Splijting van uranium

Als instabiele kernen van grote atomen uit elkaar vallen, gaat een klein beetje massa verloren. Die massa wordt omgezet in een grote hoeveelheid energie volgens de bekende relatie van Einstein: E = mc². Bij kernenergie spelen vooral de instabiele atomen van uranium een belangrijke rol. Niet alle atomen van een scheikundig element als uranium hebben dezelfde stabiliteitseigenschappen. Het hangt ervan af om welk isotoop het gaat. Atoomkernen bestaan uit protonen en neutronen. Het aantal elektronen om de kern is gelijk aan het aantal protonen. Dit is bepalend voor het type atoom. Eén proton (en dus één elektron) meer of minder, en we hebben een ander chemisch element. Het aantal neutronen bepaalt het type isotoop. Uranium-235 bestaat uit 92 protonen en 143 neutronen; U-238 bezit 3 extra neutronen. Wanneer een neutron ingevangen wordt in U-235 ontstaat U-236 dat een grote kans heeft om twee brokstukken uiteen te vallen. Onderstaand wordt één van de mogelijke reacties getoond als een neutron botst met een U-235 atoom.

: Figuur 1: Een van de vervalsprocessen van U-235. Een kern vangt een neutron in en verandert daardoor in het iets zwaardere U-236. Dat isotoop is niet stabiel en kan uiteen vallen, waarbij splijtingsproducten, warmte en straling vrijkomt.

Het zeer instabiele U-236 wordt gevormd, dat meteen uitéén kan vallen in bijvoorbeeld krypton en barium, onder uitzending van gammastraling, warmte en 3 neutronen. Overigens kunnen er vanuit U-236 ook andere atomen dan krypton en barium gevormd worden. Andere splijtingsproducten zijn strontium (Sr), xenon (Xe), cesium (Cs) en jodium (I). Sommige van deze stoffen zijn radioactief en maken deel uit van het kernafval. Gemiddeld komen bij dit proces 2,5 neutronen per splijting vrij, die belangrijk zijn om andere U-235 atomen te splijten en zo de reactie op gang te houden.

Als alle vrijgekomen neutronen meteen weer U-235 atomen treffen, en als de ontstane U-236 kernen weer zouden splijten, zou een onbeheersbare kettingreactie het gevolg zijn. Zo eenvoudig is het gelukkig niet. Een aantal neutronen wordt ingevangen zonder dat een splijting volgt; sommige neutronen gaan verloren doordat ze uberhaupt geen splijtstof treffen. Veel neutronen worden ingevangen door het in grote mate aanwezige U-238, zonder dat splijting volgt. Het blijkt dat met een kernsplijting in een kernreactor alleen op gang kan worden gehouden als de neutronen eerst worden afgeremd. Dit gebeurt door botsingen met atomen van de zogenoemde moderator. In verreweg de meeste kernreactoren (ook die van Borssele) wordt daarvoor gewoon (‘licht’) water gebruikt.

Door botsingen met waterstofatomen verliezen de neutronen snelheid en worden ze geschikter om U-235 te splijten. Kernreactoren zijn zo ontworpen dat de kettingreactie te allen tijde beheerst wordt. De verhouding (k) tussen het aantal per tijdseenheid geproduceerde neutronen en het aantal geabsorbeerde/weggelekte neutronen is een belangrijke maat voor het bedrijven van een reactor. Als k = 1 treft gemiddeld één van de bij splijting vijgekomen neutronen effectief doel en blijft het aantal splijtingen in de tijd constant. Dit wordt aangeduid met de – minder gelukkig gekozen - term dat de reactor kritiek of kritisch is. Als de reactor wordt opgestart en het warmtegevend vermogen moet groeien, moet k groter dan 1 zijn (superkritische toestand), om het aantal splijtende U-235 kernen te laten groeien. Op het moment dat er meer warmte wordt geproduceerd dan wordt afgevoerd stijgt de temperatuur en worden er vanzelf meer neutronen ingevangen in het U-238, zodat de kettingreactie afneemt totdat de oorspronkelijke temperatuur is weergekeerd. Door het inbrengen van regelstaven kan men k tot onder de 1 doen dalen door extra neutronen af te vangen (subkritische toestand). Behalve de neutronenremmende moderator is een kernreactor ook uitgerust met regelstaven die neutronen wegvangen. Een metaal als cadmium of boor is hier geschikt voor. Als men de staven omhoog trekt stijgt k, als men de staven laat zakken of vallen daalt k en dooft de kettingreactie uit.

