You are here

De kernenergie cyclus

Uranium

Uranium is de grondstof voor kernenergie. Uranium is een element dat van nature in de aarde voorkomt. Het behoort tot de groep van de zware metalen. Het bijzondere aan uranium is dat het een radioactief element is. 'Radioactief' betekent: het element verliest steeds kleine deeltjes van zichzelf, en hierbij komt energie vrij. Dit doet het van nature, zonder enige prikkel van de buitenwereld.  Als je een heleboel deeltjes uranium verzamelt, komt er een aanzienlijke hoeveelheid energie vanaf. De energie die vrijkomt, wordt straling genoemd. Deze kun je gebruiken om er, na vele tussenstappen, elektriciteit mee te maken. Als de straling in je lichaam terechtkomt dan kun je er ziek van worden of in het ergste geval zelfs van doodgaan. Uranium komt overal op aarde voor, in zeer lage concentraties. Alleen op die plekken waar de concentraties iets hoger zijn dan normaal (dit is vanaf 0.01% van alle deeltjes in een gesteente) kan het rendabel zijn om het uranium te winnen, bijvoorbeeld in een uraniummijn.

Uraniummijnen

Het winnen van uranium vindt plaats in mijnen. Een mijnbouwbedrijf onttrekt het natuurlijk uranium uit uraniumerts en maakt gebruik van chemische processen om een poedervormig concentraat van uranium te produceren. Dit uraniumconcentraat is het eindproduct van de uraniummijn en wordt soms geproduceerd in de vorm van ‘yellow cake’: een okergeel poeder. Niet alle geproduceerde concentraten zijn yellow cake, maar vaak wordt alle uraniumconcentraat voor het gemak ‘yellow cake’ genoemd. Het geproduceerde uraniumconcentraat wordt bij de mijn in containers verpakt en kan daarna worden verkocht.

Uranium concentraat in een vat

Verhexing

De volgende stap in het nucleaire proces is het omzetten van het uraniumconcentraat in een gas, uraniumhexafluoride. Dit proces vindt meestal plaats in een ander land dan dat waar de mijn gehuisvest is. De containers met uraniumconcentraat worden daardoor over grote afstanden getransporteerd, bijvoorbeeld van de Namibische woestijn, via de haven van Hamburg, naar de omzettingsfabriek in Frankrijk.

Verrijking

Het uranium dat in de natuur voorkomt bestaat hoofdzakelijk uit 2 soorten isotopen: splijtbaar uranium-235 en niet splijtbaar uranium-238. Voor gebruik in de meest voorkomende kerncentrales (de 'lichtwater-reactoren') is splijtbaar uranium nodig. De energie van het radioactieve uranium komt namelijk vrij op het moment van splijten van de stof. Van natuurlijk uranium is slechts 0,7% splijtbaar. Dit percentage moet opgevoerd worden naar ongeveer 3% om het geschikt te maken als brandstof. Dit proces heet 'verrijken' en het gebeurt in een verrijkingsinstallatie. Dergelijke verrijkingsinstallaties (Eng: enrichment facilities) zijn op heel wat plekken op aarde te vinden. Er staat er één in Nederland: het is een installatie van het bedrijf URENCO dat werkt met de zogenaamde 'ultracentrifuge'-techniek. Als uranium verder verrijkt wordt dan 20% U235, kan het gebruikt worden in kernwapens. Na verrijking moet het gas weer omgezet worden tot vaste stof.

Verarmd uranium

Een bijproduct van verrijking is verarmd uranium. Het heeft - door de hoge dichtheid (2 maal zo groot als lood) - vele toepassingen, bijvoorbeeld in wapens. Tanks kunnen doorboord worden door kogels met een laag verarmd uranium. Het verarmd uranium kan spontaan ontbranden bij blootstelling aan hitte. Dit maakt het een aantrekkelijk materiaal voor wapenfabrikanten.

Verarmd uranium is schadelijk voor de menselijke gezondheid: zodra het het lichaam binnenkomt (door inademing of doorslikken) kan het schade aanrichten. Zo worden gevallen van leukemie bij soldaten die bijvoorbeeld in Bosnië vochten in de jaren '90, toegeschreven aan blootstelling aan verarmd uranium.

