Kernenergie. Hiteq. Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland. Mark Veltman. Domein Technologie

centrum van innovatie

Hiteq

Kernenergie

Hiteq, centrum van innovatie, wil komen tot duurzame

Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland

vernieuwing. Het centrum richt zich daarbij op technische beroepen en opleidingen. Hiteq wil ondernemingen en

Mark Veltman

onderwijsinstellingen met concepten, modellen en visies ondersteunen bij het richting geven aan hun strategische beleid en toepassen van innovatie. Daarvoor ontwikkelt het centrum toekomstscenario’s; visies op een toekomst die mogelijk gaat ontstaan.

Domein Technologie

Opdrachtgever

Januari 2007

Hiteq, centrum van innovatie

Uitgave: juli 2007

www.hiteq.org

Programmaleider Technologie Ir. Daan Maatman

Kernenergie

Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland Mark Veltman Opdrachtgever Hiteq, centrum van innovatie Programmaleider Technologie Ir. Daan Maatman

Domein: Technologie Januari 2007 Uitgave: juli 2007

www.hiteq.org

Hiteq Hiteq, centrum van innovatie, wil komen tot duurzame vernieuwing. Het centrum richt zich daarbij op technische beroepen en opleidingen. Hiteq wil ondernemingen en onderwijsinstellingen met concepten, modellen en visies ondersteunen bij het richting geven aan hun strategische beleid en toepassen van innovatie. Daarvoor ontwikkelt het centrum toekomstscenario’s; visies op een toekomst die mogelijk gaat ontstaan. Hiteq doet dat door kennis te ontsluiten, te combineren en te verrijken en werkt daarbij samen met specialisten uit de wetenschap, het onderwijs en ondernemingen. Ontwikkelingen in vernieuwingsgebieden zijn vaak niet in afgebakende domeinen te vangen. Er is samenhang en wederzijdse beïnvloeding. Om enige richting te

-

bepalen, hanteert Hiteq vier domeinen: Maatschappij Onderneming en arbeid Onderwijs Technologie Hiteq zoekt nadrukkelijk de verbanden tussen de domeinen, omdat de ontwikkelingen als geheel van invloed zijn op leren en werken in technische beroepen. Deze Hiteq-publicatie valt binnen het domein Technologie.

www.hiteq.org Hiteq is een initiatief van Kenteq Deze publicatie is een bewerking van een onderzoeksverslag in het kader van de opleiding Engineering, Design & Innovation van de Hogeschool van Amsterdam Opdrachtgever:


Programmaleider: ir. Daan Maatman

Inhoudsopgave

Samenvatting

7

1

Inleiding

9

2

Wat is kernenergie?

11

3

Kernsplijting

15

3.1

Het principe van kernsplijting

16

3.1.1 Geschiedenis van de kernsplijting

18

3.1.2 Splijtstof

20

3.1.3 Landen op de kernenergiemarkt

24

3.2

25

Radioactiviteit en straling

3.2.1 Radioactiviteit

25

3.2.2 Straling

25

3.3

30

Radioactief afval

3.3.1 Verwerking van radioactief afval

31

3.3.2 Ondergrondse opslag

32

3.3.3 Transmutatie

34

4

Kernfusie

37

4.1

Het principe van kernfusie

38

4.2

Korte geschiedenis van de kernfusie

39

4.3

Kernfusieprojecten

40

4.4

De bijdrage van Nederland

41

5

Conclusie

43

5.1

Technologische mogelijkheden

43

5.2

Opleidingsmogelijkheden

45

5.3

Maatschappelijke impact

46

Bronnen

47

Noten

51

Termen en afkortingen

53

Samenvatting

Bijlagen

1

Typen reactoren

57

2

De kernenergiecyclus

66

3

Actieve landen

67

4

De voor- en nadelen van kernsplijting

69

neutronen en een grote hoeveelheid energie vrij.

5

De COVRA

71

Kernsplijting heeft een aantal voordelen. Maar er is ook een groot nadeel, dat

6

Plasma

73

Colofon

76

Met kernenergie wordt bedoeld: de energie die vrijkomt bij het splijten (kern splijting) of fuseren (kernfusie) van atoomkernen. Momenteel wordt alleen kernsplijting als commerciële methode van energieopwekking gebruikt; de techniek achter kernfusie is nog niet ver genoeg ontwikkeld. Kernsplijting is het splijten van een uranium-235-atoom met behulp van een neutron. Wanneer het atoom gespleten wordt, komen er (minimaal) twee brokstukken, twee à drie

voor veel mensen zwaarder weegt dan de voordelen: het afval. Geen gewoon afval maar afval dat ioniserende straling uitzendt, beter bekend als radioactief afval. Dit radioactieve afval blijft gedurende duizenden jaren schadelijk voor mens en milieu. Met de huidige technieken op het gebied van afvalverwerking kan de levensduur (de tijd waarbinnen het afval schadelijk is) gereduceerd worden tot enkele honderden jaren. Momenteel worden de mogelijkheden onderzocht om het afval ondergronds, in geologisch stabiele lagen, op te slaan en om door middel van transmutatie de langlevende (gevaarlijke) deeltjes om te zetten in kortlevende deeltjes. Dit onderzoek vindt onder andere plaats bij de Nuclear Research and consultancy Group (NRG) in Petten. Doordat de benodigde grondstof voor kernsplijting eindig is en afval met zich mee brengt, kan kernsplijting niet gezien worden als een vorm van duurzame energie. Kernfusie, daarentegen, is wél een vorm van duurzame energie. De brandstof die hierbij wordt gebruikt, bestaat uit waterstofisotopen, waarvan een oneindige hoeveelheid op aarde aanwezig is. En het afval-/restproduct bestaat uit helium, een onschadelijk gas. Kernfusie staat echter nog voor een aantal grote technische uitdagingen. Eén van deze uitdagingen is dat het fuseren van atomen een extreem hoge temperatuur vereist. Omdat nog niet bewezen is dat kernfusie rendabel kan zijn, wordt momenteel gewerkt aan een wereldonderzoeksproject op dit gebied. De verwachting is, indien alle proeven en testen goed gaat, dat in 2050 de eerste commerciële kernfusiereactor actief kan zijn. Nederland kan met zijn organisaties en instellingen een belangrijke rol spelen in zowel het onderzoek naar, als de optimalisering van kernsplijting. Wat betreft kernfusie kan Nederland een belangrijke bijdrage leveren aan het wereldwijde onderzoeksproject ITER. Kernenergie - Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland

Als Nederland een rol wil spelen op het gebied van kernsplijting, dan valt te

1 Inleiding

denken aan het hoog aangeschreven fysische onderzoek en aan de industriële automatisering. Verder beschikt Nederland over onderzoeksreactoren met goede

In 1955 voorspelde een stofzuigerfabrikant dat er binnen tien jaar een

mogelijkheden om onderzoek te doen naar speciale materialen. Het gaat dan

‘nucleair aangedreven stofzuiger’ op de markt zou verschijnen. En een

om materialen die goed neutronen kunnen invangen of materialen die bestand

fabrikant van boilers en radiatoren voorzag de komst van de ‘huisreactor’.1

zijn tegen extreem hoge temperaturen. Ten slotte: bij TU-Delft en NRG worden

Daar is niets van terechtgekomen. De euforische stemming rond kernenergie

opleidingen verzorgd voor onder andere reactorpersoneel.

stuitte begin jaren zeventig op maatschappelijke weerstand, die aan het eind van dat decennium politieke steun kreeg door het reactorongeval in de Amerikaanse kerncentrale Three Mile Island. Na het reactorongeval in Tsjernobyl in 1986 verdwenen de plannen voor de nieuwbouw van kern centrales, die ook in Nederland gereed lagen, van tafel. De behoefte aan energie neemt steeds verder toe. Nu er een tekort aan fossiele brandstoffen dreigt te ontstaan én het klimaat een steeds grotere kwestie wordt, zal er gekeken moeten worden naar andere vormen van energieopwekking. Om deze redenen is de staatssecretaris van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer (VROM) in september 2006 gekomen met de notitie Randvoorwaarden voor nieuwe kerncentrales. De notitie geeft een leidraad: waar moeten eventuele nieuwe kerncentrales aan voldoen? Welke technologische rol kan Nederland spelen op de internationale markt van de kernenergie? Dat is de centrale vraag in deze publicatie. Om tot een antwoord te komen wordt uitgebreid ingegaan op een aantal aspecten van kernenergie. De opbouw van de publicatie is als volgt: Allereerst wordt in hoofdstuk 2 ingegaan op wat kernenergie nu precies is. In hoofdstuk 3 is er uitgebreid aandacht voor kernsplijting; dit is de belangrijkste vorm van kernenergie en bovendien de enige die momenteel commercieel toepasbaar is. Vervolgens komt in hoofdstuk 4 de andere vorm van kernenergie aan de orde: kernfusie. In hoofdstuk 5, het laatste hoofdstuk, wordt het antwoord gegeven op de centrale vraag, waarbij een onderverdeling is gehanteerd in technologische mogelijkheden, opleidings mogelijkheden en maatschappelijke impact. Naast het hoofddoel heeft deze publicatie ook een secundaire, afgeleide doelstelling, namelijk het leveren van een bijdrage aan de verbreding van het gezichtsveld van mensen op het onderwerp kernenergie, of zij nu voor of tegen kernenergie zijn of zich daarover nog geen mening hebben gevormd. Daarom is gestreefd naar een zo neutraal mogelijke weergave van informatie en feiten.

Kernenergie - Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland


2 Wat is kernenergie? Kernenergie is de energie die vrijkomt bij de splijting of de fusie van atoomkernen. Momenteel voorziet kernenergie in ongeveer 16% van de wereldwijde vraag naar elektriciteit. De techniek van alle (wereldwijd) 441 in bedrijf zijnde kerncentrales berust op het principe van kernsplijting. Daarbij gaat het om het splijten van uraniumatomen met behulp van neutronen. Wanneer een uraniumatoom een neutron invangt, wordt de kern van het atoom instabiel en breekt (‘splijt’) deze na een zeer korte tijd in twee brokstukken van ongelijke grootte. Bij dit proces komen twee à drie nieuwe neutronen vrij, die op hun beurt nieuwe uraniumatomen kunnen splijten. Dit domino-effect wordt ook wel aangeduid met de term ‘kettingreactie’. Wanneer de kern splijt komen er niet alleen neutronen en twee brokstukken (xenon, strontium of krypton) vrij, maar ook een grote hoeveelheid energie in de vorm van warmte (enkele honderden graden Celsius). De energie wordt opgenomen door het koelwater van de kerncentrale. Bij een Pressurized Water Reactor (PWR, het reactortype dat het meest voor komt; 268 centrales) staat het koelwater onder hoge druk (155 bar). Hierdoor neemt het water wel de warmte op, maar gaat het niet koken. Het koelwater bevindt zich in een primaire kringloop die in verbinding staat met een secundaire kringloop. Deze secundaire kringloop staat onder een veel lagere druk, waardoor het water in deze kringloop wél gaat koken en zo stoom produceert. Met deze stoom wordt een stoomturbine aangedreven die zijn bewegingsenergie omzet in elektriciteit door middel van een generator. De stoom wordt vervolgens door middel van een condensator weer omgezet in water. Dit is een voorbeeld van een gesloten circuit (geen verlies van water): het (koel)water kan weer dezelfde route doorlopen.2 (Zie Afbeelding 1.)


11

G

Er bestaan op het moment nog geen commercieel toepasbare kernfusiecentrales;

E

A

B

(Afbeelding 2 is een schematische weergave van een kernfusiecentrale.)

F

naar verwachting zullen deze pas op de langere termijn beschikbaar komen.

D H

C I

Afbeelding 1: Schematische weergave van een kerncentrale, type PWR. A = reactor; B = regelstaven; C= brandstofkern; D = stoomgenerator; E = stoom; F = generator; G = stoomturbine; H = condensator; I = koeling. Primaire kringloop: C–D. Secundaire kringloop: D–E–G. Tertiaire kringloop (kringloop van het koelwater): H–I.

Een Boiling Water Reactor (BWR; 94 centrales) werkt anders. Hier is er geen scheiding van koelwater en stoomproductie. De primaire en secundaire kringloop vormen één circuit. Het koelwater staat onder een druk van 80 bar en gaat koken bij ongeveer 300˚C, waardoor het direct wordt omgezet in stoom. De stoom wordt op dezelfde wijze als bij de PWR omgezet in elektriciteit. (Zie ook Bijlage 1: Typen reactoren.) Relativiteitstheorie De energie die vrijkomt bij kernsplijting is te berekenen aan de hand van de

Afbeelding 2: Schematische weergave van een kernfusiecentrale. Het gele gedeelte is het plasma; hier vindt het fusieproces plaats. (Bron: www.fusie-energie.nl.)

relativiteitstheorie van Einstein: E = mc2. Hierbij staat E voor de vrijgekomen energie, m voor het massaverschil en c voor de lichtsnelheid. De lichtsnelheid

In hoofdstuk 3 wordt uitgebreid ingegaan op kernsplijting. Het onderwerp

is een zeer groot getal (300.000.000 m⁄s).

kernfusie komt aan de orde in hoofdstuk 4.

Kernfusie, de andere vorm van kernenergie, heeft meer verschillen dan overeenkomsten met kernsplijting. De grootste overeenkomst is dat de elektriciteit op dezelfde (conventionele) manier wordt opgewekt. Belangrijk verschil is dat het kernsplijtprincipe is gebaseerd op het splijten van ‘grote/zware’ atomen (uranium) en het kernfusieprincipe op het samensmelten (fuseren) van ‘lichte’ atomen (waterstof). Bovendien is er voor het fuseren van atomen een extreem hoge temperatuur vereist: 100 tot 150 miljoen graden Celsius. 12



3 Kernsplijting Kernsplijting wordt toegepast in alle 441 kerncentrales ter wereld en berust op het principe van het uit elkaar vallen (splijten) van ‘zware’ atomen in twee lichtere brokstukken. Dit gaat gepaard met een grote uitzending van energie. Het principe is schematisch weergeven in Afbeelding 3.

Ba-144 Neutron

Neutron

Neutron

Neutron

Kr-89

U-235

Afbeelding 3: Het splijten van een uraniumatoom (kernsplijting).


