Opwerking van kernbrandstof: hergebruik van 'verbruikte' splijtstof
Als een kerncentrale draait, wordt de splijtstof – meestal staafjes met verrijkt uranium – na een paar jaar 'op'. Niet omdat al het bruikbare materiaal is verdwenen, maar omdat de reactiviteit te laag wordt om de reactor efficiënt te laten draaien. Toch zit er in die gebruikte splijtstof nog altijd zo'n 95 procent bruikbaar materiaal: onverbruikt uranium en nieuw gevormd plutonium. Opwerking is het chemische proces waarmee dat bruikbare materiaal wordt gescheiden van het echte afval, zodat het weer als brandstof kan dienen.
Vergelijk het met een houtkachel die stopt te branden zolang er nog onverbrande stukken hout tussen de as liggen, simpelweg omdat de vlam niet meer genoeg hitte krijgt. Wie de as zou uitzeven, kan die stukken hout er alsnog uithalen en opnieuw verbranden. Opwerking doet chemisch iets vergelijkbaars met kernbrandstof: het scheidt het 'as' (het echte radioactieve afval) van het nog bruikbare 'hout' (uranium en plutonium), zodat dat laatste een tweede leven krijgt.
Wat is het precies?
Gebruikte splijtstofstaven komen na hun tijd in de reactor eerst jarenlang in een opslagbassin terecht, om af te koelen en de sterkste radioactiviteit te laten vervallen. Pas daarna kan opwerking beginnen.
De staven worden mechanisch geknipt en de brandstofpellets worden opgelost in salpeterzuur. Dit levert een vloeistof op met daarin uranium, plutonium, en de zogeheten splijtingsproducten: de radioactieve resten die ontstaan wanneer een uraniumatoom in de reactor splijt. Die splijtingsproducten vormen het eigenlijke hoogradioactieve afval.
De meest gebruikte scheidingsmethode heet PUREX, een afkorting van Plutonium and Uranium Recovery by EXtraction. Hierbij wordt de vloeistof gemengd met een organisch oplosmiddel (tributylfosfaat) dat uranium en plutonium selectief opneemt, terwijl de splijtingsproducten achterblijven in de waterige fase. Door de omstandigheden in opeenvolgende stappen te variëren, worden uranium en plutonium vervolgens ook van elkaar gescheiden.
Het teruggewonnen uranium kan opnieuw worden verrijkt en als brandstof dienen. Het plutonium wordt gemengd met verarmd uranium tot MOX-brandstof (Mixed Oxide fuel), die in aangepaste reactoren kan worden ingezet. Wat overblijft – de splijtingsproducten – wordt ingesmolten in glas, een proces dat vitrificatie heet, en als hoogradioactief afval definitief opgeslagen in afwachting van een eindberging.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste argument voor opwerking is grondstofbesparing. Uranium is een eindige delfstof, en door plutonium en resterend uranium te hergebruiken, hoeft er minder nieuw uranium te worden gedolven en verrijkt. In theorie kan opwerking, gecombineerd met zogeheten kweekreactoren (reactoren die meer splijtbaar materiaal produceren dan ze verbruiken), de energie-inhoud van een gegeven hoeveelheid uranium met tientallen procenten tot een veelvoud verhogen.
Een tweede argument gaat over afval. Doordat een deel van het materiaal opnieuw wordt gebruikt, neemt het volume aan uiteindelijk te bergen hoogradioactief afval af, al blijft dat afval nog altijd zeer langlevend en gevaarlijk. Voorstanders wijzen er ook op dat je door plutonium actief te verwerken tot MOX-brandstof, dit materiaal juist uit omloop haalt in een vorm die niet direct bruikbaar is voor wapens – een tegenargument tegen de zorg dat opwerking juist bijdraagt aan verspreiding van kernwapenmateriaal.
Landen als Frankrijk zien opwerking bovendien als onderdeel van energiezekerheid: minder afhankelijkheid van uraniumimport op de lange termijn. Daar staat tegenover dat opwerking duur is en dat plutonium apart hanteren nu juist proliferatierisico's met zich meebrengt, omdat het scheidingsproces plutonium in vrijwel zuivere vorm oplevert. Dat spanningsveld – grondstofwinst en afvalreductie tegenover kosten en veiligheidsrisico's – is de kern van het al decennialange internationale debat over opwerking.
Voorbeelden uit de praktijk
De fabriek in La Hague, Normandië, is sinds 1976 in bedrijf en wordt beheerd door het Franse staatsbedrijf Orano (voorheen Areva, daarvoor Cogema). Het is wereldwijd de grootste commerciële opwerkingsfabriek en verwerkt niet alleen Franse splijtstof, maar in het verleden ook brandstof uit Duitsland, Japan, Nederland en andere landen. De teruggewonnen plutonium wordt onder meer verwerkt tot MOX-brandstof voor Franse kerncentrales.
