MOX-splijtstof: hoe je plutonium hergebruikt als kernbrandstof
MOX staat voor 'mixed oxide' oftewel gemengd oxide. Het is een kernbrandstof die niet alleen uit uranium bestaat, zoals gewone splitstof, maar uit een mengsel van uraniumoxide en plutoniumoxide. Vergelijk het met koken: een gewone kerncentrale draait op een 'recept' met alleen verrijkt uranium als ingrediënt, terwijl MOX een recept is waarbij je een deel van dat uranium vervangt door plutonium dat is teruggewonnen uit gebruikte splijtstof. Het idee is dat je zo een bruikbare grondstof recyclet in plaats van hem als afval weg te zetten.
Plutonium ontstaat vanzelf in elke kerncentrale: tijdens de splijting van uranium vangt een deel van de uraniumkernen een neutron op en verandert in plutonium. Na gebruik zit er dus, naast splijtingsafval, ook bruikbaar plutonium in de 'verbruikte' splijtstofstaven. MOX-brandstof is een manier om dat plutonium opnieuw als brandstof in te zetten, in plaats van het als hoogradioactief afval te laten liggen. Het is een van de weinige vormen van kernafvalrecycling die op industriële schaal wordt toegepast.
Wat is het precies?
Het proces begint bij gebruikte splijtstofstaven uit een kerncentrale. Die staven bevatten nog altijd zo'n 95 procent uranium, ongeveer 1 procent plutonium en de rest is splijtingsafval en andere zware elementen. In een opwerkingsfabriek worden deze stoffen chemisch van elkaar gescheiden, met een techniek die PUREX heet (Plutonium Uranium Redox EXtraction).
Het uitgesplitste plutoniumoxide wordt vervolgens gemengd met uraniumoxide, meestal verarmd uranium dat overblijft bij verrijkingsfabrieken. Die mix bevat doorgaans tussen de 3 en 10 procent plutonium; de rest is uranium. Dit poeder wordt geperst tot kleine keramische pellets, die in metalen staven worden geladen. Die staven vormen samen weer splijtstofbundels, vergelijkbaar met gewone uraniumbundels.
MOX-splijtstof kan in normale lichtwaterreactoren worden gebruikt, mits de reactor en de vergunning daarop zijn aangepast. Meestal wordt niet de hele reactorkern met MOX geladen, maar een deel, vaak tot ongeveer 30 procent van de splijtstofelementen. Plutonium gedraagt zich namelijk net iets anders in een reactor dan uranium, wat invloed heeft op de besturing en veiligheid van de centrale.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het hergebruiken van plutonium dat anders als afval zou worden opgeslagen. Landen die hun splijtstof opwerken, zoals Frankrijk, houden na dat proces grote hoeveelheden gescheiden plutonium over. MOX-productie biedt een manier om dat plutonium nuttig in te zetten in plaats van het decennialang op te slaan.
Een tweede doel is het besparen op nieuw uraniumerts. Doordat een deel van de energie uit gerecycled plutonium komt, hoeft er iets minder vers uranium te worden gedolven en verrijkt. In de praktijk is die besparing beperkt, meestal enkele procenten van het totale uraniumverbruik van een land, omdat het opwerkings- en fabricageproces zelf ook grondstoffen en energie kost.
Een derde, politiek belangrijk doel is non-proliferatie: het voorkomen dat plutonium in verkeerde handen valt. Plutonium dat is verwerkt tot MOX-splijtstof is veel lastiger te gebruiken voor een kernwapen dan puur, gescheiden plutoniumoxide. Dit was ook de reden achter Amerikaans-Russische afspraken om overtollig wapenplutonium via MOX 'onschadelijk' te maken door het in reactoren te verstoken.
Voorbeelden uit de praktijk
Melox-fabriek, Marcoule, Frankrijk — Sinds 1995 produceert dit bedrijf van Orano (voorheen Areva) industrieel MOX-splijtstof, met een capaciteit van circa 195 ton per jaar. Het is wereldwijd de grootste fabriek in zijn soort en levert aan Franse en buitenlandse reactoren.