15

3.1 Het principe van kernsplijting

De elektronenwolk draait om de kern als gevolg van de kernbinding: de elek trische aantrekking tussen de positief geladen kern en de negatief geladen

Om het principe van kernsplijting te verduidelijken, wordt hier eerst toegelicht wat

elektronen. Veel natuurkundige eigenschappen (onder andere de massa en het

een atoom nu eigenlijk is. Alle materie op aarde is opgebouwd uit atomen. Deze

radioactieve gedrag van het atoom) hebben niets met de elektronen te maken,

bouwstenen zijn, vooralsnog, de kleinste scheikundige elementen die we kennen.

maar alleen met de kern. Omdat elektronen vrijwel geen massa hebben, wordt

Een atoom heeft een kern die bestaat uit twee verschillende soorten deeltjes:

de massa van het atoom hoofdzakelijk bepaald door de uitermate kleine kern.

protonen (positief geladen) en neutronen (ongeladen). Om de kern draait een wolk

De protonen en neutronen in de kern worden bij elkaar gehouden door de sterke

van negatief geladen elektronen. Deze wolk bepaalt de fysieke grootte van het

kernkracht; dit is de sterkste kracht van de vier fundamentele natuurkrachten.

atoom. (Zie Afbeelding 4.) Natuurkrachten Alle krachten kunnen worden afgeleid uit een viertal fundamentele natuurkrachten, te weten (gerangschikt van sterk naar zwak:) 1� Sterke kernkracht – houdt de protonen en neutronen bij elkaar. 2� Elektromagnetische kracht – houdt de elektronen vast. 3� Zwakke kernkracht – speelt een rol in vervalprocessen. 4� Zwaartekracht – houdt materie op grote schaal bij elkaar.

Het aantal protonen in de atoomkern is gelijk aan het atoomnummer. Het is bepalend voor de chemische eigenschappen van het atoom. Een stof bestaande uit atomen met hetzelfde atoomnummer wordt een element genoemd. Voor beelden: waterstof (atoomnummer 1), helium (atoomnummer 2), ijzer (atoom nummer 26), uranium (atoomnummer 92). De 118 bekende elementen zijn gerangschikt in het periodiek systeem.3 Elk atoom heeft daarnaast een bepaald aantal neutronen in de kern. Het aantal neutronen en het aantal protonen bepalen het massagetal. Het komt voor dat atomen van eenzelfde element een afwijkend aantal neutronen bezitten, en dus ook een andere massa hebben. Deze afwijkende atomen worden isotopen genoemd. Ze hebben dezelfde chemische maar andere fysische eigenschappen. Isotopen van een bepaald element hebben dus hetzelfde atoomnummer maar een afwijkend massagetal. Een voorbeeld: Uranium heeft atoomnummer 92, dus 92 protonen in de kern. Natuurlijk uranium komt in de meeste gevallen (99,3%) voor met het massagetal 238. Dit wordt verkort weergegeven als 238U of als U-238. Dat houdt in dat er 238 - 92 = 146 neutronen in deze kern zitten. Een Afbeelding 4: een (willekeurig) atoom.

isotoop van uranium is uranium met het massagetal 235 (235U of U-235). Deze komt voor in 0,7% van de gevallen. U-235 heeft 92 protonen en 143 neutronen in de kern en kan, in tegenstelling tot U-238, splijten door het invangen van neutronen.

16



17

Meerdere atomen die in een vaste rangschikking van chemische bindingen met

Tijdens de Tweede Wereldoorlog en in de periode daarna was de ontwikkeling

elkaar verbonden zijn, worden moleculen genoemd. Hierbij hoeft het niet te

van kernenergie voornamelijk gericht op militaire doeleinden: de atoombom

gaan om atomen van hetzelfde element. Zo bestaat een watermolecuul uit twee

en de aandrijving van onderzeeërs. In 1954 werd de eerste atoomonderzeeër

waterstofatomen en één zuurstofatoom.

van de Amerikaanse marine te water gelaten. Deze werd aangedreven door een drukwaterreactor (PWR); een concept dat meteen een succes werd.

Atoomkernen van de isotoop U-235 kunnen door kernsplijting worden gesplitst tot

De Amerikaanse elektriciteitssector nam dit concept over en later zijn ook

kleinere kernen onder het uitzenden van warmte, neutronen en straling. Wanneer

industrieën in andere landen dit reactortype gaan produceren. De ontwikkeling

een U-235-isotoop een neutron invangt, wordt hij een U-236-isotoop. Dit is een

van kernenergie bleef tot in de jaren negentig een nationale zaak. Ook andere

isotoop die niet in de natuur voorkomt en die een zeer korte halfwaardetijd heeft.

concepten dan de PWR werden in deze tijd ontwikkeld.

(De halfwaardetijd is de tijd die een radioactieve stof nodig heeft om de helft van zijn radioactiviteit te verliezen; deze tijd verschilt per stof – zie 3.2.1.) Deze isotoop

Na een aanvankelijk euforische stemming ontstond er in de jaren zeventig maat

splitst zich in twee ongelijke brokstukken. Deze brokstukken kunnen bestaan uit

schappelijke weerstand tegen kernenergie. Deze maatschappelijke beweging

de volgende elementen: krypton (Kr), barium (Ba), cesium (Cs), jodium (I),

kreeg politieke steun na het reactorongeval in de Amerikaanse kerncentrale

strontium (Sr), xenon (Xe). Het splijten van een uraniumatoom is schematisch

Three Mile Island in 1979; een steun die krachtiger werd na de ramp in

weergegeven in Afbeelding 3 en ziet er in formulevorm als volgt uit:

Tsjernobyl in 1986. Gevolg hiervan was dat de bouw van kerncentrales in een aantal landen vrijwel stil kwam te liggen, maar ook dat strengere regelgeving

U+neutron é 236U é 144 56Ba +

235

Kr + 3 neutronen + straling

89 36

en overheidstoezicht konden leiden tot een grotere betrouwbaarheid en betere economische prestaties van centrales die wél werden gebouwd.

De neutronen die hierbij vrijkomen kunnen op hun beurt weer een nieuwe reeks splijtingen veroorzaken (kettingreactie).

Kernenergierampen

Per reactie komt er een zeer grote hoeveelheid energie vrij in de vorm van

Het ongeluk op Three Mile Island in 1979 is de bekendste kernenergieramp

warmte. Ter vergelijking: het splijten van 1 gram uranium levert evenveel energie

uit de Amerikaanse geschiedenis. Er waren geen slachtoffers en na de nodige

op als de verbranding van 2500 liter benzine of van 3000 kilogram kolen. Met de

werkzaamheden kon de reactor weer in bedrijf worden gesteld.

vrijgekomen warmte wordt op conventionele manier energie opgewekt. Het gene reren van stoom vindt niet in alle typen kerncentrales op dezelfde wijze plaats

Het ongeluk in Tsjernobyl in 1986 is wereldwijd waarschijnlijk het bekendste

(zie ook Bijlage 1: Typen reactoren).

nucleaire ongeluk. De oorzaak van dit ongeval was een menselijk falen, met als gevolg een oververhitte reactorkern. Bij de hierdoor veroorzaakte explosie en

3.1.1 Geschiedenis van de kernsplijting

brand kwamen 31 mensen om het leven.

In 1938 ontdekten twee Duitse scheikundigen, Otto Hahn en Fritz Strassman, dat uraniumatomen zich laten splijten wanneer er neutronen op worden afgeschoten. In 1942 vond in de eerste kerncentrale een kettingreactie plaats. Deze centrale

In de jaren negentig werden reactoren gebouwd van een nieuwe generatie

gebruikte uranium en had als moderator grafiet. (De moderator is de stof die er in

(Generatie III); dit gebeurde alleen in het Verre Oosten (Japan en Korea). In Europa

de kerncentrale voor zorgt dat de snelle neutronen zodanig worden afgeremd dat

is in 2006 in Finland begonnen met de bouw van een Generatie-III-reactor: de

ze deel blijven nemen aan de kettingreactie en niet voortijdig de reactor verlaten.)

European Pressurized Reactor (EPR). In Frankrijk zijn er plannen voor de bouw van

Het doel van deze eerste kerncentrale was aan te tonen dat het splijtingsproces

een centrale van hetzelfde type.

van uranium middels een kettingreactie zichzelf op gang kan houden. Het op wekken van elektrische energie was hier nog niet het doel.

In Nederland heeft van 1968 tot 1997 een Boiling Water Reactor (BWR) van de eerste generatie gedraaid in Dodewaard. Deze centrale had een elektrisch

18



19

vermogen van 54 MW. In 1973 kwam er een Tweede-Generatie-PWR in

De zwaardere fractie (U-238) wordt naar de buitenkant geslingerd en kan zo

Borssele, die recentelijk werd opgewaardeerd van 450 MW naar 480 MW (door

worden afgetapt. In de centrifuge zelf blijft dan voornamelijk het lichtere U-235

optimalisatie van onder andere de turbines). In 2006 is besloten dat Borssele tot

over. Het op deze manier verrijken van uranium wordt onder andere toegepast

2033 operationeel blijft. De Technische Universiteit Delft beschikt sinds 1963

bij Urenco in Almelo. Bij gasdiffusie wordt het gas door een membraam geperst

over de Hoger Onderwijs Reactor met een thermisch vermogen van 2 MW.

waarbij de lichtere fractie (U-235) gemakkelijker door het membraam gaat dan de

Twee onderzoeksreactoren bevinden zich in Petten, onder het beheer van de

zwaardere fractie. Het gehalte U-235 neemt hierdoor toe. Tot 1942 werd eigenlijk

Nuclear Research & consultancy Group (NRG). Deze drie reactoren wekken geen

alleen de gascentrifugemethode gebruikt. Het lukte echter niet om de technische

elektriciteit op en worden daarom niet tot de kerncentrales gerekend.4

problemen die zich hierbij voordeden op te lossen. Daarom stapte men over op gasdiffusie, een methode die echter veel meer energie kost. Tot op heden hielden

3.1.2 Splijtstof

de Amerikanen en de Fransen vast aan dit principe, maar er schijnen plannen te zijn om weer terug te keren naar de techniek van de gascentrifuge.

Bronmateriaal De splijtstof (brandstof) die in de meeste kerncentrales gebruikt wordt, is

Brandstofstaven

uranium. Vooral de (splijtbare) isotoop U-235 is van groot belang. Uranium is

Het verrijkte deel van het uranium gaat vervolgens naar een fabriek waar de

na raffinage een zilverwit, licht radioactief metaal, iets zachter dan staal. Het is

splijtstofstaven voor de kerncentrale worden gemaakt. In deze fabriek wordt het

vervormbaar (buigzaam) en heeft een zeer hoge dichtheid (65% dichter dan lood).

fluor uit het UF6 verwijderd, waardoor uraniumdioxide (UO2) ontstaat. Dit zwarte

Het uraniumerts dat van nature het meest op aarde voorkomt is uraniniet. Het

poeder wordt tot tabletjes geperst en verpakt in hulzen (van roestvast staal

bestaat voornamelijk uit uraniumdioxide, dat wordt verwerkt tot ammonium

of zircaloy5) die in bundels bij elkaar de splijtstofelementen (brandstofstaven)

diuranaat, beter bekend als ‘Yellow Cake’. Deze Yellow Cake bevat 70 tot 80%

vormen. De totale hoeveelheid uranium in een splijtstofelement beslaat circa

uraniumoxide.

500 kilogram voor een drukwaterreactor (PWR) en circa 200 kilogram voor een

Om U-235 te winnen moeten grote hoeveelheden erts worden gedolven, want in

kokendwaterreactor (BWR). In een kerncentrale zijn meerdere splijtstofelementen

1000 kilogram uraniumerts zit slechts 1 kilogram U-235. Uraniummijnen zijn onder

aanwezig, die gescheiden worden door regelstaven. (Zie de Afbeeldingen 5 en 6.)

andere te vinden in Australië, Canada, Niger, de Verenigde Staten en Zuid-Afrika.

Met de regelstaven is het vermogen van de centrale te beïnvloeden: hoe verder

Uranium wordt echter ook gewonnen als bij-/afvalproduct in de goud- en zilver

deze staven naar beneden gaan, hoe kleiner de kans dat de splijtbare isotopen

mijnbouw.

nog kunnen splijten. Wanneer de staven helemaal naar beneden staan, stopt de kettingreactie.

Verrijking Uranium bestaat maar voor 0,7% uit U-235. Voor een rendabele reactie in de reactor is tussen de 3% en 5% U-235 nodig. Om dat percentage te bereiken wordt het uranium verrijkt. Nadat het erts gewonnen is en verwerkt is tot Yellow Cake, wordt het via chemische handelingen (conversie) omgezet in uraniumhexafluoride (UF6 ). Dit gas is het bronmateriaal voor het verrijkingsproces. Hiervoor bestaan momenteel twee methodes: met behulp van een gascentrifuge of via gasdiffusie. Bij beide methodes wordt gebruikgemaakt van het massa

Afbeelding 5: Splijtstofelement.

Afbeelding 6: Schematische weergave van de regelstaven.

verschil: U-235 is lichter dan U-238. Het uranium wordt in beide gevallen aan

20

fluor gebonden (conversie) waardoor er uraniumhexafluoride ontstaat. Deze

Na enige tijd – zo’n drie tot vijf jaar – is er te weinig splijtbaar uranium over in de

verbinding is bij 60˚C gasvormig. Bij het centrifugeproces wordt het gas in een

splijtstofelementen om het splijtingsproces op gang te houden en moeten de

ultracentrifuge (een met zeer hoog toerental draaiende gascentrifuge) bewerkt.

elementen vervangen worden. Een nieuw splijtstofelement bestaat voor circa



21

96% uit U-238 en voor circa 4% uit U-235. Een opgebrand splijtstofelement

(radioactief) afval. Opwerkingsfabrieken zijn te vinden in Engeland, Frankrijk,

bestaat voor 95% uit uranium (voornamelijk U-238), voor 1% uit plutonium en

Rusland en Japan. Het teruggewonnen uranium en plutonium kan na een

voor 4% uit splijtingsproducten (als afval), zoals xenon, americium, cesium,

passende chemische bewerking weer opnieuw in de centrale worden gebruikt:

strontium en krypton. (Zie Afbeelding 7.)

het uranium kan de gehele kernenergiecyclus (van uraniumerts tot afval) weer doorlopen; het plutonium wordt gebruikt bij de splijtstofstavenfabricage. Door het

4%

4%

1%

plutonium te mengen met uranium ontstaat er een splijtstofmengsel dat bekend staat als MOX (Mixed Oxide).

96%

95%

Kernenergiecyclus Uraniumwinning. De twee voornaamste methodes die gebruikt worden

Afbeelding 7: Samenstelling van (links) de verse splijtstof (96% U-238 en 4% U-235) en (rechts) de gebruikte splijtstof (95% uranium, 4% splijtingsproducten en 1% plutonium).

voor de winning van uranium zijn ondergrondse mijnbouw (40%) en open

Als een U-238-atoom een neutron invangt, kan dit (het niet in de natuur voor

is ‘In Situ Leaching’ (ISL): het uranium wordt opgelost en vervolgens omhoog

komende) Pu-239 (plutonium) worden. Pu-239 is splijtbaar, net zoals U-235, en

gepompt (21%). Uranium wordt ook gewonnen als bijproduct in de koper- en

zorgt daardoor ook deels voor de warmteontwikkeling in de kerncentrale.

goudmijnbouw (11%).

