Kernenergie


In een kerncentrale wordt uranium gebruikt als eneriebron. Alleen het isotoop $^{235}$U is te gebruiken omdat deze splijtbaar is. De splijtingsreactie ontstaat als een neutron met voldoende kinetische energie door de kern van een $^{235}$U wordt ingevangen. Naast de hieruit vrijgekomen energie en eindproducten, komen er weer nieuwe neutronen vrij die nieuwe splijtingsreacties kunnen veroorzaken (kettingreactie), mits er voldoende splijtbare isotopen aanwezig zijn. Gangbaar is om de splijtingsreactie af te remmen met een zogenaamde moderator: een vloeistof, zoals water, die de neutronen afremt, maar niet invangt (Wikipedia 2015w).

Het benodigde percentage $^{235}$U in uranium dat geschikt is als splijtstof in een kerncentrale, is 2% tot 5%. We spreken dan van verrijkt uranium. In de natuur is het $^{235}$U gehalte van uranium slechts 0,7%.

Het voorbereiden van het uraniumconcentraat

Het uraniumconcentraat dat bij de mijn is geproduceerd bestaat vooral uit U$_3$O$_8$, een vaste stof, die vanwege de gele kleur bekend staat als yellow cake. Voordat er aan de isotopenverhouding in het uranium kan worden gesleuteld, moet de yellow cake verder gezuiverd worden en moet heturaniumoxide omgezet worden in gasvormig uranium(hexa)fluoride. De zuivering en omzetting van U$_3$O$_8$(s) naar UF$_6$(g) verloopt in acht stappen, zoals hierna uiteengezet (Clingendael 2006):

• De in yellowcake aanwezige uraniumverbindingen worden opgelost in een warme salpeterzuur oplossing
• Uranium wordt van andere opgeloste verbindingen uit de yellowcake gescheiden door het selectief op te lossen in tributylfosfaat
• Hieruit wordt het weer geïsoleerd door het weer op te lossen in verdund warm salpeterzuur
• Hieruit wordt het geïsoleerd door het te laten neerslaan (als uranylnitraat)
• Uranylnitraat wordt omgezet in UO$_3$
• UO$_3$ wordt gereduceerd tot UO$_2$
• UO$_2$ wordt met waterstoffluoride omgezet in UF$_4$
• UF$_4$ laat men met fluor gas (F$_2$) reageren tot UF$_6$

Transport UF$_6$

Na deze stappen wordt het geproduceerde UF$_6$ naar een verrijkingsbedrijf getransporteerd, zoals te zien is in figuur 1. Dit gebeurt volgens de geldende voorschriften in grote stalen cylinders, die 12,5 ton UF$_6$ bevatten. Die worden gekoeld om het UF$_6$ in vaste toestand te brengen. De stalen cilinders worden onderworpen aan een druktest, welke ze moeten doorstaan zonder lekkage en onaanvaardbare spanning in de cilinders. Daarnaast wordt de cilinder getest op weerstand tegen extreme temperaturen.


Figuur 1. Uraniumtransport. Bron: Bellona 2013w

Verrijking van UF$_6$

Het UF$_6$ moet nu gescheiden worden in een met $^{235}$U verrijkte (2-5% $^{235}$U) en een verarmde (0,2-0,3% $^{235}$U) fractie. Dit scheidingsproces maakt ofwel gebruik van een membraan, ofwel van een ultracentrifuge. Beide methoden werken op het principe dat $^{235}$U lichter is dan $^{238}$U. Bij gebruik van membraantechnologie wordt het gas door een geschikt membraan geperst. De lichtere fractie passeert gemakkelijker door het membraan dan de zwaardere fractie. Hierdoor neemt het $^{235}$U gehalte aan de andere kant toe. Bij gascentrifuge wordt de zwaardere fractie naar de buitenwand van de centrifuge geslingerd en wordt daar afgetapt. Het gas dat in de centrifuge achterblijft, heeft een hogere concentratie van het lichtere isotoop $^{235}$U. Figuur 2 geeft een schematische weergave van een ultracentrifuge, zoals die ook wordt gebruikt in de verrijkingsfabriek van Urenco Nederland B.V.


