Kernbrandstofcyclus: van uraniumerts tot afval of hergebruik
De kernbrandstofcyclus is de complete reis die uranium aflegt: van erts in de grond, via verrijking en gebruik in een kerncentrale, tot en met wat er daarna met het verbruikte materiaal gebeurt. Het is eigenlijk een keten van industriële stappen, vergelijkbaar met hoe ruwe olie eerst wordt opgepompt, dan geraffineerd tot benzine, en na verbranding als uitlaatgas de wereld in gaat. Bij uranium ligt dat net iets anders: een deel van het "verbrande" materiaal kan in theorie opnieuw worden gebruikt, alsof je uitlaatgas weer zou kunnen omzetten in nieuwe brandstof.
Die mogelijkheid tot hergebruik is precies waarom de term "cyclus" wordt gebruikt in plaats van een simpele rechte lijn. Sommige landen kiezen voor een open cyclus: uranium wordt eenmalig gebruikt en de restanten worden als afval opgeslagen. Andere landen kiezen voor een gesloten cyclus, waarbij bruikbare stoffen uit verbruikte splijtstof worden teruggewonnen en opnieuw ingezet. Welke keuze een land maakt, heeft grote gevolgen voor de hoeveelheid en het soort kernafval dat ontstaat, en dat is precies waarom dit onderwerp zo vaak terugkeert in discussies over de toekomst van kernenergie.
Wat is het precies?
De cyclus begint met het winnen van uraniumerts uit de grond, in mijnen in landen als Kazachstan, Canada, Namibië en Australië. Dat erts wordt vermalen en chemisch bewerkt tot een geconcentreerd poeder dat bekendstaat als yellowcake (uraniumoxide, U3O8). Yellowcake bevat nog te weinig van het splijtbare uranium-235 om direct als splijtstof te dienen.
Daarom wordt het omgezet in een gas, uraniumhexafluoride (UF6), dat vervolgens door ultracentrifuges wordt gejaagd. Dit proces heet verrijking: de centrifuges draaien zo snel dat de iets lichtere U-235-atomen langzaam worden gescheiden van het veel voorkomende, niet-splijtbare U-238. Natuurlijk uranium bevat maar ongeveer 0,7 procent U-235; voor gewone kerncentrales wordt dat aandeel verhoogd naar zo'n 3 tot 5 procent.
Het verrijkte uranium wordt daarna omgezet in keramische pellets, die in metalen staven worden gestapeld tot splijtstofelementen. Die gaan de reactorkern in, waar kernsplijting warmte oplevert om stoom en dus elektriciteit op te wekken. Tijdens dit gebruik ontstaan niet alleen splijtingsproducten (kleinere, vaak radioactieve atomen), maar ook plutonium en andere zware elementen, de zogeheten actiniden, die vanuit het U-238 in de splijtstof worden gevormd.
Na drie tot vijf jaar is de splijtstof "opgebrand" en moet ze worden vervangen. Hier splitst de cyclus zich. Bij een open cyclus wordt de verbruikte splijtstof gezien als afval: eerst jarenlang gekoeld in bassins, daarna definitief opgeborgen. Bij een gesloten cyclus wordt de splijtstof chemisch "opgewerkt" (reprocessing): bruikbaar uranium en plutonium worden gescheiden van het echte afval en verwerkt tot nieuwe splijtstof, vaak MOX-splijtstof genoemd (mixed oxide, een mengsel van uranium- en plutoniumoxide).
Voor een werkelijk volledig gesloten cyclus is nog een ander type reactor nodig: de kweekreactor of fast reactor. Gewone reactoren gebruiken vooral het schaarse U-235, maar een kweekreactor kan ook het veel overvloediger U-238 omzetten in bruikbare splijtstof, en daarmee in theorie tientallen keren meer energie uit dezelfde hoeveelheid uranium halen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter de kernbrandstofcyclus is efficiënt gebruik van een schaarse grondstof. Uraniumvoorraden zijn eindig, en een gesloten cyclus met kweekreactoren zou in theorie honderden jaren extra energie kunnen leveren uit dezelfde ertsvoorraden, simpelweg omdat vrijwel al het uranium bruikbaar wordt in plaats van alleen het kleine U-235-aandeel.
Een tweede doel is afvalvermindering. Door plutonium en andere actiniden uit verbruikte splijtstof te halen en opnieuw te "verbranden" (een techniek die partitionering en transmutatie heet), zou de hoeveelheid hoogradioactief afval kunnen afnemen en de tijd dat het gevaarlijk blijft, kunnen worden verkort van honderdduizenden naar mogelijk enkele duizenden jaren. Dat is nog altijd lang, maar wel een aanzienlijke verbetering.
Daarnaast speelt energiezekerheid een rol: landen met eigen verrijkings- of opwerkingscapaciteit zijn minder afhankelijk van buitenlandse leveranciers voor hun splijtstof. Dat is deels waarom dit onderzoeksveld al sinds de jaren vijftig bestaat en, ondanks wisselend politiek enthousiasme voor kernenergie, nooit helemaal is stilgevallen.