Actiniden en splijtingsproducten

Conversie. Een chemisch proces waarmee (uraniumhexafluoride) wordt

De actiniden zijn een serie van 15 elementen: atoomnummers 89 tot en met

geproduceerd. Dit is een vluchtige stof die bij 60˚C gasvormig is.

mijnbouw (28%). Een derde methode, die niet overal toegepast kan worden,

103. Ze zijn radioactief en vervallen spontaan naar lagere elementen. Alleen

Í Í Í Í

thorium (90) en uranium (92) komen in de natuur voor, de andere actiniden

Verrijking. Het procédé waarbij het percentage van een bepaalde isotoop

worden kunstmatig vervaardigd.

in een element wordt vergroot: in dit geval het percentage U-235 in natuurlijke uranium. Dit kan op twee manieren gebeuren: met behulp van een

Splijtingsproducten ontstaan door het splijten van zware atomen (uranium, plutonium en thorium) en door het daarop volgende radioactieve verval van de

ultracentrifuges en via gasdiffusie.

ontstane instabiele atomen. Enkele van deze producten zijn: xenon, americium,

Splijtstof. De stof die zich door neutronen laat splijten, waar vervolgens weer

cesium, strontium en krypton.

neutronen bij vrijkomen, bijvoorbeeld uranium-235 en plutonium-239. Opwerking. De toepassing van chemische processen om uit de gebruikte

Opwerking

splijtstof de waardevolle stoffen (het nog aanwezige uranium en het gevormde

Wanneer de gebruikte splijtstofelementen zijn opgebrand, kunnen ze op twee

splijtbare plutonium) te scheiden van de splijtingsproducten.

manieren worden behandeld. De eerste manier is om de splijtstofelementen

Het teruggewonnen uranium en plutonium kan na chemische bewerking weer

direct op te bergen; dit vindt plaats in de ‘open splijtstof- of kernenergiecyclus’.

als in een kerncentrale worden gebruikt. Zo kan 30 à 40% meer energie uit

Bij de tweede manier wordt het grootste gedeelte (96%) opgewerkt (gerecycled);

eenzelfde hoeveelheid uranium worden geproduceerd.

dit kenmerkt de ‘gesloten splijtstof- of kernenergiecyclus’. (Deze cycli zijn schematisch weergegeven in Bijlage 2: De kernenergiecyclus.) Bij opwerking

Í

Conditioneren. Het afval ‘verpakken’ en voorbereiden voor definitieve opslag.

worden door middel van een chemisch proces de nog waardevolle stoffen –

22

uranium en plutonium – uit de opgebrande splijtstofelementen gehaald. Hierdoor

(Schematische weergaven van de open en de gesloten kernenergiecyclus zijn

blijven alleen de splijtingsproducten als afval over, met als gevolg: veel minder

opgenomen als Bijlage 2: De kernenergiecyclus.)



23

MOX kan in alle typen kerncentrales worden gebruikt, maar om proliferatie

3.2 Radioactiviteit en straling

(verspreiding) te voorkomen is het gebruik van MOX gebonden aan een vergunningenstelsel. In Europa zijn er vijftig kerncentrales met een dergelijke

Het grootste nadeel van kernsplijting is dat het nucleaire afval radioactief is: het

vergunning. De gesloten kernenergiecyclus wordt ook in Nederland toegepast.

stoot zeer kleine deeltjes en/of elektromagnetische straling6 uit. (Zie ook Bijlage 4:

Deze is duurder dan de open cyclus, maar leidt tot veel minder afval.

De voor- en nadelen van kernsplijting.)

Alternatieve splijtstof

3.2.1 Radioactiviteit

Naast uranium en plutonium kan ook thorium worden gebruikt als brandstof

Radioactiviteit is een natuurverschijnsel. Het is een uiting van een niet-stabiele

voor een kerncentrale. Thorium is een zacht zilverwit metaal dat veel voorkomt

atoomkern. De meeste atomen zijn stabiel, wat betekent dat hun kern niet

in India. Echter, thorium kan zelf niet splijten. Als de thoriumisotoop Th-232 een

verandert. Sommige atomen hebben echter een onstabiele kern. Een dergelijke

neutron invangt, wordt dit Th-233: een zeer instabiele thoriumisotoop (met een

kern heeft ‘te veel’ protonen (positief geladen deeltjes) en/of neutronen (neutrale

halfwaardetijd van 22 minuten). Deze vervalt snel tot Pa-233 (protactinium), dat

deeltjes). Een onstabiele atoomkern ‘wil’ stabiel worden, en dat kan door het

eveneens zeer instabiel is (met een halfwaardetijd van 27 dagen). Pa-233 vervalt

uitzenden van één of meerdere deeltjes (protonen of neutronen). Hierbij komt

uiteindelijk tot U-233. U-233 is een niet in de natuur voorkomende uraniumisotoop

straling uit de kern vrij. Onstabiele atomen noemen we radioactief. Elke keer

die zeer goed splijtbaar is, waarbij meer energie vrijkomt dan bij het splijten

als een atoom van een radioactieve stof vervalt, ontstaat er een andere stof of

van U-235. Een op thorium gebaseerde splijtstofcyclus produceert vrijwel geen

atoomvariant die meestal zelf niet radioactief is. Er blijft dus steeds minder van

plutonium, maar deze methode is nog niet uitontwikkeld en wordt daarom nog

de oorspronkelijke radioactieve stof over. Hoe snel deze verzwakking van de

niet commercieel toegepast. Thorium kan niet worden gebruikt in de momenteel

radioactiviteit gaat, wordt uitgedrukt met de halfwaardetijd (ook wel halveringstijd

in gebruik zijnde kerncentrales.

genoemd). Dit is de tijd die een radioactieve stof nodig heeft om de helft van zijn radioactiviteit te verliezen. De halfwaardetijd is voor alle radioactieve stoffen

3.1.3 Landen op de kernenergiemarkt

verschillend, variërend van enkele seconden tot duizenden jaren.

Wereldwijd zijn er 441 werkende kerncentrales (anno 2006), die samen verant woordelijk zijn voor 16% van de mondiale vraag naar energie. De centrales zijn

3.2.2 Straling

verdeeld over 31 landen. Verder zijn er 23 centrales in aanbouw en komen er

Straling is het uitzenden van energie als golven (elektromagnetische straling) of

binnen enkele decennia naar schatting enkele tientallen kerncentrales bij, vooral in

als deeltjes (deeltjesstraling). Straling kan ontstaan door een aantal natuurkundige

landen als China (20), India (24) en Zuid-Afrika (24).

processen, zoals radioactief verval, kernsplijting, (hoge) temperaturen en invloed

(Een overzicht van de kernenergieproducerende landen, met de belangrijkste

van elektriciteit. Straling kan worden onderverdeeld in twee soorten: ioniserende

gegevens over opwekking en vermogen, is opgenomen als Bijlage 3: Actieve

straling en niet-ioniserende straling. Deze onderverdeling wordt gemaakt om het

landen.)

energiegehalte en de mate van gevaar van de straling aan te geven. Ionisatie is een proces waarbij elektronen uit atomen of moleculen verwijderd worden,

Uranium wordt gewonnen in Australië, Canada, Niger, de Verenigde Staten,

waardoor elektrisch (positief) geladen deeltjes (de ionen) achter blijven.

Rusland en Zuid-Afrika. Canada is met 32% van de totale hoeveelheid uranium winning de grootste leverancier; Australië en Niger volgen met respectievelijk

Niet-ioniserende straling kent vele vormen. Warmte, zichtbaar licht, microgolven

19% en 8,5%.

en radiogolven bezitten allemaal te weinig energie om elektronen uit atoomkernen te verwijderen en behoren tot de niet-ioniserende straling. Ioniserende straling is straling die voldoende energie bevat om een elektron uit het atoom weg te slaan. Hierdoor krijgt het atoom een positieve lading in plaats van een neutrale lading: het atoom wordt geïoniseerd en verandert in een ion (positief geladen deeltje).

24



25

Ioniserende straling is te verdelen in deeltjesstraling (alfa- en bètastraling,

Radioactief materiaal komt overal in de natuur voor: in de bodem, in lucht, in

elektronen en neutronen) en elektromagnetische straling (röntgen- en gamma

water en in planten. De isotopen van uranium – samen met hun vervalproducten

straling). Deze vorm van straling wordt vaak radioactieve straling genoemd. (Een

thorium, radium en radon – zijn de belangrijkste veroorzakers van deze natuurlijke

benaming die niet juist is, want de straling is niet zelf radioactief; zij is het gevolg

achtergrondstraling. Sommige van deze stoffen kunnen door het lichaam

van radioactiviteit: van de drang van instabiele atomen om stabiel te worden).

worden opgenomen via voedsel en water, andere via inademing. In gebieden waar uranium en thorium wordt gewonnen is een grotere achtergrondstraling

Ioniserende straling

aanwezig. Behalve aardse en de kosmische straling komen er in het menselijk

Alfastraling (α). Relatief grote en zware energiedeeltjes (heliumatomen,

lichaam van nature radioactieve isotopen voor, onder andere kalium-40,

bestaande uit twee protonen en twee neutronen). Alfastralen hebben geen

koolstof-14 en lood-210.

goed doordringend vermogen en worden snel afgeremd. Een blad papier of een luchtlaag van ongeveer 3 cm is voldoende om de straling tegen te houden.

Naast de natuurlijke achtergrondstraling zijn er stralingsbronnen die door de mens

Bètastraling (β). Lichte energiedeeltjes (elektronen) met een zeer hoge

worden veroorzaakt. Dit zijn de zogenoemde kunstmatige stralingsbronnen.

snelheid (270.000 km/sec). Deze vorm van straling kan tegengehouden worden

Kunstmatige stralingsbronnen zijn qua intensiteit te vergelijken met natuurlijke

door een aluminiumplaat van enkele millimeters dik of door een luchtlaag van

stralingsbronnen. De blootstelling van een gemiddeld persoon aan straling

ongeveer 3 meter.

bedraagt ongeveer 2 tot 2,5 milliSievert per jaar (zie kader Eenheden van straling).

Gammastraling (γ).Elektromagnetische golven met een hoge energie: minder

81% hiervan komt van natuurlijke stralingsbronnen, het overige deel van door de

ioniserend dan alfa- en bètastraling, maar met een veel groter doordringend

mens gemaakte stralingsbronnen.7

vermogen. Deze straling vergt een dikkere beschermingslaag, zoals een centimeters- tot metersdikke (afhankelijk van de intensiteit) laag van zware

Verreweg het grootste deel van de door de mens veroorzaakte straling is het

stoffen: ijzer, beton of lood. Gammastraling kan honderden meters lucht

gevolg van medische handelingen (röntgenstraling, radioactieve medicijnen en

doorkruisen zonder noemenswaardig te verzwakken.

bestralingstherapieën). Daarnaast staat de mens bloot aan straling afkomstig van

(Zie ook Afbeelding 8.)

gebruiksgoederen. Enkele voorbeelden: tabak (polonium-210), bouwmaterialen (radium en radon), televisietoestellen, röntgentoestellen (bijvoorbeeld op vliegvelden) en kousjes van gaslampen (thorium).

A

B

G

In mindere mate wordt de mens blootgesteld aan de straling ten gevolge van de cyclus van de nucleaire brandstof, zelfs als de ongevallen worden meegerekend.. De uraniumertsen die gewonnen worden, hebben wel een hogere stralingsintensiteit dan steenkool (gebruikt in een kolencentrale), maar de

Afbeelding 8: Schematische weergave van de verschillende soorten ioniserende straling met bijbehorend doordringend vermogen. (Bron: nl.wikipedia.org.)

hoeveelheid gewonnen uraniumerts is in vergelijking met steenkool zo gering dat daar ook niet meer straling bij vrijkomt dan bij de kolenmijnbouw.

De aarde, en al het leven hierop, staan constant bloot aan straling uit de ruimte.

Enkele voorbeelden van branches en functies waarin mensen worden bloot

Geladen deeltjes van de zon en andere sterren hebben een wisselwerking met

gesteld aan ioniserende straling: industriële energieopwekking; industriële

de atmosfeer en het magnetische veld van de aarde. Hierdoor ontstaat er een

doorlichting (voedselbehandeling tegen schimmels); radiologisch personeel in

‘stortregen’ van straling (voornamelijk bèta- en gammastraling). Deze straling

ziekenhuizen; personeel in kerncentrales; laboratoria voor wetenschappelijk

wordt ook wel kosmische straling genoemd. Zij verschilt per plek op de aarde, als

onderzoek; luchtvaartpersoneel (piloten, stewardessen).

gevolg van verschillen in hoogte en de invloed van het aardmagnetische veld.

26



27

Radioactiviteit

Ioniserende straling is voor de mens niet te voelen, te zien of te ruiken. Er zijn eenvoudige en gevoelige instrumenten beschikbaar waarmee minieme hoeveel heden straling uit natuurlijke en kunstmatige bronnen te meten en dus te ont

(mSv/jaar)

Natuurlijke radioactiviteit

Kunstmatige radioactiviteit

dekken zijn, zoals de Geigerteller en de scintillometer. De hoeveelheid straling

Kosmische stralingen

0,3

Radon in woningen

0.3

Röntgenstraling (voor medische doeleinden)

0,5

wordt weergegeven met de Becquerel; de energie van deze straling wordt weer gegeven met de Gray; de gevolgen van deze straling worden uitgedrukt met de

Bouwmaterialen

1,0

Industrie

0,03

Sievert (of milliSievert).

Bodemstraling

0,35

+

Eenheden van straling Becquerel. De eenheid voor het meten van radioactiviteit is de Becquerel

Totaal 2,5 mSv per jaar

(afgekort: Bq). Het gaat hier om de hoeveelheid straling die een radioactieve stof uitzendt. 1 Becquerel komt overeen met 1 vervallen kern per seconde. Gray. Ioniserende straling draagt energie over op weefsel (menselijk en dierlijk). De hoeveelheid energie die wordt overgedragen op een bepaalde

+

0,00001 Kernenergiecentrale te Borsele

• Kosmische straling: + 0,03 mSv per jaar per hoogtetoename van 100 meter • • In sommige streken: 10 à 20 mSv per jaar Afbeelding 9: De stralingsdosis van de gemiddelde Nederlander. (Bron: kerncentrale.nl.)

hoeveelheid weefsel, wordt de geabsorbeerde dosis genoemd. Deze wordt uitgedrukt in Gray (Gy). 1 Gray komt overeen met 1 Joule/kilogram.

Beneden een stralingsdosis van 200 mSv kan geen direct effect op de mens

Sievert. Sommige soorten straling veroorzaken meer ionisatie dan andere:

worden waargenomen. Wanneer het hele lichaam wordt blootgesteld aan meer

alfastralen meer dan bèta- en gammastralen. Om hiermee rekening te houden,

dan 1000 mSv, zal de getroffene ziek worden. Een eenmalige dosis van 5000 mSv

wordt de geabsorbeerde dosis vermenigvuldigd met een factor om te komen

of meer kan binnen enkele dagen de dood tot gevolg hebben. De zogenoemde

tot een equivalente dosis. Dit wordt ook wel de effectieve dosis genoemd.

stralingsziekte is een toenemend tekort aan rode bloedlichaampjes, met als

Deze wordt weergegeven met de Sievert (Sv) of milliSievert (mSv = 0,001 Sv).

gevolg ernstige bloedingen en een verhoogde kans op infectieziekten. Een van de

De effectieve dosis heeft, als het over de mens gaat, over het algemeen een

meest bekende late effecten van een te grote stralingsdosis is kanker.

zeer lage waarde. Hier is de mSv de meest geschikte eenheid. De blootstelling van menselijke weefsels, botten en organen aan ioniserende straling wordt zo op één (risico)schaal uitgezet. (Bron: Nirond.be.)

