Uraniumhexafluoride: de onmisbare tussenstop op weg naar kernbrandstof
Uraniumhexafluoride, in vaktaal vaak afgekort tot UF6, is een chemische verbinding van uranium en fluor die zelf geen energie levert, maar wel onmisbaar is voor bijna alle kerncentrales ter wereld. Het is de vorm waarin uranium wordt omgezet voordat het "verrijkt" kan worden: het proces waarbij het aandeel van het splijtbare uranium-235 wordt verhoogd tot een niveau dat bruikbaar is als brandstof, of, in het uiterste geval, voor een kernwapen.
Denk aan UF6 als een tussenproduct, vergelijkbaar met de manier waarop ruwe tarwekorrels eerst tot meel gemalen moeten worden voordat je er brood van kunt bakken. Natuurlijk uranium, zoals het uit de mijn komt, bevat te weinig van het bruikbare uranium-235 om direct in de meeste reactoren te gebruiken. Door het om te zetten in UF6-gas kan dat scheidingsproces, verrijking genoemd, technisch worden uitgevoerd. Zonder deze stap in de keten zou er geen splijtstof voor kerncentrales bestaan zoals we die nu kennen.
Wat is het precies?
Uranium komt in de natuur voor als erts, met daarin vooral het isotoop uranium-238 en slechts ongeveer 0,7 procent van het lichtere, splijtbare uranium-235. Voor de meeste reactoren moet dat aandeel omhoog naar zo'n 3 tot 5 procent. Om de twee isotopen van elkaar te scheiden, moet het uranium eerst in een vorm gebracht worden die goed te hanteren is als gas.
Daarvoor wordt uraniumerts eerst chemisch gezuiverd en omgezet tot uraniumoxide, en vervolgens via een reeks reacties met fluor omgezet in uraniumhexafluoride. Dit gebeurt in gespecialiseerde conversiefabrieken. UF6 heeft een bijzondere eigenschap: bij normale luchtdruk gaat het bij ongeveer 56,5 graden Celsius direct van vaste stof over in gas, zonder eerst te smelten. Dat noemt men sublimeren. Die eigenschap maakt UF6 uitermate geschikt om als gas door verrijkingsinstallaties te laten stromen.
De meest gebruikte verrijkingstechniek is de gascentrifuge. Het UF6-gas wordt in duizenden, tot op grote snelheid draaiende cilinders gepompt. Doordat uranium-238 iets zwaarder is dan uranium-235, worden de zwaardere moleculen sterker naar de buitenrand van de cilinder geslingerd, terwijl de lichtere, iets meer verrijkte moleculen dichter bij de as blijven. Door duizenden van deze centrifuges achter elkaar te schakelen (een cascade genoemd) wordt het verschil steeds verder uitvergroot, tot het gewenste verrijkingsniveau is bereikt.
Een oudere methode, gasdiffusie, werkte volgens een vergelijkbaar principe maar dreef het UF6-gas onder druk door poreuze membranen; de iets lichtere, verrijkte moleculen diffundeerden net iets sneller. Deze techniek is inmiddels grotendeels uitgefaseerd omdat ze veel meer elektriciteit verbruikt dan de centrifuge.
UF6 is chemisch lastig in de omgang: het reageert heftig met vocht in de lucht en vormt dan bijtend fluorwaterstofzuur en uranylfluoride, een giftig zout. Daarom wordt het uitsluitend verwerkt en vervoerd in volledig gesloten, corrosiebestendige stalen cilinders.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel van de hele keten is splijtstof maken voor kerncentrales: metalen staafjes met uraniumoxide-pellets die in een reactorkern warmte opwekken door kernsplijting, en die warmte wordt vervolgens omgezet in elektriciteit. Omdat kerncentrales nauwelijks CO2 uitstoten tijdens bedrijf, zien veel landen verrijkt uranium als een middel om aan hun energiebehoefte te voldoen zonder fossiele brandstoffen te verbranden.
Tegelijk is dezelfde technologie, verder doorgedreven, ook geschikt om zeer hoog verrijkt uranium (boven de 90 procent) te maken, het materiaal dat nodig is voor kernwapens. Dat dubbele gebruik, in vaktermen "dual use", is de reden waarom verrijkingsfabrieken wereldwijd zwaar worden bewaakt en gecontroleerd door internationale inspecteurs. De spanning tussen legitiem energiegebruik en het risico op wapenontwikkeling loopt als een rode draad door de hele geschiedenis van UF6 en verrijking.
Voorbeelden uit de praktijk
De Metropolis Works in Illinois, Verenigde Staten, is al sinds de jaren zestig de enige Amerikaanse fabriek die uraniumoxide omzet in UF6; het bedrijf Honeywell exploiteert de locatie en levert aan verrijkingsfabrieken in binnen- en buitenland.
