HEU al verwerkt 15% van de wereld uranium markt werd gedekt door het Russische HEU van Helaas wordt het programma niet voortgezet

19 19 Mox disposition programma De VS en Rusland hebben afgesproken, ieder 34 ton overtollig wapen-plutonium onschadelijk te maken MOX = Mixed OXide, een mengsel van uranium en plutonium oxide MOX kan gebruikt worden in kerncentrales, ook met weapons-grade plutonium Het wordt dan vermengd met verarmd uranium

20 20 Mox disposition programma De VS en Rusland hebben afgesproken, ieder 34 ton overtollig wapen-plutonium onschadelijk te maken Status van het programma: Rusland gebruikt de MOX voor snelle reactoren Eerste lead test assemblies worden gebruikt in Amerikaanse kerncentrales 4.4 ton WG-Pu is in de VS opgeruimd door mengen met keramische mineralen Financiering MOX fabriek staat op hold (budget cuts)

21 21 Global Threat Reduction Initiative (GTRI) Presented at:

22 22 GTRI: shipments van HEU / LEU HEU / LEU Return naar VS: 32 landen 9563 fuel assemblies 1.3 ton HEU 3.6 ton LEU

23 23 Conversie van Research Reactoren NRG heeft de brandstof van de Hoge Flux Reactor geconverteerd van HEU naar LEU in Als één van de eerste grote research reactoren in de wereld uranium-aluminium met 93% verrijking uranium-silicide met 19.7% verrijking De meeste research reactoren in Europa zijn inmiddels geconverteerd Bij de meest veeleisende reactoren in Europa (Duitsland, Frankrijk, België) lukt het niet om de fuel te kwalificeren

24 24 Conclusies Er zijn nog steeds heel grote voorraden hoogverrijkt uranium en weapons-grade plutonium Het meeste materiaal heeft nog steeds een militair label Megatons to Megawatts programma heeft heel veel HEU onschadelijk gemaakt MOX disposition programma wordt geplaagd door (financiële) tegenslag en vertraging Verdere programma s zijn vooralsnog niet voorzien Veel research reactoren zijn of worden geconverteerd van HEU naar LEU Hoge Flux Reactor in Petten gebruikt al LEU sinds 2006 Conversie van veeleisende research reactoren is technisch (nog) niet mogelijk