Vier elementen spelen een belangrijke rol bij bescherming tegen ioniserende straling:

1� De duur van de blootstelling Hoe korter de blootstelling, hoe kleiner de (gevaarlijke) dosis. De afstand tot de bron 2�

Bij de effecten die straling op het menselijke lichaam kan hebben, kan onder

Hoe verder de radioactieve bron verwijderd is, hoe kleiner de stralingsdosis.

scheid worden gemaakt tussen directe effecten (bijvoorbeeld huidbeschadiging

Tweemaal de afstand komt overeen met een kwart van de stralingsdosis.

bij een hoge dosis) en late effecten (bijvoorbeeld verstoring van de interne

Voorbeelden van goede beschermingen tegen het doordringen van straling zijn

laag mogelijk te houden heeft de overheid strikte normen opgesteld voor de

(een schild) van lood, gewapend beton en water. In de praktijk worden bepaalde

maximaal toelaatbare stralingsdosis (zie Afbeelding 9). In deze normen is bepaald

radioactieve materialen opgeslagen in een bassin van water of tussen dikke

dat een burger maximaal 1 mSv per jaar extra (dat wil zeggen: bovenop de gemiddelde waarde van 2,5 mSv per jaar) mag ontvangen. Voor reactorpersoneel

28

Afscherming 3�

fysiologie, mogelijk resulterend in kanker). Om het risico van deze effecten zo

betonnen wanden die in veel gevallen gevoerd zijn met lood. Insluiting 4�

en radiologische medewerkers geldt een norm van 3 à 5 mSv per jaar extra. Deze

Aangepaste kleding en maskers beperken het gevaar voor besmetting.

waarden blijven ver beneden de maximaal toelaatbare dosis van 20 mSv.

Het omhullen van de radioactieve bron gaat verspreiding van straling tegen.



29

3.3 Radioactief afval gegenereerd door 3% van het totale volume aan radioactief afval. Dit betreft het Radioactief afval is het afval dat, onder andere, als restproduct overblijft na

hoogradioactieve afval. Voorbeeld: een PWR van gemiddelde grootte (1000 MW)

het opwekken van energie door kernsplijting. Het gevaar van radioactief afval

produceert per jaar ongeveer 25 tot 30 ton hoogradioactief afval met een volume

is dat het ioniserende straling uitzendt. Deze straling is (afhankelijk van de

van 2 tot 3 m3.8

halfwaardetijd) voor korte of zeer lange tijd schadelijk voor mens en milieu. Kerncentrales zijn belangrijke producenten van radioactief afval, maar ook ziekenhuizen en bepaalde industrieën produceren radioactief afval. Er kunnen verschillende typen radioactief afval worden onderscheiden, te weten: laag-, middel- en hoogradioactief afval. Deze indeling is gebaseerd op de mate van radioactiviteit.

3.3.1 Verwerking van radioactief afval Voor de verwerking van (alle soorten) afval zijn er twee strategieën, namelijk:

1� Verdunnen en verspreiden (in Engelse termen: Dispose & Discharge – D&D). Bijvoorbeeld via schoorstenen en het lozen van koelwater. Concentreren en bewaren (Concentrate & Contain – C&C). Bijvoorbeeld 2� radioactief afval.

Typen radioactief afval Laagradioactief afval. Laagradioactief afval ontstaat niet alleen in de

Omdat de radioactiviteit bij de drie typen radioactief afval verschillend is, worden

splijtstofcyclus maar is ook afkomstig uit ziekenhuizen en industrieën. Het gaat

deze typen afval ook op verschillende manieren verwerkt.

hier om een verscheidenheid aan materialen, zoals gereedschappen, filters, doeken, kleding en injectienaalden, die met een kleine hoeveelheid, meestal kortlevende isotopen (dus snel stabiel) besmet zijn. Dit soort afval hoeft tijdens behandeling en transport niet te worden afgeschermd. Middelradioactief afval. Middelradioactief afval bevat materialen met een hogere radioactiviteit en moet in sommige gevallen afgeschermd worden. Het gaat hier vooral om verontreinigde chemische harsen, slib en metalen brandstofstaafomhulsels. Tot dit type afval behoort ook het materiaal van ontmantelde kerncentrales. Hoogradioactief afval. Hoogradioactief afval wordt ook wel kernsplijtingsafval genoemd. Dit is het directe afvalproduct dat ontstaat bij het gebruik van uranium (of ander splijtbaar materiaal) als brandstof in een kerncentrale. Dit materiaal is zeer radioactief en door de hoge radioactiviteit komt er ook nog

Afbeelding 10: Opslag van laag- en middelradioactief afval bij de COVRA in Vlissingen. (Bron: COVRA.)

veel vervalwarmte vrij (vervalwarmte is de warmte die vrijkomt bij het vervallen/

Laag- en middelradioactief afval bestaan voornamelijk uit kortlevende isotopen.

splijten van atomen). Wanneer de gebruikte splijtstof niet opgewerkt wordt,

Hier kan worden volstaan met insluiting van de stoffen in een betonnen omhulsel

blijft afval gevaarlijk over een periode van 100.000 jaar. Als de gevaarlijkste

om de radioactieve straling tegen te houden. Het afval wordt als volgt verwerkt.

producten wél worden verwijderd, kan de duur van de radiotoxiciteit (de mate

Het vaste afval komt eerst in een pers waar het onder zeer hoge druk wordt

waarin de straling schadelijk is) worden gereduceerd tot enkele duizenden of

samengeperst tot een massief blok, dat vervolgens in beton wordt verpakt

honderden jaren.

(C&C-methode). Kadavers van dierexperimenten en laagradioactieve vloeistoffen worden in een speciale verbrandingsoven vernietigd (D&D-methode); de rookgassen van deze ovens worden gereinigd. Grotere metalen delen worden

30

Het totale volume aan radioactief afval bestaat voor 97% uit laag- en middel

verkleind in de verschrotingsinstallatie en daarna ook in beton verpakt (C&C-

radioactief afval en is verantwoordelijk voor 5% van de totale hoeveelheid

methode). Waterige vloeistoffen worden in een biologische en chemische

radioactieve straling. De overige 95% van de radioactieve straling wordt dus

behandeling schoongemaakt. Omdat het verpakte afval geen gevaren meer



31

oplevert (na enkele jaren is de radioactiviteit verdwenen) kan het bovengronds

Leefomgeving van de mens

worden opgeslagen; na verloop van jaren kunnen de betonnen omhulsels worden hergebruikt.

± 500 meter

Geosfeer (gesteente, aarde, enz)

Hoogradioactief afval (kernsplijtingsafval) vereist een heel andere vorm van verwerking. De gebruikte splijtstofstaven die uit een Nederlandse kerncentrale komen, worden opgewerkt in het buitenland (gesloten splijtstofcyclus). De

Klei of zoutformatie

afvalstoffen moeten in eigen land worden opgeslagen. Dit afval wordt in glas

Schacht voor terughaalbaarheid

gesmolten/gegoten, zodat het één glazen blok wordt. Dit glazen blok wordt verpakt in een stalen cilinder. De cilinder wordt op zijn beurt weer in een grotere

Radioactief afval

cilinder verpakt, met de mogelijkheid om de (verval)warmte kwijt te raken. Dit

Technische barrières (beton, staal, enz)

afval wordt in Nederland voor honderd jaar bovengronds opgeslagen in een speciaal hiervoor ontworpen gebouw: het HABOG9 bij de COVRA10 in Vlissingen (zie Bijlage 5: De COVRA). Veel landen (onder andere de Verenigde Staten en Canada) zijn echter van mening dat het beter is om kernsplijtingsafval meteen op te slaan en niet op te werken (open splijtstofcyclus). De gedachte hierachter is dat dit de kans op verspreiding van het materiaal (proliferatie) zou verkleinen. 3.3.2 Ondergrondse opslag Voor het definitief van de samenleving afsluiten van radioactief afval wordt gekeken naar de mogelijkheden van permanente opslag in geologisch stabiele lagen (klei, zout, graniet). Voordat afval ondergronds opgeslagen kan worden,

-

moeten eerst de volgende fasen worden doorlopen:

Afbeelding 11: Schematische weergave van de ondergrondse opslag van radioactief afval.

-

Fase 1. Een haalbaarheidsstudie uitvoeren.

Voordelen van kleilagen: Er is nauwelijks grondwaterstroming. Een van de belangrijkste verspreidings mechanismen voor oplosbaar radioactief afval wordt op deze wijze sterk gereduceerd. Klei absorbeert de meeste radioactieve stoffen. Klei is plastisch (vervormbaar), zodat scheuren en lekkages in de opslagfaciliteit in de loop van de tijd worden dichtgedrukt. Dit geldt niet voor zware gesteentes.

Fase 2. Een onderzoekslab onder de grond bouwen. Fase 3. Een pilot (testversie) maken. Veel landen zijn momenteel in fase 2 (zo ook Nederland). De landen met een grote kernenergiemarkt (onder andere Frankrijk) bevinden zich in fase 3. Finland (dat onlangs begonnen is met de bouw van een nieuwe kerncentrale) en Zweden zijn al vergevorderd in fase 3. Voor zover bekend wordt ondergrondse opslag nog nergens ter wereld grootschalig toegepast.

-

Voordelen van steenzoutformaties: Er is geen grondwaterstroming. Steenzoutformaties zijn mechanisch zeer stabiel; het uitgraven van gangen en dergelijke gaat relatief gemakkelijk. Er is een goede thermische geleiding; eventuele vervalwarmte kan goed worden afgevoerd. Steenzoutformaties hebben een zelfherstellend vermogen; uitgravingen zullen langzaam dichtvloeien, waardoor het afval uiteindelijk geheel wordt geïsoleerd van

In Nederland wordt onderzoek gedaan naar twee opties: diepondergrondse opslag

de omgeving.

in klei en in steenzoutformaties (zie Afbeelding 11). Of er nadelen kleven aan één of beide opties zal moeten blijken uit het onderzoek dat momenteel wordt uitgevoerd. Dat richt zich met name op lange termijn gedrag en stabiliteit van de betreffende lagen. 32



33

Het grootste gevaar van ondergrondse opslag van radioactief afval is dat de

Deze technologie is nog niet operationeel. Momenteel doen veel landen,

vaten gaan lekken. Wanneer dit zich voordoet, komt er een zekere hoeveelheid

waaronder Nederland, onderzoek naar deze technologisch ingewikkelde

radioactief materiaal in de leefomgeving van de mens: via de bodem naar planten,

processen. Het zal zeker nog twintig jaar duren voordat transmutatie op

vervolgens via dieren die planten eten naar de (vleesetende) mens. Elke stap in dit

industriële schaal toegepast kan worden.

proces is ‘verdunnend’; de stralingsdosis waaraan de mens via deze route wordt

109

blootgesteld, neemt met elke stap af. Daarnaast wordt lekken direct gedetecteerd en zal er op worden ingegrepen waardoor deze route wordt afgesloten. De route is een goede illustratie van de afvalverwerkingsstrategie D&D (verdunnen en verspreiden). 3.3.3 Transmutatie Transmutatie of Partitioning & Transmutation (P&T) is een zeer geavanceerde vorm van opwerking. Bij deze methode worden naast uranium en plutonium enkele andere transuranen en langlevende splijtingsproducten chemisch afgescheiden (partitioning), om vervolgens in speciale systemen te worden omgezet tot kortlevende radionucliden11 (transmutation). Het doel hiervan is het verkleinen van de schadelijkheid en/of de duur van de schadelijkheid van het radioactieve afval.

Actinides

108 Radiotoxiciteit (Bq) [logaritmisch]

schade aan mens, dier en ecosysteem is daarmee beperkt en beheersbaar. Deze

Plutonium

Splijtingsproducten

107

Uranium Uranium erts

106 105 104 103 102 10

100

200

1000

10.000

100.000

Tijd (jaren) [logaritmisch] Afbeelding 12: Tijdschaal van de radiotoxiciteit van een aantal splijtingsproducten. De horizontale lijn in het midden geeft de radiotoxiciteit van uraniumerts weer.

Transuranen Een transuraan element is een chemisch element met een atoomnummer groter dan 92 (uranium). Transurane elementen komen niet in natuurlijke vorm op aarde voor, maar kunnen wel kunstmatig worden vervaardigd in bijvoorbeeld een kerncentrale. Enkele voorbeelden van transuranen zijn: plutonium, neptunium, americium en curium.

Bestraalde (oude) splijtstof bevat als deze niet wordt opgewerkt langlevende bestandsdelen. Hiervan is plutonium het belangrijkst: pas na circa 200.000 jaar is de radiotoxiciteit van plutonium gelijk aan die van uraniumerts12. Als het plutonium door opwerking verwijderd wordt, is de resterende radiotoxiciteit van het afval na circa 10.000 jaar gelijk aan die van uraniumerts. Als ook de andere langlevende transuranen en de langlevende splijtingsproducten worden verwijderd, kan er een radiotoxiciteit worden bereikt die na 200 jaar gelijk is aan die van uraniumerts. (Zie Afbeelding 12.) Deze langlevende producten zouden met speciale systemen, zoals snelle reactoren (Generatie IV) en versnellers, kunnen worden ‘verbrand’ tot korterlevende producten. 34



35

4 Kernfusie Kernfusie is een proces dat op de zon en de overige sterren plaatsvindt. De daarbij vrijkomende energie zien wij op aarde als licht. Bij dit proces smelten lichte atoomkernen samen tot zwaardere, waarbij veel energie vrijkomt. Een belangrijke randvoorwaarde voor het fuseren van kernen is een extreem hoge temperatuur: 100 tot 150 miljoen graden Celsius.

Helium Deuterium

(17,6 MeV)

Tritium

Neutron

Afbeelding 13: De samensmelting van twee waterstofisotopen (kernfusie).


37

4.1 Het principe van kernfusie

geven hun energie af aan de wand14, die daardoor opwarmt. In deze wand bevinden zich warmtewisselaars die deze warmte overdragen aan water, dat

In een fusiereactor smelten de lichte atoomkernen (waterstofisotopen) samen,

tevens fungeert als koelmiddel voor de wand. Met behulp van deze warmte wordt

waarbij zeer veel energie vrijkomt. Dit is alleen mogelijk bij een extreem hoge

er op de conventionele manier energie opgewekt, via stoom en turbines.

temperatuur van 100 tot 150 miljoen graden Celsius. Bij die temperatuur worden de elektronen ‘losgeslagen’ van de atomen. Als gevolg daarvan ontstaat er een

Kernfusie

gas waarin de atoomkernen los van de elektronen bewegen. Dit gas wordt ook

D + T g 4He + n + 17,6 MeV

wel het plasma genoemd. (Zie ook Bijlage 6: Plasma.) Vergelijking van de reactie die plaatsvindt in een kernfusiereactor. De brandstof die gebruikt wordt bij kernfusie bestaat uit een mengsel van

D = deuterium; T = tritium; 4He = helium-4; n= neutron; MeV = eenheid van energie

deuterium (waterstof met in de kern één proton en één neutron, ook wel zwaar water genoemd) en tritium (waterstof met in de kern één proton en twee neutronen). Deuterium, de niet-radioactieve isotoop van waterstof, is aanwezig

Het fuseren van deuterium en tritium wordt momenteel in (experimentele)

in water (1 liter water bevat 33 mg deuterium) en is daardoor ruim op aarde

fusiereactoren toegepast, waarbij licht radioactief tritium wordt gebruikt. Het

voorradig. Tritium, de radioactieve isotoop (met een halfwaardetijd van 12,3 jaar),

is ook mogelijk om een fusiereactie te laten plaatsvinden tussen twee (niet

komt daarentegen niet voor in de natuur, maar is wel te verkrijgen door lithium-6

radioactieve) deuteriumatomen. Het probleem hierbij is alleen dat dit een veel

(een niet-radioactief metaal dat ruim voorhanden is) met neutronen te bestralen.

hogere temperatuur vereist. En het rendement is lager: ongeveer 50% van

De omzetting van lithium in tritium vindt plaats in de kernfusiecentrale; het enige

deze reacties levert een proton en een tritiumkern op; 30% een neutron en

‘afvalproduct’ dat hierbij ontstaat, helium, is niet radioactief. Dit is een groot

3

voordeel ten opzichte van kernsplijting, waarbij als reactieproduct radioactief afval

deuterium, waardoor de wand radioactief wordt.

He (helium-3). De tritiumkernen kunnen op hun beurt weer reageren met het

ontstaat. Een ander groot voordeel van kernfusie is dat de benodigde brand stoffen in hoge mate (vrijwel onuitputtelijk) op aarde aanwezig zijn en dat van

Een ander alternatief zou de fusiereactie tussen deuterium en helium-3 kunnen

deze brandstoffen bovendien slechts kleine hoeveelheden nodig zijn. Ook is het

zijn. Deze levert als fusieproducten namelijk 4He en een proton op, en deze

fusieproces goed beheersbaar: wanneer de brandstoftoevoer wordt afgesloten,

reactieproducten zijn allebei niet radioactief (er zijn geen neutronen; dus is er

zal de reactie na enkele seconden stoppen. Om deze redenen wordt kernfusie

ook geen activering van de machine). De optimale temperatuur voor deze reactie

gezien als een vorm van duurzame energie.

ligt iets hoger dan de vereiste temperatuur voor de reactie tussen deuterium en tritium, maar dit is niet het grootste probleem. Dat is de beschikbaarheid van het

Duurzame energie

element helium-3. Die is zo gering dat er al snel een brandstoftekort zal ontstaan.

Duurzame energie is energie waarover de mensheid in de praktijk voor onbeperkte tijd kan beschikken en waarbij, door het gebruik ervan, het leefmilieu en de mogelijkheden voor toekomstige generaties niet worden

4.2 Korte geschiedenis van de kernfusie

benadeeld.13 1950-1960 Ontwikkeling van concepten om plasma’s op te sluiten door middel van magneetvelden. Door de fusie van een deuterium- en een tritiumatoom ontstaat er een helium atoom en een vrij neutron. Dit neutron bevat 80% van alle energie en wordt (in

1960-1970

de meeste gevallen) ingevangen door de wand of komt terecht in het lithium

Experimenten met verschillende opsluitsystemen. Uiteindelijk leverde de

waardoor er nieuw tritium ontstaat. De neutronen die in de wand terechtkomen

Tokamak15 vooruitstrevende resultaten op. In 1970 werd een temperatuur van meer dan 1 KeV16 gemeten.

38



39

1970-1980 Explosieve groei van de bouw van Tokamaks. Wetenschappers slaagden er echter nog maar zeer globaal in om de temperatuur en dichtheid van het plasma te meten. 1980-1990 In deze periode werden er zeer grote Tokamaks gebouwd, onder andere: TFTR (USA), JT60 (Japan) en JET (Joint European Torus, Europa). De plasma temperaturen, die steeds nauwkeuriger gemeten konden worden, begonnen in het werkgebied van een fusiereactor te komen (>10 KeV). Wetenschappers kregen steeds meer inzicht in de fysica van het fusieproces. 1990-2000 De methodes om het plasma te beheersen werden in deze jaren sterk verbeterd. In JET en TFTR werd met een mengsel van deuterium en tritium geëxperimenteerd. Dit leverde fusievermogens op van respectievelijk 16 en 10 MW. Ook werd in JET en JT60 het break-even-punt bereikt: in geoptimaliseerde condities is het extern toegevoerde vermogen gelijk aan het geproduceerde fusievermogen. Afbeelding 14: ITER (International Tokamak Experimental Reactor). (Bron: www.fusie-energie.nl.)

4.3 Kernfusieprojecten

Wanneer ITER heeft bewezen aan de verwachtingen te kunnen voldoen, wil men beginnen met de bouw van DEMO, de eerste kernfusiecentrale die moet

De grootste kernfusiecentrale (JET) staat momenteel in Groot-Brittannië. Deze

aantonen dat kernfusie commercieel gebruikt kan worden (dat wil zeggen:

reactor is echter alleen bestemd voor onderzoek. Een commerciële kernfusie

energie kan leveren aan het elektriciteitsnet). De schatting is dat DEMO in 2035

reactor bestaat nog niet. JET wordt voornamelijk gebruikt om materialen te

operationeel kan zijn. Als DEMO rendabel zal zijn gebleken, is de verwachting dat

testen voor de wand van het vacuümvat en om onderzoek te doen naar meet- en

rond 2050 de eerste commerciële kernfusiereactor zijn opwachting kan maken.

regelmethoden onder realistische fusiecondities.

Of dat ook daadwerkelijk haalbaar zal zijn, wordt hoofdzakelijk bepaald door de politiek en de industrie.

ITER (International Tokamak Experimental Reactor) is een wereldwijd (kernfusie)project dat als doel heeft aan te tonen dat kernfusie technisch en wetenschappelijk haalbaar is. Europa heeft een leidende rol binnen dit project. Het is de bedoeling dat ITER de

4.4 De bijdrage van Nederland

eerste kernfusiereactor wordt waar meer energie uitkomt (500 MW) dan erin gaat (50

40

MW). Bij de huidige fusiereactoren is dit niet realiseerbaar. De huidige partners van het

De Nederlandse afdeling van ITER, ITER-NL, kan een belangrijke positie bekleden

ITER-project zijn de Europese Unie (als één land), de Verenigde Staten, Japan, China,

binnen dit project op basis van specifieke kennis en kunde in zowel de industrie

Rusland en Zuid-Korea. Europa (leider van het project) zal 40% van de kosten voor zijn

als de kennisinstellingen. ITER-NL is een consortium van TNO (Toegepast

rekening nemen. In 2016 wordt het eerste plasma in ITER verwacht. De Zuid-Franse

Natuurkundig Onderzoek), NRG (Nuclear Research and consultancy Group en

plaats Cadarache is de thuishaven van dit wereldwijde project.

FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie) en heeft twee doelen voor ogen:



41

het opzetten van een wetenschappelijk programma en het binnenhalen van

5 Conclusie

orders voor de Nederlandse industrie ter waarde van minimaal €100 miljoen. Het wetenschappelijke programma zal bestaan uit het ontwerpen en ontwikkelen

Terug naar de centrale vraag van deze publicatie: Welke technologische

van twee instrumenten: de UPL (Upper Port Launcher) en de UPV (Upper Port

rol kan Nederland spelen op de internationale markt van de kernenergie?

Viewer). Met deze instrumenten kunnen Nederlandse onderzoekers zich richten

Nederland heeft geen echte kernenergie-industrie. Er is slechts één in

op de beheersing van, letterlijk, turbulente processen in de reactor. De turbulentie

bedrijf zijnde kerncentrale (Borssele), die voorziet in ongeveer 4% van de

bepaalt het succes van ITER en is daarmee voor de wetenschap een van de

landelijke vraag naar energie. Nederland heeft echter wel veel kennis op een

grootste uitdagingen van dit project.

aantal gebieden die een belangrijke rol kunnen spelen op de internationale kernenergiemarkt. Het gaat hier dan niet om de bouw van een kerncentrale,

Het doel van de UPL is het zeer lokaal verhitten van het plasma teneinde

maar om deelname aan het onderzoek naar en ontwikkeling van kernenergie

mogelijke instabiliteiten te voorkomen of te reduceren. Dit gebeurt via het injec

(zowel kernsplijting als kernfusie).

teren van hoogvermogen-microgolven (170 GHz, 20 MW) door vier microgolf generatoren. Het doel van de UPV is het meten van plasmaparameters, zoals ionentemperatuur en heliumconcentraties, zodat de performance geoptimaliseerd

5.1 Technologische mogelijkheden

kan worden. De kernenergie-industrie is niet gericht op één land. De ontwikkelingen binnen deze industrie worden veelal ondernomen in grote samenwerkingsprojecten van

Upper Port Launcher

meerdere landen (vooral in Europa). Dit is terug te zien bij de ontwikkelingen van de Generatie-IV-reactoren. Nederland kent zes (internationaal zeer belangrijke) spelers op de markt van de

Plasma

Vacuümvat

Afbeelding 15: De Upper Port Launcher (UPL). (Bron: www.iter.org. © 2007, Eric Verdult, www.kennisinbeeld.nl.)

-

kernenergie: Urenco, uraniumverrijking, in Almelo; COVRA, opslag van radioactief afval, in Vlissingen; EPZ, eigenaar van de kerncentrale in Borssele; NRG, onderzoeksinstelling met twee onderzoeksreactoren (veelal materiaalonderzoek), in Petten; Reactor Instituut Delft, onderzoeksinstelling met één onderzoeksreactor, in Delft; FOM, Instituut voor plasmafysica ‘Rijnhuizen’, (het hart van het kernfusie onderzoek in Nederland), in Nieuwegein.

Om de prestaties van ITER te optimaliseren wordt er in Nederland veel

Naast deze bedrijven en instellingen speelt ook de overheid, ondanks de liberali

materiaalonderzoek verricht bij NRG en FOM. Het gaat dan voornamelijk om

sering van de energiemarkt, een belangrijke rol. Daarbij valt te denken aan door

hoogwaardig wandmateriaal voor het reactorvat, dat getest kan worden in de

de overheid te nemen besluiten (afgeven van vergunningen, vaststellen van

Hoge Flux Reactor van NRG in Petten.

veiligheidseisen) en aan financiële zekerheid. Dit laatste is zeer belangrijk voor de investeerders in kernenergie, omdat het bouwen, in bedrijf houden en afbouwen (ontmantelen) van een kerncentrale een veeljarige periode is, waar een groot geld bedrag mee gemoeid is (miljarden euro’s).

42



43

Van bouwplannen tot ontmanteling

Nederland de mogelijkheid heeft gekregen om (in het kader van ITER) de UPL

De bouw van een kerncentrale (van de eerste plannen tot de inbedrijfstelling)

en UPV te ontwerpen op de Nederlandse ervaring op het gebied van hightech

neemt ongeveer tien jaar in beslag. Een centrale kan maximaal zestig jaar in

systemen (onder andere industriële automatisering).

bedrijf zijn. De afbouw/ontmanteling vraagt ook nog ongeveer tien jaar: na de bedrijfstijd kan de centrale niet meteen en geheel gedemonteerd worden in

De ervaring die is opgedaan in de HFR (Hoge Flux Reactor in Petten) op het

verband met de aanwezigheid van radioactief materiaal.

gebied van de hogetemperatuur-gasgekoelde reactor speelt ook een belangrijke rol in de ontwikkeling van de kernenergie. Ook wordt er in de HFR veel onderzoek gedaan op het gebied van de nucleaire geneeskunde (bestraling, nucleaire medi

-

Op technologisch-wetenschappelijk gebied speelt Nederland een bescheiden rol. De

cijnen). Daar komt bij dat het Nederlandse fysische onderzoek en de verrijkings

hoofdrollen zijn weggelegd voor onder andere Frankrijk, de Verenigde Staten, Japan

techniek die Urenco bezit mondiaal hoog aangeschreven staat. Dit biedt grote

en China (de grote kernenergielanden). Het blijft echter heel belangrijk om aansluiting

kansen voor Nederland. Andere kansen liggen op het gebied van de ontwikkeling

te houden en de kennis in Nederland in stand te houden. Dit is belangrijk om:

en verbetering van analyse- en simulatietools voor nucleaire systemen en de

als ‘informed customer’ op te kunnen treden (weten/begrijpen wat je koopt);

bijbehorende (nucleaire) data.

nucleaire faciliteiten veilig en optimaal in bedrijf te kunnen houden en ontmantelen;

De bovengrondse opslag van radioactief afval is voor honderd jaar geregeld.

goed toezicht te kunnen houden (overheid);

Dit biedt genoeg perspectief en ruimte voor ontwikkeling op het gebied van de

het publiek goed te kunnen informeren (voor- en nadelen, technische aspecten).

afvalverwerking. De producenten van het afval (voornamelijk de kerncentrale in Borssele) betalen € 25.000 per m3 opslag voor laag- en middelradioactief afval

Omdat er in de jaren negentig van is uitgegaan dat de kerncentrale in Borssele

en € 600.000 per glascilinder voor hoogradioactief afval aan de COVRA. Na

in 2003 zou sluiten en er geen nieuwe kerncentrales meer zouden komen, is de

voldoening van het bedrag is het afval eigendom van de COVRA en heeft de

ontwikkeling van beleid, regelgeving en beschikbare kennis en capaciteit op het

‘vervuiler’ (Borssele) er niets meer mee te maken. Doordat de COVRA eigenaar

gebied van nucleaire technologieën sterk achtergebleven. Gevolg hiervan is dat

wordt is het afval beter te registreren en is er maar één partij die zich erover hoeft

zowel de overheid als de industrie deskundig en (hoog)opgeleid personeel nodig

te bekommeren. De belangrijkste ontwikkeling in de verwerking is gericht op de

zal hebben op het gebied van nucleaire technologieën. Dit is te verwezenlijken

vermindering van het afvalvolume. Zelf voert de COVRA beperkt onderzoek uit.

door middel van her- en bijscholing van het huidige personeelsbestand, alsmede

Het onderzoek (in Nederland) naar transmutatie vindt plaats bij de NRG.

door het opleiden van een nieuwe generatie (nucleaire) wetenschappers en ander gespecialiseerd personeel. Nu de kerncentrale in Borssele tot 2033 open blijft, er eventueel een vervanger komt voor de onderzoeksreactor in Petten en er

5.2 Opleidingsmogelijkheden

mogelijkheden bestaan voor de uitbreiding van kernenergie in Nederland17, is dit zeker een belangrijke overweging.