Franse reactorpark, sinds 1987 — Frankrijk was het eerste land dat MOX op grote schaal in commerciële reactoren gebruikte, te beginnen bij de centrale Saint-Laurent. Inmiddels zijn ruim twintig van de Franse reactoren van EDF vergund om MOX te gebruiken, doorgaans met een kernlading tot 30 procent MOX-elementen.
Sellafield MOX Plant, Verenigd Koninkrijk (2001-2011) — Deze Britse fabriek moest plutonium uit de eigen opwerkingsactiviteiten verwerken tot MOX, maar kampte met technische problemen en tegenvallende orders. Ze werd in 2011 definitief gesloten, een voorbeeld van hoe lastig het is om MOX-productie economisch rendabel te maken.
Takahama-centrale, Japan (herstart 2016) — Na de kernramp van Fukushima in 2011 lag het gebruik van MOX in Japan lange tijd stil. De reactoren Takahama-3 en -4 waren onder de eersten die, na aangescherpte veiligheidseisen, weer met MOX-splijtstof gingen draaien.
MOX Fuel Fabrication Facility, Savannah River, Verenigde Staten — Dit project moest, in het kader van een Amerikaans-Russisch ontwapeningsverdrag, overtollig wapenplutonium omzetten in MOX-splijtstof. De bouw begon in 2007, maar door enorme kostenoverschrijdingen en vertragingen besloot de Amerikaanse regering het project in 2018 stop te zetten. In plaats daarvan koos men voor een eenvoudigere methode ('dilute and dispose'), waarbij het plutonium wordt verdund en direct ondergronds opgeslagen zonder het eerst tot splijtstof te verwerken.
Hoe ver is de techniek?
MOX-splijtstof is geen experimentele technologie meer; het wordt al decennia commercieel toegepast. Wereldwijd draaien op dit moment enkele tientallen reactoren, vooral in Frankrijk, gedeeltelijk op MOX. Toch blijft het een nichetoepassing binnen de kernenergiesector: het overgrote deel van de reactoren draait nog altijd volledig op verrijkt uranium.
De belangrijkste belemmering is economisch. Opwerken van splijtstof en het fabriceren van MOX kost aanzienlijk meer dan simpelweg nieuw uranium verrijken, zeker nu de uraniumprijs relatief laag is gebleven. Landen als de Verenigde Staten hebben er daarom voor gekozen om plutonium niet te recyclen maar direct als afval te behandelen.
Daarnaast spelen veiligheids- en beveiligingsvraagstukken een rol. Het transport en de opslag van gescheiden plutonium vragen om strenge beveiliging tegen diefstal of misbruik, wat de hele keten duurder en gevoeliger maakt. Voorstanders zien in geavanceerde, nog in ontwikkeling zijnde 'snelle kweekreactoren' een toekomst waarin plutonium veel efficiënter kan worden hergebruikt dan met de huidige MOX-technologie in gewone lichtwaterreactoren, maar dergelijke reactoren zijn zelf nog verre van rijp voor grootschalige commerciële inzet.
Wie werken eraan?
Frankrijk is met afstand de grootste speler: het staatsbedrijf Orano exploiteert zowel de opwerkingsfabriek in La Hague als de MOX-fabricagefabriek Melox, en energiebedrijf EDF gebruikt de splijtstof in zijn reactorpark. Frankrijk werkt hierbij nauw samen met Japan, dat via bedrijven als Japan Nuclear Fuel Limited en elektriciteitsmaatschappijen zoals Kansai Electric eigen plutonium laat opwerken en tot MOX verwerken, deels in Frankrijk zelf.
In het Verenigd Koninkrijk beheert de National Decommissioning Authority de erfenis van het gesloten Sellafield-complex, inclusief een grote plutoniumvoorraad waarvoor nog altijd wordt gezocht naar een definitieve bestemming. In de Verenigde Staten zijn het ministerie van Energie (DOE) en de National Nuclear Security Administration (NNSA) verantwoordelijk voor het beheer van overtollig wapenplutonium, nu via de dilute-and-dispose-route.
China bouwt zijn opwerkings- en MOX-ambities gestaag uit, met technische steun van Orano, al verloopt de realisatie van een grote Chinese opwerkingsfabriek met vertraging. Toezicht op het internationale gebruik van plutonium en MOX-splijtstof, vooral met het oog op non-proliferatie, ligt bij het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) in Wenen.