Kan men de halveringstijd van kernafval verkorten?

Wouter, 58 jaar
14 december 2016

Kan men 'nuclear decay' versnellen? Zou men nucleair afval kunnen behandelen zodat deze sneller onschadelijk wordt? Ik zag op YouTube een filmpje waarin ze dat aantoonden met meetapparatuur.

Antwoord

Beste Wouter,

Radioactiviteit, en het bijhorende half-leven, is een eigenschap van het atoom of de atoomkern. Het is een gevolg van een kern die in een geëxciteerde toestand is (een hogere inwendige energie) en naar een stabielere toestand wil vervallen.
Het versnellen van het verval is onmogelijk; je kan dit proces dus niet beïnvloeden door bijvoorbeeld druk of temperatuur. (tenzij we morgen aantonen dat de wetten van de quantumfysica plots niet meer gelden).

Er is één uitzondering op de regel: het verval van een radioactieve kern door elektron vangst. In dit proces vangt de kern een elektron van de schil en vormt het in combinatie met een proton (van de kern) een neutron in de kern.
Een extreem geval zou zijn waarbij je de radioactieve kern volledig zou ioniseren (lees: alle elektronen wegplukken uit de schillen). In dat geval kan de kern geen elektron vangst uitlokken (er zijn geen elektronen meer) en zou het radioactief verval volgens dit proces oneindig lang duren. Meer realistisch zijn er wel experimenten uitgevoerd waarbij het verval door elektron vangst kan beïnvloed worden door het isotoop in een metallische omgeving te plaatsen (veel vrije elektronen beschikbaar). Het meest bekende experiment is Be-7 in een omgeving van aluminium metaal. Hierbij werd slechts een verschil van minder dan 1% in het half-leven gemeten.

Als we spreken over de halfwaardetijd (of halveringstijd) verkorten in de context van nucleair afval gaat het over het proces van "Partitioning & Transmutation" (P&T). Verse splijstof voor een kerncentrale zoals in ons land bevat licht aangerijkt uraniumoxide. Licht  aangerijkt wil zeggen dat het uranium in dit geval ergens tussen de 3 à 4% uranium-235 bevat en de rest uranium-238 is (in natuurlijk uranium is er slechts 0,7% uranium-235 aanwezig, vandaar de term "licht aangerijkt"). De nucleaire processen in een kernreactor (kernsplijting, neutronenvangst) zorgen er voor dat in de gebruikte splijstof een hele mengelmoes van verschillende isotopen zit. Er zit nog een hoop uranium in (96%) maar ook plutonium en andere elementen zwaarder dan uranium (hoger) in de tabel van Mendelejev (neptunium, americium, curium) en splijtingsproducten (de elementen die ontstaan door de splijting van die grote uraniumkernen). Vooral die elementen zwaarder dan uranium stellen ons problemen: ze hebben een zéér lange halfwaardetijd, ze zijn zéér radiotoxisch en sommige produceren veel warmte.

Als we dit afval laten zoals het is, moeten we op zoek naar een bergingsmethode die ons garandeert dat die elementen niet in ons drinkwater en onze voedselketen terecht komen. Dit leidt ons tot een geologische berging: een stabiele geologische laag die ons beschermt tegen de radioactiviteit van dat afval. Aangezien geologische berging duur gaat zijn, willen we natuurlijk het bergingsvolume zo klein mogelijk houden. Maar dat lukt niet zo best als het afval zo lang radioactief is en daardoor ook voor lange tijd veel warmte
afgeeft. Als je alles op een klein hoopje zou gooien, zou je de temperatuur in die geologische laag te fel laten toenemen en dan kan je niet meer met zekerheid zeggen of die nog wel dezelfde eigenschappen zal blijven hebben.

In de techniek van P&T gaan we op zoek naar oplossingen om de "ingenieursvereisten" voor die geologische berging te verlichten: kortere opslag voor minder warm materiaal. We kunnen de nood aan geologische berging niet doen verdwijnen, maar we kunnen wel proberen om de nodige levensduur voor en het volume van die berging te verkleinen.

De eerste stap in P&T is Partitioning: het scheiden van de verschillende elementen in de gebruikte splijfstof: we scheiden het uranium van de splijtingsproducten en het plutonium/neptunium/americium/curium.