Op het gebied van kernenergie verzorgt de Technische Universiteit Delft een twaalftal relevante opleidingen, onder andere: Nuclear reactor physics, Radiation

44

Het onderzoek in de onderzoeksreactoren (Delft en Petten) vindt veelal plaats in

shielding, Nuclear chemistry en Medical physics and radiation technology imaging.

samenwerking met (Europese) partners en richt zich voornamelijk op materialen

De basisopleiding voor reactoroperators is ondergebracht bij de NRG. TU-Delft

en brandstoffen. Bij het materiaalonderzoek valt te denken aan materialen die

en NRG verzorgen samen opfriscursussen voor operators. Bij het Belgische

tegen zeer hoge temperaturen bestand zijn (voor kernfusie) en aan materialen die

Studiecentrum voor Kernenergie/Centre d’étude de l’Energie Nucléaire (SCK-CEN)

goed neutronen absorberen. Het brandstofonderzoek dat in Nederland plaatsvindt,

is een éénjarige masteropleiding Nuclear engineering te volgen. Het doel van deze

richt zich voornamelijk op innovatieve splijtstoffen (thorium) en de verbetering

opleiding is de huidige en toekomstige deskundigen en onderzoekers een stevige

hiervan (verrijking, recycling en terugneembare berging). Verder wijst het feit dat

achtergrond in de verschillende disciplines binnen dit vakgebied te bieden.



45

5.3 Maatschappelijke impact Om aan de voorzieningszekerheid van energie te kunnen voldoen en in het licht

Bronnen Boeken, tijdschriften en readers

van het klimaatprobleem kan men het zich niet meer permitteren om een ‘nietCO2-producerende’ vorm van energieopwekking18 buiten beschouwing te laten.

A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Systems. U.S. DOE,

De laatste jaren is er op technologisch gebied veel vooruitgang geboekt, zowel

december 2002.

aan de bronkant (nieuwe en verbeterde reactortypen) als aan de kant van de afval verwerking (transmutatie).

All About Nuclear Energy, from atom to Zirconium. AREVA, november 2003.

Uit het bronnenonderzoek en de voorstudie ten behoeve van deze publicatie komt

De Ingenieur: nr. 3, maart 2006; nr. 14/15, september 2006; nr. 19, november 2006.

naar voren dat de technische en financiële aspecten niet het grootste obstakel zijn bij de besluitvorming (mits de overheid duidelijke plannen maakt). Het grootste

Energie, van brandhout tot zonnecel. Lucas Reijnders, 2006.

probleem is het (ontbreken van) maatschappelijk draagvlak. De discussie die momenteel over kernenergie gevoerd wordt, lijkt voornamelijk gebaseerd op

Het nucleaire landschap. Rathenau Instituut, werkdocument 94, april 2004.

informatie en beeldvorming uit de tijd van de Brede Maatschappelijke Discussie begin jaren tachtig; ook bestaat er een neiging om kernenergie alleen maar te

Kernenergie kan, maar nu nog niet. Christian Jongeneel, voorjaar 2006.

associëren met grote rampen (Tsjernobyl, Harrisburg, zelfs Hiroshima). Publieks informatie over kernenergie zal een belangrijk middel zijn.

Milieu, special kernenergie: nr. 4, 2006; nr. 6, 2006.

In het advies van de Algemene Energieraad (AER) van 2005 maakt kernenergie

Natuur Wetenschap & Techniek: december 2006.

deel uit van de energiemix voor onze toekomstige energievoorziening. Indien de overheid besluit om dit advies te volgen, dan zal zij moeten beginnen met

Ontwikkelingen met betrekking tot eindverwerking van gebruikte splijtstof.

het vaststellen van een eenduidige visie op die toekomstige energievoorziening.

NRG, april 2005.

Het vorige kabinet heeft hier een aanzet voor gegeven in een aantal Energie transitieplatforms, een Taskforce Energietransitie en een Programmadirectie

Overzicht van nieuwe kerncentrales. J.L. Kloosterman, TU-Delft, september 2006.

Energietransitie die het beleid moet consolideren over een langere periode. Physics and Safety of Transmutation Systems. Nuclear Energy Agency, 2006. Het vorige kabinet heeft al een voorzichtige start gemaakt met het opstellen van de Randvoorwaarden voor nieuwe kerncentrales. Hierbij speelt het inzicht

Randvoorwaarden voor nieuwe kerncentrales. Min. van VROM, september 2006.

mee dat de nucleaire sector Nederland ook economische mogelijkheden biedt, zowel nationaal als internationaal. Actueel in deze procedure is de positiebepaling

Smart Energy Mix, publicatie naar aanleiding van jaarcongres KIVI NIRIA. J. van

en besluitvorming. De ervaringen met windenergie19 leren dat het maken van

Alten, oktober 2006.

afgewogen keuzes en het eventueel benutten van economische mogelijkheden sterk kunnen vertragen.

Terugneembare berging: een begaanbaar pad? Min. van Economische Zaken, 2001. The history of nuclear energy. DOE/NE, Washington D.C. Uraniumwinning. Clingendael, oktober 2006.

46



47

Websites

Gecontacteerde organisaties

www.kernenergie.nl

Nuclear Research and consultancy Group (NRG), Petten

www.epz.nl

Interfaculty Reactor Institute (IRI), Delft

www.rid.tudelft.nl/~hagen

COVRA, Vlissingen

www.ecn.nl

FOM-Instituut voor Plasmafysica ‘Rijnhuizen’, Nieuwegein

www.kernvisie.com

Ministerie van Economische Zaken, Den Haag

www.tegenstroom.nl

Universiteit van Utrecht

www.nrg-nl.com www.world-nuclear.org www.kernenergie.startpagina.nl www.fusie-energie.nl www.iter.org www.rijnh.nl/ITER-NL/iter.htm www.iaea.org/programmes/a2/index.html www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/world.html www.kerncentrale.nl http://gif.inel.gov/roadmap/ www.nirond.be www.sckcen.be http://wwwtest.iri.tudelft.nl/~klooster/onderzoek_pnr.php

Symposia, congressen en bezoeken 22 september 2006 Lezingen KNAW (onderwerp o.a. kernfusie), Amsterdam 11 oktober 2006

Bezoek COVRA, Vlissingen

12 oktober 2006

‘Smart Energy Mix’, jaarcongres KIVI NIRIA, Zwolle

13 oktober 2006

Lezingen KNAW (onderwerp o.a. kernsplijting), Amsterdam

9 november 2006 Seminar WISE, Amsterdam 14 november 2006 Symposium ‘Kernenergie, de principes voorbij’, Delft 21 november 2006 ITER-NL industriedag, Nieuwegein 20 januari 2007

48

Bezoek HFR, Petten



49

Noten

1

Energie, van brandhout tot zonnecel. Lucas Reijnders, 2006.

2

Dit wordt ook wel de conventionele manier van energie (elektriciteit) opwekken genoemd. Het principe is ook terug te vinden bij gas- en kolencentrales.

3

In het periodiek systeem der elementen zijn de chemische en fysische eigenschappen van de elementen in kaart gebracht.

4

Bron: nrg-nl.com.

5

Een legering op basis van zirkonium en tin.

6

Elektromagnetische straling is de voortplanting door de ruimte van elektrische en magnetische trillingen. Een voorbeeld hiervan is licht.

7

Randvoorwaarden voor nieuwe kerncentrales. Ministerie van VROM, 2006.

8

world-nuclear.org.

9

HABOG: Hoogradioactief Afval Behandelings- en Opslag Gebouw.

10�

COVRA: Centrale Organisatie Voor Radioactief Afval.

11�

Een radionuclide is een instabiele nuclide (atoomkern) die spontaan zonder invloed van buitenaf vervalt onder uitzending van straling.

12�

Natuurlijk uranium zoals aanwezig in het uraniumerts geeft een zekere straling af door aanwezigheid van instabiele isotopen. Deze natuurlijke straling wordt beschouwd als acceptabel voor de mate van radiotoxiciteit.

13�

VN-rapport Our common future (voorzitter onderzoekscommissie Gro Harlem Brundtland.) 1987.

14�

Hierdoor wordt de binnenkant van de wand van de reactor licht radioactief, maar zo minimaal dat de straling na enkele jaren verdwenen is.

15�

Tokamak: een torusvormige kamer waarin het plasma wordt opgesloten door middel van magnetische spoelen; van Russische makelij.

16�

1 KeV komt overeen met 10.000 Kelvin (= 9727 ˚C).

17�

De staatssecretaris van VROM heeft randvoorwaarden opgesteld waar nieuwe kerncentrales aan moeten voldoen. (Randvoorwaarden voor nieuwe kerncentrales. Ministerie van VROM, 2006.) Wat hiermee gedaan wordt, is verder aan de politiek en de industrie.

18�

‘Niet-CO2-producerende’ vorm van energieopwekking: Hiermee wordt behalve duurzame energie (zon, wind, biomassa, enzovoort) ook kernenergie bedoeld.

19�

In de jaren tachtig was Nederland voorloper op het gebied van windenergie. Onder andere door de trage Nederlandse besluitvormingen zijn Duitsland en Denemarken Nederland inmiddels voorbijgestreefd.


51

Termen en afkortingen Actiniden

Elementen met een atoomnummer van 89 tot en met 103

Atoom

Een kern van protonen en neutronen, met daaromheen elektronen

Atoommassa

Massa van een atoom

Atoomnummer

Geeft het aantal protonen aan in de atoomkern

Deuterium

Isotoop van waterstof waarvan de atoomkern één neutron en één proton bevat

Elektron

Elementair deeltje met een negatieve elektrische elemen taire lading

Elektronvolt

In de atoom- en kernfysica een gebruikelijke eenheid van energie. 1 eV = 1,6022 x 10-19 J

Halfwaardetijd

De tijdsduur waarin de helft van de kernen van een radio nuclide vervalt

Inherente veiligheid Ook wel natuurlijke of intrinsieke veiligheid genoemd; kan worden beschouwd als een ver doorgevoerde vorm van passieve veiligheid (veiligheid gewaarborgd door meerdere modules) Ion

Elektrisch geladen materieel deeltje

Isotoop

Element met hetzelfde aantal protonen, maar met verschillend aantal neutronen

Kernenergiecyclus

Cyclus van uraniumerts tot kernafval

Kernfusie

Het samensmelten (fuseren) van lichte atomen (water stof)

Kernsplijting

Het splijten van ‘grote en zware’ atomen (uranium)

Moderator

Stof (water, grafiet) die de snelle neutronen afkomstig van kernsplijtingen afremt om het splijtingsproces in stand te houden

Molecuul

Een door chemische krachten samengehouden groep atomen

Neutron

Ongeladen elementair deeltje

Nuclide

Atoomkern, gekenmerkt door het massagetal en atoom nummer

Passieve veiligheid

Veiligheid gewaarborgd door uit zichzelf functionerende systemen zonder hulpenergie en actieve componenten

Plasma

Heet gas (100-150 miljoen graden Celsius) van geladen deeltjes Kernenergie - Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland

53

Verspreiding van materiaal waarmee kernwapens

COVRA

Centrale Organisatie Voor Radioactief Afval

gemaakt kunnen worden

EPR

European Pressurized (water) Reactor

Stabiel elementair deeltje met een positieve elektrische

EPZ

Elektriciteits Productiemaatschappij Zuid-Nederland

elementaire lading

ESBWR

Economic and Simplified Boiling Water Reactor

Element dat materiële deeltjes en/of elektromagnetische

eV

Elektronvolt

straling uitstoot

FBR

Fast Breeder Reactor

Eigenschap van bepaalde stoffen om zonder invloed van

FOM

Fundamenteel Onderzoek der Materie

buitenaf een karakteristieke straling uit te zenden en daar

GFR

Gas-cooled Fast Reactor

bij doorgaans in een andere stof over te gaan

HABOG

Hoogradioactief Afval Behandelings- en Opslag Gebouw

Instabiele nuclide die spontaan zonder invloed van buiten

HFR

Hoge Flux Reactor

af vervalt onder uitzending van straling

HTR-PM

High Temperature Reactor Pebble-bed Module

Radiotoxiciteit

De mate waarin straling schadelijk is

IAEA

International Atomic Energy Agency

Splijtstof

Stof die zich door middel van neutronen laat splijten

ITER

International Tokamak Experimental Reactor

waarbij weer nieuwe neutronen vrijkomen (bijvoorbeeld

JET

Joint European Torus

uranium en plutonium)

kWh

KiloWattuur

Splijtstofelement

Een uit meerdere splijtstofstaven samengestelde constructie

LFR

Lead-cooled Fast Reactor

Splijtstofstaaf

Met splijtstof gevulde buis

LWR

Light Water Reactor

Straling

Uitzending van energie door middel van elektromagne

MOX

Mixed OXide

tische golven of deeltjes met hoge snelheid

MSR

Molten Salt-cooled Reactor

Het omzetten van de ene atoomkern in de andere

MW

MegaWatt

NRG

Nuclear Research and consultancy Group

waarvan het aantal protonen groter is dan 92; komt alleen

PBMR

Pebble Bed Modular Reactor

kunstmatig voor

PWR

Pressurized Water Reactor

Radioactief isotoop van waterstof met twee neutronen en

RBMK

Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalniy (Light Water

Proliferatie Proton Radioactief Radioactiviteit

Radionuclide

Transmutatie

Transuraan element Een chemisch element in het periodiek systeem,

Tritium

één proton in de kern Kerncentrale

Elektriciteitscentrale met een kernreactor als warmtebron

Kernreactor

Kern waar een kettingreactie van splijtingen in gang kan

Graphite Reactor) SCK/CEN

l’Energie Nucléaire, nationaal onderzoekcentrum in Mol

worden gezet waarbij warmte ontstaat Rendement

Tokamak

Studiecentrum voor Kernenergie/Centre d’étude de (België)

Het rendement van een machine geeft de verhouding

SCWR

Super Critical Water Reactor

weer van het afgegeven nuttige vermogen tot het

SFR

Sodium-cooled Fast Reactor

verbruikte vermogen

TNO

Toegepast Natuurkundig Onderzoek

Vat met torusvormige magneetvelden voor opsluiting

UPL

Upper Port Launcher

van plasma’s, waarin experimenten worden gedaan ten

UPV

Upper Port Viewer

behoeve van onderzoek aan kernfusiereacties

VHTR

Very High Temperature Reactor

AGR

Advanced Gas-cooled Reactor

VROM

Ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en

AP1000

Advanced Pressurized 1000 MW

BWR

Boiling Water Reactor

CANDU

CANada Deuterium Uraniumreacor (Pressurized Heavy

Milieubeheer WNA

World Nuclear Association

Water Reactor) 54



55

Bijlage 1

Typen reactoren Er zijn veel verschillende soorten kernreactoren. Ze kunnen worden ingedeeld in generaties. De meeste reactoren zijn evoluties (verbeteringen) van eerdere generaties. Generation I Early Prototype Reactors

- Shippingport - Dresden, Fermi I - Magnox

Generation II Commercial Power Reactors

- LWR-PWR, BWR - CANDU - AGR

Gen I 1950

1960

Generation III Advanced LWRs

1980

- Generation I-III - Evolutionary - Designs Offering - Economics

- ABWR - System 80+ - AP600 - EPR

Gen II 1970

Near-Term Deployment

Gen III 1990

2000

Generation IV - Highly Economical - Enhanced Safety - Minimal Waste - Proliferation Resistant

Gen III+ 2010

2020

Gen IV 2030

Afbeelding B1.1: Generaties kernreactoren. (Bron: www.gen-4.org.)