Urenco

In Almelo staat de uraniumverrijkingsfabriek van Urenco. Hier wordt uranium geschikt gemaakt voor gebruik in kerncentrales. Vlak over de Duitse grens, in Gronau, bevindt zich nog een Urencovestiging. Urenco heeft een aandeel van 15% op de wereldverrijkingsmarkt (en wil doorgroeien naar 25%) en produceert genoeg brandstof voor 15 tot 20 kerncentrales. Het proces zelf is niet zonder gevaar, bijvoorbeeld door de grote hoeveelheden transporten die nodig zijn om  'verhext' uranium aan te voeren en verrijkt uranium af te voeren. En er blijven grote hoeveelheden licht radioactief afval over waar eigenlijk geen oplossing voor is. Bewoners van de grensstreek rond Almelo en Gronau hebben zich verenigd in de anti-kernenergiegroep NENO (Nederlands Euregionaal Nucleair Overleg). Zij voeren actie tegen de productie, het vervoer en de opslag van nucleair materiaal in hun regio. Ze procederen tegen uitbreiding van de verrijkingsfabrieken en proberen nucleaire transporten te verhinderen.

Splijtstofstaven

De belangrijkste verandering is achter de rug: het uranium is verrijkt en veranderd in krachtig en uiterst gevaarlijk verrijkt uranium. Voordat dit verrijkte uranium nu in een centrale kan worden gebruikt wordt het tot tabletten geperst die in lange metalen pijpen gestopt worden: de splijtstofstaven. Een bundeling van deze staven vormt de brandstof voor de centrale. De splijtstofstaven die in de kerncentrale terechtkomen kunnen gedurende een paar jaar gebruikt worden. De reactor heeft er maar een paar tegelijk nodig om te functioneren.

Weinig staven, weinig afval - kernenergie schoon?

De hoeveelheid uranium die uiteindelijk de kernreactor ingaat is maar klein. En dus wordt beweerd dat er maar weinig brandstof nodig is om heel veel elektriciteit te maken. En dat er ook maar heel weinig afval bij vrijkomt.  Maar in de  hele cyclus wordt er wel veel afval geproduceerd, vooral in de uraniummijn. En dat is wel allemaal radioactief. En, belangrijker, het afval dat vrijkomt na opwekking van elektriciteit is uiterst radioactief en giftig en moet voor tienduizenden jaren van mens en milieu worden afgeschermd. Dan is het misschien fijn dat het in omvang niet veel is maar het maakt het probleem niet minder groot; geen land ter wereld heeft een aanvaardbare oplossing gevonden om dit gevaarlijke materiaal op te slaan. 

Elektriciteitsproductie in de kerncentrale

In deze stap van de kernenergiecyclus gebeurt eindelijk waar het allemaal om draait: de productie van energie, in de vorm van elektriciteit. De zogenaamde 'splijtstofstaven' die de kerncentrale inkomen zijn de energiedragers. In de kerncentrale wordt het uranium-235, dat zich in de staven bevindt, gespleten. Zodra de splijting van de deeltjes eenmaal begint, komt er een kettingreactie op gang: de deeltjes zetten elkaar aan tot splijting. Bij dit splijtingsproces komt ontzettend veel energie vrij in de vorm van warmte en radioactieve straling. De vrijgekomen energie verwarmt water (in sommige centrales gas of gesmolten metaal) en door middel van een (stoom)turbine en een generator wordt elektriciteit geproduceerd. Die gaat vervolgens het  elektriciteitsnet op.

De hitte in de reactor loopt tijdens het splijtingsproces hoog op, en de stralingsniveaus die ontstaan zijn levensgevaarlijk. Daarom is het van groot belang dat het splijtingsproces in een geïsoleerde ruimte plaatsvindt, waar niets en niemand in- en uit kan gaan. Na twee tot drie jaar gebruik zijn de splijtstofstaven uitgewerkt en aan vervanging toe. Er zit dan nog wel uranium-235 in de staven, maar het is te weinig om nog voor een kettingreactie te zorgen. De staven worden weggehaald, en nieuwe staven worden in de reactor geplaatst.

Hoogradioactief afval

De gebruikte brandstofstaven zijn door het gebruik hoogradioactief geworden en zijn zo heet, dat ze minstens een jaar in een koelbassin moeten worden opgeslagen voordat ze vervoerd kunnen worden. Ze worden beschouwd als hoogradioactief afval. Hoogradioactief betekent: uiterst gevaarlijk. Er komt enorm veel energie van het materiaal af, in de vorm van straling. Dit hoogradioactieve materiaal moet voor tienduizenden jaren, van alles en iedereen afgesloten, bewaard en bewaakt worden. Er zijn verschillende soorten en categorieen radioactief afval. Het kernsplijtingsafval uit de kerncentrale vormt een klasse apart. Het moet koste wat kost worden weggehouden bij alles wat leeft. Gebeurt dit niet, dan kunnen mensen in het ergste geval binnen een paar uur sterven aan stralingsziekte. Zijn ze wat verder van het materiaal verwijderd, maar worden ze er wel aan blootgesteld, dan lopen ze een groot risico na verloop van tijd ernstige ziektes te krijgen - zoals schildklierkanker.

Het hoogradioactieve afval uit de centrale blijft  - soms enkele jaren - opgeslagen in een 'zwembad'  bij de kerncentrale zelf. De eerste jaren geeft het namelijk te veel hitte af om vervoerd te kunnen worden. Omdat we nog geen idee hebben wat er uiteindelijk met dit soort afval moet gebeuren is er in het verleden voor gekozen om het materaial weer op te werken; een proces waarbij de nog bruikbare delen U-235 uit de gebruikte splijtstofstaven wordt gehaald om opnieuw gebruikt te worden. Het Nederlandse afval wordt in La Hague, Frankrijk, opgewerkt. Dit is een van de meest vervuilende stappen in de hele nucleaire cyclus omdat er veel radioactief materiaal vrijkomt dat als afval wordt geloosd in de zee. 

Opwerking

Gebruikte brandstofstaven die uit de kernreactor verwijderd worden bevatten nog altijd een kleine hoeveelheid uranium-235, en daarnaast ook plutonium dat gevormd is uit het uranium-238. Dit uranium-235 en plutonium wordt in een opwerkingsfabriek zoveel mogelijk gescheiden van de andere (radioactieve) stoffen, zodat het eventueel opnieuw gebruikt kan worden. Tegelijkertijd ontstaat een grote hoeveelheid vloeibaar en gasvormig radioactief afval. Het opgewerkte uranium bevat bovendien plutoniumresten en andere bijproducten van splijting. Het resultaat daarvan is dat het vijf tot tien keer zo radioactief is als niet-opgewerkt uranium. Voor nieuw gebruik in een kerncentrale moet het opgewerkte uranium eerst weer verrijkt worden totdat het 3% uranium-235 bevat. De meeste verrijkingsfabrieken zijn echter niet echt blij met opgewerkt uranium, omdat het hun fabriek met plutoniumresten kan besmetten. Daarnaast wordt het hergebruik van uranium ook bemoeilijkt omdat in een kerncentrale ook uranium-236 gevormd wordt. Dit isotoop is moeilijk uit het uranium te verwijderen en maakt het minder geschikt om opnieuw als splijtstof te fungeren. Opwerking levert dus vooral meer, en ook hoger radioactief afval op, waar weinig meer mee gedaan kan worden. En bovendien is er vrijwel geen markt voor zowel het uranium als het plutonium. Er zijn wereldwijd maar een paar opwerkingsfabrieken.

Kernafval

We hebben gezien dat er vele stappen nodig zijn om kernenergie te produceren. Bij iedere stap, in welk land het ook is, wordt afval geproduceerd: kernafval. Het afval is per fase steeds van een andere aard en samenstelling. Welke vorm het ook heeft, het afval is zonder uitzondering radioactief en giftig (toxisch). Lees meer over de gevaren van kernafval >>>