Figuur 2. Urenco's gascentrifuge. Bron: Urenco

In principe bestaat een ultracentrifuge uit een lange verticale buis, de rotor, die met een snelheid van enkele honderden meters per seconde draait in een aluminium mantel. In de rotor komen drie leidingen uit: de eerste voert gasvormig uraniumhexafluoride in, dat zich in de snel draaiende rotor gaat “ontmengen” in een fractie met minder splijtbare atomen (verarmd uranium), en een fractie met meer splijtbare atomen (verrijkt uranium). Beide fracties worden afzonderlijk afgetapt. Omdat het verschil in gewicht tussen $^{235}$U en $^{238}$U miniem is, moet deze scheidingsstap vaak worden herhaald; met elke volgende stap wordt de verrijkte fractie weer iets verder verrijkt. In de Urenco verrijkingsfabriek staat daarom een cascade van ultracentrifuges opgesteld. Het verrijkte UF$_6$ gaat naar de splijtstofelementenfabriek, de verarmde fractie (0,2-0,3% $^{235}$U) wordt als laag radioactief afval opgeslagen.

Transport verrijkt UF$_6$

Het verrijkte UF$_6$ wordt in kleinere, universele cilinders naar de splijtstofelementenfabriek vervoerd. Deze cilinders hebben een diameter van ongeveer 75 cm en worden in zogenaamde ‘overpacks’ geladen. Vervolgens worden deze ‘overpacks’ op zeecontainers geladen en getransporteerd naar de splijtstofelementenfabriek. Deze ‘overpacks’ dienen een ongewenste kettingreactie, welke het verrijkte UF$_6$ zou kunnen veroorzaken, te voorkomen. Hiervoor worden de cilinders onderworpen aan tests om te garanderen dat een kettingreactie zelfs tijdens een ongeluk (bijv. verkeersongeluk of brand) niet kan optreden.

Productie brandstofstaven

Aangekomen bij de splijtstofelementenfabriek, wordt eerst via een serie chemische conversiestappen het uraniumhexafluoride (UF$_6$) omgezet in uraniumdioxide (UO$_2$). Dit is een zwart poeder, dat tot kleine tabletten wordt geperst en verpakt in hulzen, die in bundels bij elkaar de splijtstofelementen vormen. De splijtstofelementen zijn de brandstofstaven voor de elektriciteitsproductie in de kerncentrale. Na verloop van tijd is er van het splijtbare uranium te weinig over om het splijtingsproces goed in stand te houden. De splijtstofelementen worden dan vervangen door nieuwe, en de oude kunnen na enige jaren opslag, als de meeste radioactiviteit is verdwenen, in een opwerkingsfabriek zo worden behandeld dat er nog bruikbaar uranium vrijkomt. Dit kan dan opnieuw worden omgezet in UF$_6$, verrijkt en tot splijtstof worden verwerkt, waarmee de splijtstofkringloop (deels) gesloten is. Voor het transport van de splijtstofelementen naar de elektriciteitscentrale geldt hetzelfde als het transport van verrijkt UF$_6$, het is aan zeer strenge voorschriften en veiligheidsmaatregelen gebonden.

Opslag kernafval

In Nederland wordt radioactief afval bovengronds opgeslagen door de Centrale Organisatie voor Radioactief Afval (COVRA) in Nieuwdorp, bij Vlissingen Rijksoverheid 2014w. Kijk hierw voor meer informatie.

Bronnen

Bellona 2013w, The Bellona Foundation - More uranium tails to be greeted in St. Petersburg with protests and bitter public opinion, geraadpleegd 26 november 2013
Rijksoverheid 2014w, Radioactief afval, geraadpleegd 6 januari 2015
Wikipedia 2015w, Wikipedia, Moderator, geraadpleegd 21 januari 2015

Laatste wijziging: 03-02-2016
Creative Commons-Licentie
Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.