Waarom niet inzetten op de 'kweek' van plutonium daar 99.3% van het erts uranium-238 bevat?

Antwoord

De vraag is zeer interessant en staat al decennia op de radar van onderzoekers. Ook het bredere publiek en politici hebben over de voorbije decennia hun meningen hierover laten horen. Degenen die de jaren ’80 bewust hebben meegemaakt zullen zich zeker de Duitse protesten, tentenkampen en blokkades nog herinneren tegen de “Snelle Kweekreactor” van Kalkar. Deze reactor was gebouwd door een consortium binnen een samenwerkingsverband tussen Duitsland, België en Nederland dat daar sinds begin 1960 naartoe werkte. Dit type reactoren creëert meer fissiele (splijtbare) isotopen dan het verbruikt en maakt dus effectief veel beter gebruik van het basismateriaal, uranium, dan wat de huidige generatie reactoren nu doen met voornamelijk het rechtstreeks fissiele U-235 te gebruiken. Laat ons beginnen met enkele definities juist te zetten en enkele feiten aan te halen.

Uranium heeft verschillende isotopen waarvan de isotopen U-238 en U-235 de meest bekende en in de natuur ook de dominant voorkomende isotopen zijn: 99.3% U-238 en 0.7% U-235. Beide zijn licht radioactief.

Beide isotopen zijn splijtbaar door hoogenergetische (“snelle”) neutronen. Bij elke splijting van een kern komen gemiddeld iets meer dan twee hoogenergetische neutronen vrij die de kernsplijting kunnen verderzetten. Vandaar de term “kettingreactie”. In een watergekoelde reactor worden snelle neutronen quasi onmiddellijk afgeremd tot hun energie in evenwicht is met de omgeving. Men spreekt dan van “thermische” neutronen. Enkel U-235 is splijtbaar bij interactie met een “thermisch” neutron. Vandaar het statement dat U-235 “fissiel” is.

Om de vraag te beantwoorden, is het nodig om te kijken naar wat er gebeurt met U-238 en zijn interactie met een ”thermisch neutron”. Wanneer U-238 een neutron “vangt”, dan wordt Pu-239 gevormd (er is een korte tussenstap via het hoogst onstabiele U-239). Dit Pu-239 kan ook splijten wanneer het een “thermisch” neutron vangt. Zo wordt U-238 uiteindelijk toch nog een splijtstof. Weliswaar zijn er twee neutronen nodig om tot splijting te komen (een eerste neutron om Pu-239 te maken, het tweede om Pu-239 te splijten). Bekeken vanuit de “neutroneneconomie” in een reactorkern is het dus een minder efficiënte route. Ze draagt echter zeker bij tot de energie-output van kernreactoren (ook in onze huidige reactoren).

Bij vangst van een neutron zal Pu-239 niet enkel splijten, maar ook voor een deel omgezet worden in Pu-240 (niet splijtbaar). Dit kan op zijn beurt ook omgezet worden in Pu-241, wat opnieuw splijtbaar is. Zo’n mengeling van diverse plutoniumisotopen wordt “civiel” plutonium genoemd: het is een natuurlijk bijproduct van vermogensreactoren. Met “civiel plutonium” kunnen geen atoombommen gemaakt worden. (Dit in tegenstelling tot zuiver Pu-239 dat in speciaal daartoe ontworpen militaire reactoren “gekweekt” wordt.)

Na enige jaren gebruik, is de hoeveelheid splijtbaar materiaal in een splijtstofelement zodanig laag geworden dat het niet meer nuttig bijdraagt tot het onderhouden van de splijtingsreacties in een kernreactor. Die splijtstofelementen worden uit de kern gehaald en eerst onder water, nadien in containers gestockeerd. Tot midden jaren 1990 werd deze splijtstof naar een verwerkingsfabriek gebracht, bvb. in het Franse La Hague, om de bruikbare materialen te recupereren: het resterende uranium en het resterende plutonium. Uit deze producten wordt dan nieuwe splijtstof gemaakt, zogenaamde “mengoxide” (“MOX”)-splijtstof, bestaande uit een mengeling van uraniumdioxide en plutoniumdioxide. Dit kan opnieuw gebruikt worden.

In onze huidige reactortypes is het niet mogelijk om deze route eindeloos te blijven herhalen (het leidt ons te ver om dit in detail uit te werken). Andere types reactoren, die vloeibaar metaal gebruiken als koelmiddel, laten dit wel toe. Op zulke reactortypes wordt nu opnieuw volop ingezet als toekomstige bron van primaire energie. Midden vorige eeuw werden die reactortypes ook al volop onderzocht, maar omdat de prijs van zowel fossiele energie (kolen, olie, aardgas) decennia eigenlijk zeer laag bleef (veel en veel lager dan wat men dacht in de loop van de jaren 1950 en 1960) en omdat de prijs van vers uranium ook veel lager bleef dan verwacht, werd die technologie nooit te volle ingezet. Met de huidige klimaatuitdagingen is het beter gebruik van alle energiedragers opnieuw een “hot topic” en wordt er ook volop ingezet om beter gebruik te maken van wat er uit de mijnen gehaald wordt. Daarnaast zijn we ons vandaag veel bewuster van beperkingen, uitdagingen en risico’s van een volledig cyclische (“gesloten”) nucleaire energievoorziening dan zeventig jaar geleden. De route wordt dus bewandeld, maar met voorzichtigheid!

Marc Verwerft
Hoofd onderzoeksgroep nucleaire brandstofmaterialen