In Nederland ligt in Almelo de vestiging van URENCO, een van de grootste commerciële verrijkingsbedrijven ter wereld. URENCO is in 1970 opgericht door Nederland, het Verenigd Koninkrijk en (West-)Duitsland via het Verdrag van Almelo, juist om Europa onafhankelijk te maken van Amerikaanse en Sovjetverrijking. Naast Almelo heeft het bedrijf vestigingen in Capenhurst (VK), Gronau (Duitsland) en Eunice (VS).
In Frankrijk verzorgt Orano (voorheen Areva) de conversie in Malvési en Pierrelatte, en de verrijking gebeurt in de centrifugefabriek Georges Besse II op de site Tricastin, operationeel sinds 2011 als opvolger van de oude, veel energie-intensievere diffusiefabriek Eurodif.
Rusland beschikt met staatsbedrijf Rosatom (via dochteronderneming TVEL) over enkele van de grootste centrifugecomplexen ter wereld, onder meer in Seversk, Novouralsk en Angarsk, en exporteert verrijkt uranium naar klanten wereldwijd.
Een gevoeliger voorbeeld is Iran, waar de verrijkingsinstallaties in Natanz en de diep in een berg gebouwde faciliteit bij Fordow de afgelopen jaren internationaal veel aandacht kregen. Iran verrijkte daar UF6 tot niveaus die ver boven wat voor civiele energieopwekking nodig is, wat leidde tot langdurige onderhandelingen en inspecties door het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA).
Hoe ver is de techniek?
De basischemie van UF6 en het principe van isotoopscheiding zijn al meer dan tachtig jaar bekend; ze werden voor het eerst op grote schaal toegepast tijdens het Amerikaanse Manhattanproject in de jaren veertig. In die zin is dit geen nieuwe of experimentele technologie, maar een volwassen industrieel proces.
Wel is er de afgelopen decennia veel veranderd in hoe efficiënt het gebeurt. De energie-intensieve gasdiffusiefabrieken in de Verenigde Staten (zoals de beroemde K-25-fabriek in Oak Ridge en latere fabrieken in Paducah en Portsmouth) zijn allemaal gesloten; de gascentrifuge, die tot wel vijftig keer minder elektriciteit verbruikt, is wereldwijd de dominante techniek geworden.
Een nieuwere ontwikkeling is laserverrijking, waarbij met precies afgestemde laserlicht selectief energie wordt toegevoegd aan uranium-235-atomen of -moleculen om ze te scheiden van uranium-238. Technieken als SILEX worden al jaren ontwikkeld en getest, onder meer door het Amerikaans-Australische bedrijf Global Laser Enrichment, maar hebben de centrifuge tot nu toe nergens op grote commerciële schaal vervangen. De belangrijkste obstakels zijn kosten, technische complexiteit en, niet onbelangrijk, de zorg dat laserverrijking kleinere en moeilijker te detecteren installaties mogelijk zou maken, wat het toezicht op ongeoorloofde verrijking bemoeilijkt.
Kortom: het scheikundige en industriële proces staat, maar de geopolitieke kant is voortdurend in beweging, met discussies over capaciteitsuitbreiding in Europa en de VS (mede om minder afhankelijk te worden van Russisch verrijkt uranium) en met aanhoudende zorgen over verrijkingsprogramma's in landen als Iran en Noord-Korea.
Wie werken eraan?
Een klein aantal grote, sterk gereguleerde partijen domineert de wereldwijde UF6- en verrijkingsketen. URENCO (Nederland, VK, Duitsland, VS) en Orano (Frankrijk) zijn de belangrijkste westerse spelers. Rosatom/TVEL (Rusland) is historisch de grootste enkele verrijker ter wereld en levert ook aan westerse energiebedrijven, wat sinds de oorlog in Oekraïne tot politieke discussie leidt. In de Verenigde Staten verzorgt Honeywell de conversie naar UF6, terwijl Amerikaanse en internationale bedrijven werken aan nieuwe centrifugecapaciteit om minder afhankelijk te worden van Rusland. China bouwt via staatsbedrijf CNNC eigen verrijkingscapaciteit uit voor zijn snel groeiende kernenergiepark.
Toezicht en controle liggen internationaal vooral bij het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) in Wenen, dat via inspecties en boekhoudkundige waarborgen (safeguards) probeert te garanderen dat UF6 en verrijkt uranium niet worden afgeleid naar wapenprogramma's. Landelijke toezichthouders, zoals de Autoriteit Nucleaire Veiligheid en Stralingsbescherming (ANVS) in Nederland, houden daarnaast toezicht op veiligheid en beveiliging van installaties zoals die in Almelo.