Voorbeelden uit de praktijk
In Almelo (Nederland) draait sinds de jaren zeventig een verrijkingsfabriek van Urenco, een consortium van het Verenigd Koninkrijk, Nederland en Duitsland dat is opgericht in 1970. Urenco is een van de weinige bedrijven ter wereld die commercieel uranium verrijkt met ultracentrifugetechnologie, naast vestigingen in Duitsland, het VK en de Verenigde Staten.
In Frankrijk beheert Orano (voorheen Areva) de opwerkingsfabriek in La Hague, operationeel sinds de jaren zeventig en de grootste commerciële opwerkingsfaciliteit ter wereld. Frankrijk is daarmee een van de weinige landen die structureel voor een gesloten cyclus kiezen, al wordt ook daar niet al het teruggewonnen plutonium volledig hergebruikt.
Finland loopt voorop op het gebied van eindberging: bij Olkiluoto bouwt staatsbedrijf Posiva de diepe geologische bergingsfaciliteit Onkalo, die in 2021 een exploitatievergunning kreeg. De bouw is grotendeels afgerond en Finland geldt internationaal als koploper, al is voorzichtigheid op zijn plaats over de exacte startdatum van reguliere berging, aangezien dit soort trajecten vaker is vertraagd dan versneld.
In Rusland exploiteert staatsbedrijf Rosatom sinds 2016 de BN-800, een commercieel draaiende kweekreactor bij Belojarsk, een van de weinige in de wereld die op deze schaal in bedrijf is. Japan probeert al sinds de jaren negentig een eigen opwerkingsfabriek te openen in Rokkasho, maar dat project kampt met herhaalde vertragingen van soms meerdere jaren per keer, waardoor het lastig is om met zekerheid iets te zeggen over de actuele opleverdatum.
Hoe ver is de techniek?
De "voorkant" van de cyclus, mijnbouw, malen en verrijken, is volledig volwassen en wereldwijd commercieel operationeel; hier is weinig fundamentele onzekerheid meer over. De "achterkant" ligt genuanceerder. Opwerking gebeurt commercieel, maar slechts in een handvol landen: vooral Frankrijk en Rusland, met Japan als land dat er al decennia naar streeft zonder dat het project volledig operationeel is. Het Verenigd Koninkrijk had met Sellafield en de THORP-fabriek jarenlang opwerkingscapaciteit, maar die is inmiddels gesloten.
De meeste kernenergielanden, waaronder de Verenigde Staten, Zweden en Canada, gebruiken juist een open cyclus zonder opwerking, vaak omdat opwerking duur is en gevoelig ligt vanwege het risico dat afgescheiden plutonium ook voor kernwapens gebruikt kan worden (het zogeheten proliferatierisico).
Permanente eindberging in diepe rotslagen is, afgezien van Finland als koploper, nergens ter wereld al volledig operationeel; de meeste landen zitten nog in de planning- of vergunningsfase, soms al tientallen jaren. Kweekreactoren voor een echt gesloten cyclus blijven grotendeels experimenteel of kleinschalig. Frankrijk sloot zijn kweekreactor Superphénix al in 1997 om financiële en veiligheidsredenen, en Japan zette zijn Monju-reactor in 2016 definitief stil na jaren van problemen. Alleen Rusland houdt met de BN-serie commerciële ervaring overeind, terwijl China met de CFR-600 een eigen kweekreactorprogramma opbouwt waarvan de voortgang lastig onafhankelijk te verifiëren is.
De belangrijkste obstakels blijven kosten, langdurige vergunningstrajecten, publieke weerstand tegen kernafval in de eigen omgeving, en het proliferatierisico van plutoniumscheiding. Dat maakt de gesloten cyclus, ondanks decennia van onderzoek, nog altijd eerder uitzondering dan regel.
Wie werken eraan?
Orano (Frankrijk) is wereldwijd toonaangevend in opwerking en MOX-splijtstoffabricage. Urenco (VK, Nederland, Duitsland, met activiteiten in de VS) is een van de grootste commerciële verrijkers. Rosatom (Rusland) is het enige staatsbedrijf met operationele, commerciële kweekreactoren en werkt aan een volledig gesloten cyclus. In China bouwt CNNC (China National Nuclear Corporation) verder aan kweekreactortechnologie via het CFR-600-project. In Japan werken JAEA (Japan Atomic Energy Agency) en Japan Nuclear Fuel Ltd al decennia aan de Rokkasho-fabriek, terwijl in Finland Posiva verantwoordelijk is voor de Onkalo-eindberging.
Op internationaal niveau coördineren het IAEA (Internationaal Atoomenergieagentschap) en de OESO/NEA (Nuclear Energy Agency) standaarden, veiligheidsnormen en kennisuitwisseling tussen landen, en houden zij mede toezicht op de niet-verspreiding van kernwapenmateriaal binnen de cyclus.