De reactoren van Generatie I (bijvoorbeeld Dodewaard) kunnen worden gezien als behorend tot een prototype; de reactoren van Generatie II (bijvoorbeeld Borssele) zijn momenteel in bedrijf; de reactoren die momenteel gebouwd worden (bijvoor beeld Finland) zijn van Generatie III; de reactoren van de toekomst zijn van Generatie IV. Deze generaties en de bijbehorende reactoren worden hier verder toegelicht. Generatie I De reactoren die tot deze generatie behoren, zijn gebouwd tussen 1950 en 1970. Zij kunnen worden gezien als prototype-reactoren. Geen enkele van deze reactoren is nog in bedrijf. Generatie II Tot deze generatie behoren de reactoren die gebouwd zijn tussen 1970 en het midden van de jaren negentig. De reactoren die nu in bedrijf zijn, behoren allemaal tot deze generatie. Zie Tabel B1.1.


57

Type kerncentrale

Aantal in bedrijf

PWR – Pressurized Water Reactor

Landen (o.a.)

268

VS, Frankrijk, Japan

BWR – Boiling Water Reactor

94

VS, Japan, Zweden

CANDU – Pressurised Heavy Water Reactor

40

Canada

Magnox & AGR – Gas Cooled Reactor

23

Groot-Brittannië

RBMK - Light Water Graphite Reactor

12

Rusland

FBR - Fast Breeder Reactor

4

Totaal

Reactor- Reactor gebouw

Stoomgenerator

Turbine

Generator Electriciteit

Japan, Rusland

441

Tabel B1.1: Overzicht van de in bedrijf zijnde kerncentrales.

Splijtstofelementen

Condensor

Koelwater

Afbeelding B1.3: Schematische weergave van een PWR. (Bron: www.nrg-nl.com.)

PWR en BWR

CANDU

PWR staat voor Pressurized Water Reactor (drukwaterreactor). De PWR valt

De CANDU-reactor – CANada Deuterium Uraniumreacor; Pressurized Heavy

samen met de BWR, de Boiling Water Reactor (kokendwaterreactor), onder de

Water Reactor – valt onder de zwaarwaterreactoren. Zwaar water wordt gebruikt

groep van de LWR, de Light Water Reactors (lichtwaterreactoren). De reactoren

voor de koeling en als moderator. (Zie Afbeelding B1.4.) De splijtstofstaven

van deze groep worden gekoeld door ‘licht’ (= normaal) water en hebben ditzelfde

worden (anders dan bij de LWR) horizontaal geplaatst. Omdat zwaar water

soort water ook als moderator. Het grootste verschil tussen PWR en BWR is dat

weinig neutronen absorbeert gaan er ook weinig neutronen verloren, met als

het water binnen de PWR is opgenomen in twee gescheiden circuits. Het eerst

voordeel dat er met natuurlijk uranium gewerkt kan worden. Dit heeft tot gevolg

(primaire) circuit neemt de warmte op van de reactie. Het water in dit circuit

dat er geen verrijkingsinstallaties nodig zijn. Zwaar water als moderator is minder

staat onder hoge druk (155 bar), zodat het niet kan gaan koken. Het (primaire)

effectief dan licht (normaal) water, maar wel effectiever dan grafiet.

water geeft zijn warmte over aan het tweede (secundaire) circuit. Het water in

Reactor gebouw

dit tweede circuit staat onder veel lagere druk, waardoor het gaat koken, met als

Stoomgenerator

Turbine


gevolg dat er stoom ontstaat waarmee een stoomturbine wordt aangedreven. Bij de BWR is er slechts één circuit. Bij dit type centrale wordt het koelwater meteen Reactor

omgezet in stoom door middel van de warmte die ontstaat bij de reactie. Het water staat onder een druk van 80 bar en gaat pas koken bij 300˚C. (Zie de Afbeeldingen B1.2 en B1.3)

Reactorinsluiting Reactor en machinehuis

Turbine


SplijtstofSplijtstof wisselmachine

Condensor

Koelwater

Afbeelding B1.4: Schematische weergave van een CANDU-reactor. (Bron: www.nrg-nl.com.)

RBMK De RBMK – Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalniy; vrij vertaald in het Engels: Light Water Graphite Reactor – is een watergekoelde grafietgemodereerde reactor van Russische makelij. De reactor in Tsjernobyl was van dit type dat alleen in Rusland in gebruik is. Het grootste verschil met de LWR is dat er in de Splijtstofelementen

Voedingswaterpomp Condensor Koelwater

Afbeelding B1.2: Schematische weergave van een BWR. (Bron: www.nrg-nl.com.)

58


RBMK geen drukvat aanwezig is. De reactorkern is opgebouwd uit grafietblokken waarin zich verticale kanalen bevinden. In deze kanalen liggen drukbuizen met Kernenergie - Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland

59

daarin de splijtstofstaven. Dit type reactor wordt gekoeld door (normaal) water

Een Britse vervolgontwikkeling van de Magnox-reactor is de AGR, Advanced

en gebruikt grafiet als moderator. Grafiet is een slechtere moderator dan water:

Gascooled Reactor. Door verbetering van de splijtstofstavenbehuizing en

daarom moeten de splijtstofstaven een stuk verder uit elkaar liggen. Dit heeft tot

verhoging van de druk van het koelgas, kon het thermisch rendement worden

gevolg dat een RBMK aanzienlijker omvangrijker is dan een PWR. (Zie Afbeelding

verhoogd van 30% tot 40%. Door de grotere absorptie van neutronen in het

B1.5.) Behalve energieproductie heeft/had een RBMK als functie: het produceren

buismateriaal moest er wel overgestapt worden op verrijkt uranium (in plaats van

van plutonium voor de Russische wapenindustrie. Doordat de buizen horizontaal

natuurlijk uranium). Verder onderscheidt de AGR zich niet sterk van de Magnox-

geplaatst zijn, kunnen ze gewisseld worden als de reactor nog in bedrijf is. De

reactor.

buizen kunnen worden gewisseld wanneer er genoeg plutonium is vrijgekomen. Reactor- Splijtstofelementen Grafiet gebouw

Turbine


FBR De FBR – Fast Breeder Reactor, snelle kweekreactor – heeft geen moderator. Daardoor worden de vrijgekomen neutronen niet afgeremd, met als voordeel dat de hoeveelheid langlevende actiniden (die vrijkomen bij splijting) gereduceerd worden. Generatie III De Generatie-III-reactoren vormen een vervolgontwikkeling van de twee

Condensor

Koelwater

Afbeelding B1.5: Schematische weergave van een RBMK-reactor. (Bron: www.nrg-nl.com.)

eerdere generaties. Men is begonnen met het bouwen van deze reactoren in 1995. Generatie-III-reactoren kunnen een hogere betrouwbaarheid en veiligheid garanderen op basis van informatie, gegevens, ervaringen met vroegere

Magnox

generaties reactoren.). Totnogtoe zijn er alleen enkele van deze reactoren in Azië

De Magnox-reactoren zijn van Brits ontwerp en worden ook voornamelijk in Groot-

gebouwd. Een Europese Generatie-III-reactor – de EPR, European Pressurized

Brittannië gebruikt. De naam Magnox komt van het materiaal dat gebruikt wordt voor

Reactor – is in aanbouw in Finland. Dit is een evolutie van de PWR. In Frankrijk

de bekleding van de splijtstofstaven binnen dit type reactor. De Magnox-reactor wordt

zijn er plannen voor de bouw van een dergelijke reactor. Een andere reactor die

gekoeld door middel van kooldioxide; als moderator wordt grafiet gebruikt. Verder kan

tot deze generatie behoort, is de Advanced Boiling Water Reactor (ABWR).

deze reactor natuurlijk uranium gebruiken als brandstof. De splijtstofstaven kunnen verwisseld worden terwijl de installatie in bedrijf is. (Zie Afbeelding B1.6.)

Generatie III+

Reactorgebouw

De reactoren van de (sub-)groep Generatie III+ komen tussen nu en ongeveer

Regelstaven Reactorvat

Stoom

2030 op de markt. De verbeteringen ten opzichte van Generatie III zijn terug te vinden in de passieve componenten, onder andere: natuurlijke circulatie bij de kernkoeling (de koelvloeistof die rond de kern stroomt), zwaartekrachtgedreven Warmtewisselaar

noodkoeling (koelvloeistof die in noodgevallen uit een reservoir op de kern ‘stort’) en convectieve koeling (luchtstroming) van de veiligheidsomhulling. Verder zijn de Generatie III+-reactoren aanzienlijk kleiner dan de Generatie-III-reactoren, met een vermogen van ongeveer 160 MW tegenover 1000 à 1600 MW voor GeneratieIII. Dit grote verschil komt voort uit het principe dat de Generatie-III+-reactor uit

Brandstof- Grafiet (moderator) staven

Gaspomp

Waterpomp

Water

verschillende modules bestaat (er is niet één grote reactor, maar er zijn meerdere kleine reactoren, hetgeen ook veiliger is, en gemakkelijker in het onderhoud).

Afbeelding B1.6: Schematische weergave van een Magnox-reactor. (Bron: nl.wikipedia.org/wiki/Magnox.)

60



61

-

De volgende reactoren behoren tot de Generatie-III+:

Generatie IV

PBMR – Pebble Bed Modular Reactor: een heliumgekoelde

Generatie IV richt zich zeer nadrukkelijk op FBRs: tenminste drie van de zes

hogetemperatuurreactor met kogelbed. Aan dit ontwerp wordt gewerkt in Zuid-

systemen zijn snelle kweekreactoren. De reactoren van de vierde generatie zijn

Afrika (demoproject).

de kerncentrales van de toekomst; ze komen naar verwachting vanaf ongeveer

HTR-PM – High Temperature Reactor Pebble-bed Module: net als de PBMR

2030 op de markt. Het gaat hier om verbeteringen ten opzichte van de eerdere

heliumgekoeld. Deze reactor is in China in ontwikkeling.

generaties op de gebieden van regelgeving, economie, veiligheid, duurzaamheid,

AP1000 – Advanced Pressurized 1000 MW.

proliferatie- en terrorismebestendigheid. Met duurzaamheid wordt hier bedoeld

ESBWR – Economic en Simplified Boiling Water Reactor: een verbetering van de BWR.

dat men enerzijds zuinig omgaat met de grondstof (uranium) en anderzijds zo weinig mogelijk radioactief afval produceert. Dit houdt in dat niet alleen de

De PBMR werkt volgens een heel ander principe dan de eerder genoemde

reactortechnologieën verder worden ontwikkeld, maar dat ook de complete splijt

reactoren. Het is een kogelbed-HTR (High Temperature Reactor) van Zuid-

stofcyclus onder handen wordt genomen. Binnen deze generatie is een zestal

Afrikaanse herkomst, gebaseerd op Duitse technologieën. Door het ontwerp van

reactortypen waar het onderzoek zich op richt. Onderzoek wordt gedaan op initiatief

de reactor zo te kiezen dat zelfs bij verlies aan koelmiddel de temperatuur in de

van de volgende landen: Argentinië, Brazilië, Canada, Frankrijk, Japan, Zwitserland,

splijtstof onder het toegestane maximum van 1600˚C blijft, kan deze reactor als

Zuid-Afrika, Zuid-Korea, Groot-Brittannië, Verenigde Staten en de Europese Unie.

inherent veilig worden beschouwd. De reactorkern wordt gekoeld met helium, dat direct naar een gasturbine wordt geleid, die op zijn beurt weer verbonden is

Het zestal reactoren is te onderscheiden in thermische reactoren (vrijwel alle

met een generator. Door de hoge bedrijfstemperatuur (ongeveer 850˚C) ligt het

neutronen in de reactorkern hebben een lage energie) en snelle reactoren (met

rendement een stuk hoger dan bij de LWR. Dit type reactor gebruikt lichtverrijkt

hoge-energieneutronen). De snelle reactoren hebben als voordeel dat ze beter

(10%) uranium als brandstof. De gebruikte splijtstof zit ingebed in grafietpebbles

dan de thermische reactoren plutonium en andere actiniden kunnen recyclen en

en kan met de gebruikte technologie niet aan deze lmatrix van koolstfatomen

de hoeveelheid langlevend afval kunnen reduceren. Er moet hier echter nog veel

worden onttrokken. (Zie Afbeelding B1.7.) Het grootste verschil tussen de HTR-

onderzoek worden verricht op het gebied van veiligheid en nieuwe materialen.

PM en de PBMR is dat de HTR-PM net als de Generatie-III-reactoren energie opwekt via stoom, terwijl de PBMR dit doet via helium en een gasturbine.

De hier volgende afbeeldingen (B1.8-B1.13) tonen de zes verschillende typen reactoren binnen Generatie IV. (Bron: www.gen-4.org.)

Gas-Cooled Fast Reactor 5 mm grafiet laag Gecoate deeltjes ingebed in grafietmatrix Dia. 60 mm

Brandstofbollen

Vasthechtend grafiet Silicium-koolstofverbinding Vasthechtend grafiet Poreus grafiet

Doorsnede Dia. 0,92 mm

Gecoat deeltje

Dia. 0,5 mm Uraniumoxide

Brandstofkern Afbeelding B1.7: Schematische weergave van de brandstof voor een PBMR. (Bron: www.pbmr.com.)

62


Afbeelding B1.8: De GFR – Gas-cooled Fast Reactor – is een gas(helium)gekoelde snelle reactor. Met een verwacht elektrisch vermogen van ongeveer 300 MW. (Bron: www.gen-4.org.) Kernenergie - Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland

63

Lead-Cooled Fast Reactor

Afbeelding B1.9: De LFR – Lead-cooled Fast Reactor – is een met vloeibaar lood gekoelde snelle reactor. Met een elektrisch vermogen van tussen de 50 en 1200 MW. (Bron: www.gen-4.org.)

Molten Salt Reactor

Afbeelding B1.12: De MSR – Molten Salt-cooled Reactor – is het meest innovatieve ontwerp van deze generatie. Deze reactor wordt gekoeld met een gesmolten zout. Het elektrisch vermogen is ongeveer 1000 MW. (Bron: www.gen-4.org.)

Very-High-Temperature Reactor

Sodium-Cooled Fast Reactor

Afbeelding B1.10: De SFR – Sodium-cooled Fast Reactor – is een met natrium gekoelde snelle reactor. Met een elektrisch vermogen van tussen de 150 en 1500 MW. (Bron: www.gen-4.org.)