Sellafield in het Verenigd Koninkrijk had twee opwerkingslijnen: de oudere Magnox-fabriek en de in 1994 geopende THORP-fabriek (Thermal Oxide Reprocessing Plant). Beide hebben hun opwerkingsactiviteiten inmiddels beëindigd; Sellafield richt zich nu vooral op ontmanteling en langdurig beheer van de enorme hoeveelheid plutonium die er historisch is opgeslagen – de grootste civiele plutoniumvoorraad ter wereld.
In Japan bouwt men al sinds 1993 aan de opwerkingsfabriek Rokkasho. Het project kende decennialang vertraging door technische problemen en aangescherpte veiligheidseisen na de kernramp van Fukushima in 2011. De opstart is herhaaldelijk uitgesteld; lezers doen er goed aan de actuele status bij een recente bron te checken, aangezien de precieze planning regelmatig verschuift.
Rusland verwerkt sinds de jaren zeventig splijtstof in de Mayak-fabriek (RT-1) in de Oeral, en ontwikkelt daarnaast geavanceerdere opwerkingstechnieken in het kader van zijn programma voor snelle kweekreactoren, zoals de BN-800-reactor.
China bouwt, met Franse technologische steun via een overeenkomst met Orano, aan een grootschalige commerciële opwerkingsfabriek als onderdeel van zijn ambitie voor een 'gesloten splijtstofcyclus'. Ook hiervoor geldt dat het tijdpad de afgelopen jaren is opgeschoven en dat actuele bronnen nodig zijn voor de precieze stand van zaken.
Hoe ver is de techniek?
Chemisch gezien is PUREX volwassen technologie: het proces bestaat al sinds de jaren veertig en wordt al decennia op industriële schaal toegepast. Het grote obstakel is niet de chemie, maar de combinatie van kosten, politiek en veiligheid.
Opwerking is aanzienlijk duurder dan de zogeheten 'open' splijtstofcyclus, waarbij gebruikte brandstof zonder opwerking rechtstreeks als afval wordt opgeslagen. Zolang natuurlijk uranium relatief goedkoop blijft, is er weinig economische prikkel om op grote schaal op te werken. Dat is een belangrijke reden waarom de meeste landen met kerncentrales – waaronder de Verenigde Staten, Zweden, Finland en Duitsland – kiezen voor de open cyclus.
De Verenigde Staten stopten hun civiele opwerkingsprogramma in de jaren zeventig grotendeels vanwege proliferatiezorgen: president Carter besloot in 1977 dat commerciële opwerking niet zou worden aangemoedigd, om te voorkomen dat afgescheiden plutonium in verkeerde handen zou vallen of andere landen zou aanmoedigen hetzelfde te doen.
Daarnaast is het economische voordeel van opwerking het grootst in combinatie met snelle kweekreactoren, die het teruggewonnen plutonium efficiënt kunnen verbruiken. De commerciële uitrol van dat type reactor is wereldwijd echter al decennia beperkt gebleven tot een handvol experimentele en demonstratieprojecten, mede door technische complexiteit en hoge kosten. Zonder een grote vloot kweekreactoren is de 'winst' van opwerking dus vooral theoretisch.
Onderzoekers werken daarnaast aan alternatieve opwerkingstechnieken, zoals pyroprocessing – een methode met gesmolten zouten in plaats van waterige zuren – die mogelijk minder proliferatiegevoelig is omdat plutonium daarbij nooit in zuivere vorm vrijkomt. Deze technieken zijn nog niet op commerciële schaal bewezen.
Wie werken eraan?
Frankrijk is via het staatsbedrijf Orano de belangrijkste commerciële speler, met La Hague als vlaggenschip. Het Franse onderzoeksinstituut CEA (Commissariat à l'énergie atomique) ontwikkelt er bovendien geavanceerdere opwerkings- en recyclingtechnieken.
In het Verenigd Koninkrijk beheert de Nuclear Decommissioning Authority via Sellafield Ltd de voormalige opwerkingsinstallaties en de plutoniumvoorraad.
Japan werkt via Japan Nuclear Fuel Limited aan Rokkasho, met steun van de Japanse overheid, die opwerking al decennia als pijler van haar energiebeleid beschouwt.
Rusland ontwikkelt zijn opwerkings- en kweekreactorprogramma via het staatsbedrijf Rosatom, onder meer op de Mayak-locatie.
China bouwt zijn opwerkingscapaciteit op via de China National Nuclear Corporation, met technologieoverdracht vanuit Frankrijk.
Internationaal houdt het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) toezicht op veiligheidswaarborgen rond gescheiden plutonium, en publiceert de OESO/NEA (Nuclear Energy Agency) regelmatig analyses over de economische en beleidsmatige kanten van opwerking.