In de huidige generaties kernreactoren is het niet mogelijk om direct natuurlijk uranium te gebruiken. Het U-235 gehalte (slechts 0,7%) is daarin te laag om de kettingreactie op gang te houden. Het U-235 gehalte van de splijtstofstaven die het uranium bevatten, dient 3 à 4% te bedragen. Het ophogen van de U-235 concentratie wordt verrijking genoemd, wat onder meer bij Urenco in Almelo gebeurt.

Hoewel tot nu toe steeds gesproken is over U-235 als het actieve isotoop, speelt U-238 wel degelijk een rol bij de energieproductie in de huidige generatie kernreactoren. Indien nog niet afgeremde neutronen in botsing komen met U-238 ontstaat na een tweetal vervalprocessen het zwaardere plutonium dat net als U-235 splijtbaar is, voor een deel ook uiteenvalt en daarbij warmte produceert. Op deze manier wordt het overvloedig aanwezige, niet-splijtbare uranium isotoop U-23 dus omgezet in het splijtbare plutonium. Dit proces wordt kweken genoemd. Zo’n 1/3 van alle splijtingen in een kernreactor zijn plutoniumsplijtingen. Een deel van het plutonium vangt geen neutron in en blijft dan als nuttige grondstof aanwezig in de gebruikte splijtstof.. Een ander deel van het plutonium vangt wel een neutron in maar splijt niet. Op die manier worden nog zwaardere elementen gevormd, zoals americium en curium. Het gaat daarbij om zeer kleine hoeveelheden, maar dit zijn vervelende bijproducten omdat ze duizenden jaren verhoogde straling blijft afgeven. De radioactieve splijtingsproducten (cesium enzovoort) stralen beduidend korter: honderden jaren.

Zo'n 99% van het U-238 in de splijtstofstaven (96-97% van het uraniumtotaal) verlaat dus ongebruikt de kernreactor. We kunnen ervoor kiezen nieuwe kernreactoren te bouwen waarin de neutronen juist niet worden afgeremd, en die het U-238 via plutonium omzetten in energie. Dit zijn de zogenoemde snelle (kweek)reactoren. "Snel" verwijst dus naar de aanwezigheid van veel snelle neutronen. Uit natuurlijk uranium kan dan honderd maal meer energie worden gewonnen, waarmee de hoeveelheid goed winbare uranium op land al voor tienduizenden jaren nucleaire brandstofvoorraad biedt.

Door het ontstane plutonium volledig te benutten voor energieproductie, wordt bovendien de belangrijkste angel uit het radioactieve afval gehaald. Juist het plutonium in het afval zorgt immers voor die extreem lange stralingsduur. Technisch is dit goed mogelijk, maar het is vooral een kwestie van politieke wil of deze ontwikkeling zich zal doorzetten. De aanwezigheid van aanzienlijke hoeveelheden plutonium in kernreactoren wordt vanwege het proliferatierisico als minder gewenst beschouwd, ofschoon het in de reactor gevormde plutonium niet bruikbaar is in kernwapens. Voor het produceren van weapon grade plutonium zijn speciale productiereactoren nodig, met een snelle doorlooptijd van de splijtstof (enkele maanden) om ervoor te zorgen dat de ingroei van niet splijtbare plutoniumisotopen beperkt blijft. Het zal erg afhangen van de snelheid waarmee andere duurzame energiebronnen zich ontwikkelen tot economisch verantwoorde alternatieven, of snelle kweekreactoren op de politieke agenda’s komen of niet.