Afbeelding B1.13: De VHTR – Very High Temperature Reactor – is een hogetemperatuurreactor met een zeer hoge temperatuur van 1000˚C die gebruikt kan worden voor de productie van waterstof. Deze reactor wordt door middel van helium gekoeld en heeft een verwacht elektrisch vermogen van 300 MW. (Bron: www. gen-4.org.)

Supercritical-Water-Cooled Reactor

Afbeelding B1.11: De SCWR – Super Critical Water-cooled Reactor – kan worden ontworpen met een thermisch spectrum of met een snel neutronenspectrum. De kern van deze reactor wordt gekoeld met water. Met een elektrisch vermogen van 1700 MW kan deze reactor de grootste worden van deze generatie. (Bron: www.gen-4.org.)

64



65

Bijlage 2

Bijlage 3

De kernenergiecyclus

Actieve landen

Verrijkt uranium (96% U-238 en 4% U235)

Begin van de cyclus

Tabel B3.1 hieronder is een overzicht van de zes landen met de grootste kernenergieproductie wereldwijd. Tabel B3.2 geeft de situatie voor Europa weer. In de tweede tabel is ter vergelijking ook Nederland opgenomen. Kernenergie is

Verrijking Uranium winning

Splijtstofstaven fabricage

Uraniumhexafluoride (UF 6)

Natuurlijk uranium (99,3% U-238 en 0,7% U-235)

met een aandeel van ongeveer 36% in het totale aanbod van (elektrische) energie

Verse splijtstof

de belangrijkste energiebron van Europa. De zes landen met de grootste kernenergieproductie; wereldwijd Kernenergie-opwekking

Conversie

Kerncentrale

Opgebrande splijtstof (95% uranium, 1% plutionium en 4% splijtingsproducten)

Einde van de cyclus

Electriciteit

Conditioneren Radioactief afval

Opslag radioactief afval

Afbeelding B2.1: De open splijtstof- of kernenergiecyclus.

Land

Miljard kWh

Werkende kerncentrales % van totale

aantal

energie

Elektrisch vermogen (MW)

VS

780,5

19

103

98.054

Frankrijk

430,9

79

59

63.473

Japan

280,7

29

55

47.700

Duitsland

154,6

31

17

20.303

Rusland

137,3

16

31

21.743

Zuid-Korea

139,3

45

20

16.840

Wereld

2626

16

441

370.033

Tabel B3.1: Productie kernenergie; wereldwijd (september 2006). (Bron: World Nuclear Association.)

De vijf landen met de grootste kernenergieproductie in Europa

Verrijkt uranium (96% U-238 en 4% U235)

Begin van de cyclus

Kernenergie-opwekking Land

Verrijking Uranium winning Natuurlijk uranium (99,3% U-238 en 0,7% U-235)

Verse splijtstof

Uranium

Conversie

Einde van de cyclus

Opslag radioactief afval

Kerncentrale

Opgebrande splijtstof (95% uranium, 1% plutionium en 4% splijtingsproducten)

Uranium

Splijtstofproducten (afval)

Werkende kerncentrales % van totale

aantal

energie

Splijtstofstaven fabricage

Uraniumhexafluoride (UF 6)

Miljard kWh

Frankrijk

430,9

79

Duitsland

154,6

31

17

20.303

Oekraïne

83,3

49

15

13.168

Groot-Brittannië

75,2

20

23

11.852

Zweden

69,5

45

10

8.975

3,8

3,9

1

452

2626

16

441

370.033

Nederland* Wereld Electriciteit

Elektrisch vermogen (MW)

59

63.473

Tabel B3.2: Productie kernenergie; Europa (september 2006). (Bron: World Nuclear Association.) *) Nederland behoort niet tot de grotere producenten van Europa.

Opwerking

Afbeelding B2.2: De gesloten splijtstof- of kernenergiecyclus.

66



67

Bijlage 4

De voor- en nadelen van kernsplijting Voordelen

-

Geen CO2-uitstoot Er komt alleen CO2 vrij bij de bouw van de kerncentrale en bij het winnen van de grondstof, ongeveer overeenkomstig andere energiecentrales. Bij het opwekken

-

van de (elektrische) energie zelf komt geen CO2 vrij. Zuinig met grondstof/brandstof (uranium) Doordat er heel veel energie vrijkomt bij het splijten van uranium is er maar weinig van deze grondstof nodig. Ter vergelijking: de verbranding van 1 kg hout levert 1 kWh op; de verbranding van 1 kg kolen levert 3 kWh op; het splijten van 1 kg

-

uranium levert 40.000 kWh op. Kosten zijn goed in te schatten De kostprijs voor 1 kWh kernenergie is goed in te schatten volgens de volgende verdeling: ontmanteling (5%); grondstof (5%); opslag van kernafval (5%); verrijking e.d. (5%); onderhoud en management (20%); investeringen (60%). Op de grondstofkosten na zijn alle kostenposten van tevoren bekend, zodat er een kWh-prijs kan worden vastgesteld. Omdat de grondstofkosten maar 5% van de totale kostprijs vormen heeft een stijging van de kiloprijs van uranium weinig invloed op de totale kWh-prijs. Bij kolen- en gascentrales heeft de grondstofprijs

-

een veel groter aandeel in de totale kWh-prijs. Leveringszekerheid van de grondstof Uranium is ruim voorhanden en wordt verspreid over de hele wereld gewonnen. Omdat het zo verspreid gewonnen wordt, is er een goede marktwerking. In tegenstelling tot olie en gas wordt uranium gewonnen in politiek stabiele regio’s (o.a. Canada en Australië).

Nadelen

-

Kernafval Elke industriële activiteit brengt afval met zich mee, zo ook een kerncentrale. Een kerncentrale heeft te maken met radioactief afval. Radioactief afval zendt na gebruik nog straling uit; een te grote hoeveelheid straling is schadelijk voor mens en milieu. Sommige radioactieve stoffen zijn na een aantal minuten niet meer gevaarlijk aangezien radioactiviteit in de tijd vanzelf afneemt. Sommige Kernenergie - Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland

69

Bijlage 5

De COVRA

radioactieve stoffen blijven duizenden jaren gevaarlijk. Het afval wordt gezien als

•

•

-

-

het grootste nadeel van kernenergie. Veiligheid

In Nederland wordt al het radioactieve afval opgeslagen bij de Centrale

Bij kerncentrales wordt rekening gehouden met twee soorten risico’s:

Organisatie Voor Radioactief Afval, de COVRA in Vlissingen.

Van buiten de centrale naar binnen: overstromingen, explosies, aardbevingen, na

Het in beton ingepakte laag- en middelradioactief afval ligt opgeslagen in een

11 september 2001 ook neerstortende vliegtuigen/terrorisme.

beveiligde extra stevige loods. Het hoogradioactieve afval bevindt zich in het

Van binnen de centrale naar buiten: uitval van koeling met als gevolg

extreemveilige HABOG: het Hoogradioactief Afval Behandelings- en Opslag

oververhitting, zoals bij de ramp in Tsjernobyl. De kans dat er met een moderne

Gebouw. Dit gebouw is voorzien van muren van 1,7 meter dik gewapend

goed beveiligde kerncentrale een ongeluk gebeurt waardoor er een onveilige

beton en is tegen elk gevaar van buitenaf (aardbevingen, overstromingen en

situatie ontstaat, is steeds kleiner geworden. Maar zoals bij alles is 100%

neerstortende vliegtuigen) beveiligd, vergelijkbaar met een bunker. Het is in 2003

veiligheid nooit te garanderen.

in gebruik genomen. Hier liggen de vaten/cilinders met afval zo opgeslagen dat

Proliferatie

al hun vervalwarmte (eerste jaar zo’n 2000 Watt) afgevoerd kan worden. Omdat

Proliferatie is de verspreiding van materiaal waarmee kernwapens gemaakt

er nog radioactiviteit aanwezig is in de cilinders wordt het hele proces – van

kunnen worden. In het verleden waren (voornamelijk de Russische typen)

binnenkomst van het afval tot opslag – automatisch en mechanisch geregeld.

kerncentrales (mede) gericht op de productie van plutonium, het belangrijkste

Dergelijke opslaggebouwen zijn ook te vinden in Frankrijk, Engeland, Amerika en

bestandsdeel voor een kern- of atoombom. Door strenger overheidstoezicht en

Japan.

betere beveiligings- en veiligheidsmaatregelen is het nu vrijwel onmogelijk om aan

Aan de opslag van radioactief materiaal worden strenge eisen gesteld: het afval

deze bestandsdelen te komen.

moet zodanig opgeborgen worden dat er geen blootstelling aan radioactief

Kosten (vooral de investeringskosten)

materiaal te verwachten is. Zou er onder bijzondere omstandigheden toch

De kosten zijn twee keer zo hoog als die voor een steenkoolcentrale en zelfs vier

radioactief materiaal uit de opbergfaciliteit komen, dan moet deze dosis, voor alle

keer zo hoog als die voor een gascentrale van dezelfde omvang (bijvoorbeeld voor

in de omgeving aanwezigen, minder dan 1 mSv per jaar zijn.

een 1000-MW-centrale). Daar komt bij dat er weinig commerciële belangstelling is voor kernenergie. Hierdoor zullen investeerders minder snel investeren in een kernenergieproject; een dergelijk project vraagt al snel investeringen van enkele miljarden euro’s.

Afbeelding B5.1: Het Hoogradioactief Afval Behandelings- en Opslag Gebouw (HABOG). (Bron: COVRA.)

Afbeelding B5.2: Het insluiten van een cilinder met hoogradioactief afval bij de COVRA. (Bron: COVRA.)

De Nederlandse regering heeft (deels in samenwerking met de COVRA) beleid

-

opgesteld voor radioactief afval. Samenvattend: Er moet voorkomen worden dat radioactief afval ongecontroleerd in het leefmilieu terechtkomt. In de praktijk betekent dat: isoleren, beheersen en controleren van dit afval.

70



71

Bijlage 6

-

Omdat in Nederland weinig radioactief afval wordt geproduceerd en omdat dit

Plasma

een specialistische zorg vraagt, is er één centrale faciliteit voor de inzameling,

-

verwerking en opslag: de COVRA.

Het grootste obstakel bij kernfusie is de extreem hoge temperatuur (100-150

Alle soorten radioactief afval moeten ten minste gedurende honderd jaar kunnen

miljoen graden Celsius). Bij deze hoge temperaturen vormt materie een plasma:

worden opgeslagen.

een heet gas van geladen deeltjes.

Na die periode van honderd jaar wordt bekeken of het dan nog steeds radioactieve deel van het afval definitief in eigen land kan worden opgeborgen. (Misschien zijn er tegen die tijd internationale oplossingen beschikbaar of zijn er

De opsluiting van het plasma

nieuwe technieken ontwikkeld die nu nog niet bekend zijn.) De warmteoverdracht van het plasma (100-150 miljoen graden Celsius) naar de De methode voor de opslag van radioactief afval gebruikt wordt, is langdurige

wand moet beperkt worden om de wand te beschermen (geen enkel materiaal

bovengrondse opslag (voor minimaal honderd jaar). Hiernaast onderzoekt en

is bestemd tegen een dergelijke hoge temperatuur) en om het plasma op

ontwikkelt de wetenschap twee andere vormen van opslag/verwerking van dit

temperatuur te houden.

afval, te weten ondergrondse opslag en transmutatie.

Om dit te realiseren kan er gebruik worden gemaakt van een van de eigenschappen van een plasma. Een plasma bestaat uit geladen deeltjes – elektronen en ionen – en kan worden gemanipuleerd door middel van magneet velden. De geladen deeltjes worden gedwongen magneetlijnen te volgen die zó ‘georganiseerd’ zijn dat ze de binnenkant van de wand niet raken. Dit principe staat ook wel bekend als magnetische opsluiting. (Zie Afbeelding B6.1.) Zonder magneetveld

Met magneetveld

Magneetveldlijn

Elektron

Afbeelding B6.1: Geladen deeltjes met en zonder magneetveld. (Bron: www.fusie-energie.nl.)

Nadat bekend was geworden dat met het principe van de magnetische opsluiting het plasma in bedwang kan worden gehouden, werd er gezocht naar de juiste vorm voor een reactor. De ontdekking van de Tokamak was de grote doorbraak. Een Tokamak heeft de vorm van een ring, waarmee uiteinden zijn vermeden: de geladen deeltjes volgen een oneindig lange weg. (Zie Afbeelding B6.2.)

72



73

Afbeelding B6.2: Principe van een Tokamak: het plasma (oranje) omringd door D-vormige magneten. (Bron: www. fusie-energie.nl.)

De verwarming van het plasma De elektrische stroom, die door het plasma loopt en het verwarmt door middel van Ohmse weerstand, is niet voldoende om de voor kernfusie benodigde temperatuur van 100-150 miljoen graden Celsius te bereiken. Daarom wordt er ook gebruik gemaakt van externe verwarmingsbronnen. Door middel van microgolven kan het plasma deels verhit worden. Hierbij worden intense elektromagnetische golven met verschillende frequenties het plasma in gezonden, waar ze door de deeltjes in het plasma worden geabsorbeerd. Een derde methode om de gewenste temperatuur te verkrijgen is het inschieten in het plasma van bundels neutrale elektrische deeltjes en zeer hoge energie. Omdat dit neutrale bundels zijn worden ze niet opgenomen door het magnetisch veld, maar kunnen ze wel doordringen tot het plasma. Ten slotte kunnen ze in het plasma botsen met andere deeltjes en zo hun energie (warmte) afgeven, waardoor de temperatuur van het plasma stijgt. De supergeleidende spoelen die om het vacuümvat heen zitten en ervoor zorgen dat het plasma door middel van een magnetisch veld op zijn plek blijft, worden gekoeld door helium. Het plasma is zeer ijl, waardoor de wand van vacuümvat niet warmer wordt dan ongeveer 500 ˚C (de afstand van de wand tot het plasma is ongeveer 10 cm).

74


Colofon Teksten

Opdrachtgever

Hiteq, Hilversum


Mark Veltman Programmaleider Technologie Redactie

Ir. Daan Maatman

Bert Herben, Amsterdam Organisatie en productie Hendriks Communicatie, Amsterdam Aly Hendriks Ontwerp Sjoukje Ziel grafisch ontwerp helder ! ontwerpgroep, Amersfoort Illustraties Cliffhanger Visuals, Apeldoorn Seger van Wijk Drukwerk DigiPrint, Nijkerk Uitgave © 2007, Hiteq, Hilversum Bestelnummer H00006 In deze publicaties zijn illustraties van derden opgenomen. Over de plaatsing van de meeste illustraties hebben we contact gehad met de maker en de bron vermeld. Mocht iemand menen rechten te ontlenen aan een van de illustraties waarvan we de maker niet hebben achterhaald, dan verzoeken wij contact op te nemen met Hiteq. Deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt na schriftelijke toestemming van de uitgever via [email protected]

76


Kernenergie. Hiteq. Technologische ontwikkelingen en de rol van Nederland. Mark Veltman. Domein Technologie

Recommend Documents