Die laatste groep gaan we dan proberen te transmuteren, omvormen in korter levende isotopen. En de beste manier om dat te doen is om die elementen ook te onderwerpen aan kernsplitsing. Dit kan enkel in een systeem met héél snelle neutronen. En als we dit op een efficiënte en veilige manier willen doen, kan dit best in een zogenaamd "versneller-aangedreven systeem": een reactorkern die niet genoeg splijtstof bevat om de kettingreactie van kernsplijting te onderhouden (en dus niet kan uit de hand lopen) en die gevoed wordt door een externe bron van neutronen. De externe bron van neutronen wordt gevormd door een deeltjesversneller die protonen bombardeert op een zwaar element.

Het SCK•CEN in Mol ontwikkelt op dit moment haar MYRRHA installatie. MYRRHA moet een veelzijdige bestralingsmachine worden die, onder andere, kan bijdragen aan het onderzoek naar die transmutatie van lang-levende isotopen (actinides) in korter levende splijtingsproducten. MYRRHA zal het concept van zo'n versneller-aangedreven systeem demonstreren "op vermogen": de installatie zal een vermogen hebben van 100 megawatt.

Een andere unieke eigenschap van MYRRHA is dat we de kern gaan koelen met een vloeibaar mengsel van lood en bismuth. In tegenstelling tot een drukwatercentrale waar het water de rol speelt van koelmiddel en vertrager van neutronen (neutronen botsen met het waterstof in water en verliezen zo veel energie) willen we hier werken met snelle neutronen om dat proces van transmutatie te kunnen onderzoeken. We kunnen/mogen dus niet koelen met water en moesten op zoek naar een ander koelmiddel, eentje met zware elementen (die remmen neutronen niet zo sterk af): het lood-bismuth.

Enkele jaren terug heeft het SCK•CEN een wereldprimeur behaald door zo'n versneller-aangedreven systeem te ontwikkelen en te bouwen op "nul vermogen", het GUINEVERE project.  Dit kan je zien als een experiment op laboratorium schaal (maar toch net ietsje groter) als stap op weg naar de grote MYRRHA installatie. Het is een koppeling van een kleine deeltjesversneller met een kleine reactorkern die we zo goed mogelijk proberen te laten lijken op de toekomstige MYRRHA kern zodat we onze rekenmethodes en aanpak kunnen valideren.


Dr. Ir. Gert Van den Eynde

Instituut voor Geavanceerde Nucleaire Systemen
Fysica Nucleaire Systemen

Reacties op dit antwoord

  • 28/12/2016 - Wouter(vraagsteller)

    Bedankt voor het complete antwoord. Wat gebeurd met straling wanneer het isotoop het absolute nulpunt benaderd? Ik zag een video waarin men een licht radioactief materiaal met atomaire waterstof behandelde, verhitte. Na de behandeling was de straling minder. Mogelijk door het verdampen van het radioactief materiaal, maar dat weet ik natuurlijk niet. Kan men door een sterk magnetisch veld straling beïnvloeden?

  • 17/01/2017 - SCK•CEN(wetenschapper)

    Temperatuur heeft geen invloed op radioactief verval. Je moet niet alles geloven wat je ziet op YouTube ;-) Een magnetisch veld gaat het radioactief verval an sich niet beïnvloeden, maar gaat wel "het pad" van de straling beïnvloeden: alfa deeltjes worden afgebogen bijvoorbeeld. Dit kan je heel mooi zien in nevelkamers.

  • 19/01/2017 - Wouter(vraagsteller)

    Ik besef zeer goed dat 99,99% van de beweringen vals of foutief zijn. Meestal omdat het bedrog betreft maar ook omdat de persoon zelf geen kennis van zaken heeft. Ik wil u de info niet onthouden. De video is 6' lang. Een extract uit een document. "One of the processes of radioactivity remediation that George described is really quite simple. The methods involves heating, 'using Browns gas', the radioactive material along with a piece of iron, then adding a little aluminum. At the point that the reaction gives off a "poof" is when the radioactive material has been reduced by around 96 - 98 percent, producing thermite. " video = https://youtu.be/E-dca5fVLTM

  • 19/01/2017 - Wouter(vraagsteller)

    Hoe kan je de eigenschappen van dat gas verklaren in volgende video? https://youtu.be/ilz7zWISfd8 Ik heb over deze eigenschappen nog niets gehoord of gelezen. Maar jullie zijn specialisten in het domein, dan kan dit geen probleem zijn.

  • 20/01/2017 - SCK•CEN(wetenschapper)

    De beweringen in deze filmpjes zijn niet wetenschappelijk onderbouwd. De personen vertellen hun verhaal, maar zonder wetenschappelijke en technische publicaties in de vakliteratuur én experimenten die onafhankelijk worden herhaald en de resultaten bevestigen, blijven dit verhalen en geen wetenschappelijke feiten.

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Zoek andere vragen

© 2008-2017
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen