Uranium-235: de splijtbare kern achter kernenergie en kernwapens
Uranium-235 is een bijzondere variant van het metaal uranium die de kern vormt van zowel kerncentrales als kernwapens. Het cijfer 235 verwijst naar het totale aantal protonen en neutronen in de atoomkern. Wat dit atoom zo bijzonder maakt, is dat het uiteenvalt zodra er een neutron op inslaat — en daarbij komt een enorme hoeveelheid energie vrij, samen met nieuwe neutronen die op hun beurt weer andere atomen kunnen raken.
Een handige analogie is een rij dominostenen die zo dicht op elkaar staan dat elke omvallende steen er meteen twee anderen omduwt. In plaats van dat de reactie dooft, groeit ze juist door: dat noemen natuurkundigen een kettingreactie. Bij een kerncentrale wordt die reactie zorgvuldig afgeremd tot een gelijkmatig tempo, zodat de vrijkomende warmte water kan verhitten voor stroomopwekking. Bij een kernwapen gebeurt precies het tegenovergestelde: de kettingreactie wordt zo snel mogelijk laten escaleren.
Wat is het precies?
Uranium komt in de natuur voor als een mengsel van verschillende isotopen: atomen van hetzelfde element met een verschillend aantal neutronen in de kern. Natuurlijk uranium bestaat voor 99,3% uit uranium-238 en slechts 0,7% uit uranium-235. Dat kleine beetje U-235 is het deel dat telt, want het is fissiel: het valt makkelijk uiteen (splijt) wanneer een langzaam neutron de kern raakt. U-238 doet dat vrijwel niet.
Omdat natuurlijk uranium te weinig U-235 bevat om een kettingreactie op gang te houden in de meeste reactortypes, moet het worden verrijkt: het aandeel U-235 wordt kunstmatig verhoogd. Voor de meeste kerncentrales volstaat laagverrijkt uranium met 3 tot 5 procent U-235. Voor kernwapens en sommige onderzoeksreactoren is hoogverrijkt uranium nodig, doorgaans boven de 90 procent. Dat verschil in verrijkingsgraad is precies waarom internationale controle op verrijkingsinstallaties zo belangrijk is: dezelfde basistechnologie kan, afhankelijk van hoe ver je verrijkt, voor vreedzame energie of voor wapens worden ingezet.
Verrijken gebeurt door het uranium eerst om te zetten in het gas uraniumhexafluoride en dat vervolgens te scheiden op basis van het minuscule gewichtsverschil tussen U-235 en U-238. Vroeger gebeurde dit met gasdiffusie, een energie-intensieve methode die inmiddels grotendeels is uitgefaseerd. De huidige standaard is de gascentrifuge, waarbij het gas in duizenden snel draaiende cilinders wordt gescheiden. Laserverrijking, die moleculen selectief aanslaat met licht, wordt al decennia onderzocht als mogelijke opvolger maar heeft de gascentrifuge tot nu toe nergens op grote schaal vervangen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van U-235-technologie is het opwekken van elektriciteit zonder directe CO2-uitstoot. Kerncentrales leveren, in tegenstelling tot zon en wind, een constante hoeveelheid stroom ongeacht het weer, wat ze aantrekkelijk maakt als aanvulling op wisselvallige duurzame bronnen.
Daarnaast wordt U-235 gebruikt om medische isotopen te produceren. In onderzoeksreactoren wordt uranium bestraald om technetium-99m te maken, een stof die dagelijks wereldwijd wordt ingezet bij miljoenen medische scans. Ook de aandrijving van marineschepen — met name onderzeeërs en vliegdekschepen van onder meer de Amerikaanse en Franse marine — draait op kernreactoren die vaak (hoog)verrijkt uranium gebruiken, omdat deze schepen dan maandenlang zonder bijtanken kunnen varen.
Belangrijk om te vermelden: de radio-isotopengeneratoren die ruimtesondes zoals Voyager en Curiosity van stroom voorzien, gebruiken doorgaans plutonium-238, niet uranium-235. Ruimtevaart is dus geen typische U-235-toepassing.
Ten slotte is er de militaire dimensie. Sinds de jaren veertig van de vorige eeuw is hoogverrijkt uranium een van de twee hoofdroutes (naast plutonium) naar een kernwapen. Deze dual-use-eigenschap — dezelfde grondstof en verrijkingstechniek voor stroom én wapens — is de reden dat er een internationaal controlesysteem bestaat rond uraniumverrijking.
Voorbeelden uit de praktijk
Urenco, met een verrijkingsfabriek in Almelo, is een van de weinige westerse bedrijven die commercieel uranium verrijkt voor de energiesector. Het bedrijf is een samenwerking tussen Nederland, het Verenigd Koninkrijk en Duitsland en levert brandstof aan kerncentrales wereldwijd.
In Frankrijk draait ongeveer 70 procent van de elektriciteitsproductie op kernenergie, met energiebedrijf EDF als grootste operator van tientallen reactoren die op verrijkt U-235 draaien.
Nederland heeft zelf de kerncentrale Borssele, operationeel sinds 1973, die nog altijd stroom levert en waarvan de levensduur inmiddels is verlengd.
Een goed voorbeeld van internationale controle is het JCPOA-akkoord uit 2015 (de nucleaire deal met Iran), waarin werd afgesproken hoeveel en hoe hoog Iran uranium mocht verrijken, gecontroleerd door inspecteurs van het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA). Het akkoord kwam onder druk te staan nadat de Verenigde Staten zich er in 2018 uit terugtrokken.
Recenter zijn er projecten rond kleine modulaire reactoren (SMR's), zoals die van het Amerikaanse bedrijf NuScale, die kleinschaliger kernenergie mogelijk moeten maken met laagverrijkt of licht hoger verrijkt uranium.
Hoe ver is de techniek?
De basistechnologie van uraniumverrijking is volwassen: gascentrifuges bestaan al sinds de jaren zestig en zijn sindsdien vooral efficiënter geworden, niet fundamenteel veranderd. Er is dus geen sprake van een doorbraaktechnologie in ontwikkeling, eerder van geleidelijke optimalisatie.
Wat wel in beweging is, is de vraag naar een tussenvorm: HALEU (high-assay low-enriched uranium), verrijkt tot 5 à 20 procent. Veel nieuwe SMR-ontwerpen hebben dit nodig, maar de wereldwijde productiecapaciteit hiervoor is nog beperkt.
Een actueel knelpunt is de geopolitieke afhankelijkheid van Rusland. Het Russische staatsbedrijf Rosatom (via dochterbedrijf TENEX) is al decennia een van de grootste leveranciers van verrijkt uranium wereldwijd. Sinds de Russische invasie van Oekraïne in 2022 proberen westerse landen en bedrijven, waaronder de Verenigde Staten, deze afhankelijkheid af te bouwen door eigen verrijkingscapaciteit uit te breiden — een proces dat jaren in beslag neemt vanwege de hoge investeringskosten en lange bouwtijden van verrijkingsfabrieken.
Wie werken eraan?
Urenco (Nederland, VK, Duitsland, met een vestiging ook in de VS) en het Franse Orano zijn de belangrijkste westerse commerciële verrijkers. Rosatom/TENEX uit Rusland is wereldwijd een van de grootste spelers, en de China National Nuclear Corporation bouwt eigen capaciteit op voor de snel groeiende Chinese kernenergiesector.
In de Verenigde Staten investeert het Amerikaanse ministerie van Energie in nieuwe binnenlandse verrijkingscapaciteit, mede om minder afhankelijk te worden van Rusland. Toezicht op verrijking en non-proliferatie wereldwijd is de taak van het IAEA (Internationaal Atoomenergieagentschap) in Wenen. In Nederland houdt onderzoeksinstelling NRG in Petten zich onder meer bezig met de productie van medische isotopen op basis van (laagverrijkt) uranium.