Hoe ziet de splijtstofcyclus er uit?
Uranium is het allerzwaarste in de natuur voorkomende element. Het is een metaal en het is niet zeldzaam. Er is meer uranium, dan bijvoorbeeld kwik of zilver. Het is het enige chemische element, waarvan de atomen kunnen splijten en daarmee energie kunnen opwekken. Thorium is niet splijtbaar. Uranium komt op veel plaatsen voor op aarde. Er zijn uraniummijnen in onder andere Australië, Brazilië, Canada, Rusland en zuidwestelijk Afrika, bijvoorbeeld in de landen Namibië en Niger.
De winning van uraniumerts vindt plaats in ondergrondse of in open mijnen. Het erts heeft een uraniumgehalte van rond 0,2%. Voor zachte gesteentes kan dat wat minder en voor harde wat meer zijn. Zeewater bevat ook uranium en het is technisch mogelijk dat te winnen. Economisch loont dat echter niet. Net als overigens de grote hoeveelheden uranium, die in laagwaardige voorkomens, zoals leisteen, zitten. Wel biedt het een garantie op een eventuele eeuwenlange wereldwijde energievoorziening op basis van kernenergie. Na de winning van het erts gebeurt de verwerking terplaatse. De processtappen zijn vermalen, uitlogen en zuiveren, waarmee het mijnbouwbedrijf 95% van het uranium in de vorm van yellow cake (U3O8) uit het erts haalt.
De volgende stap is de chemische conversie, waarbij de omzetting plaatsvindt naar uraniumhexafluoride (UF6). De eigenschap van fluor is, dat alle atomen even zwaar zijn. Fluor heeft dus maar één stabiel isotoop, namelijk fluor-19 (F-19). Natuurlijk uranium heeft twee isotopen, het gemakkelijk splijtbare uranium-235 (U-235) en het moeilijk splijtbare uranium-238 (U-238). In natuurlijk uranium komt slechts één atoom U-235 voor op 140 atomen U-238. Het gehalte aan U-235 is daarom maar 0,71%.
Voor de toepassing in een lichtwaterreactor is dat gehalte te laag. De verrijkingsfabriek verhoogt die concentratie naar een waarde tussen 3,5 en 4,5%. Urenco in Almelo is zo’n fabriek. Daar staan honderden metershoge ultracentrifuges in fabriekshallen naast elkaar. Zo’n ultracentrifuge slingert het zwaardere U-238 iets verder naar buiten dan het lichtere U-235. Door het UF6 een aantal malen door de centrifuges te laten stromen ontstaan twee fracties. De kleinste is de verrijkte met de gewenste verrijkingsgraad. De grootste is de verarmde, die in de regel nog een gehalte heeft aan U-235 tussen 0,25 en 0,35%. De precieze concentratie is afhankelijk van de prijs van het natuurlijk uranium. Als die prijs op een gegeven dag hoog is, dan is het economisch aantrekkelijk om wat dieper te verarmen. Er komt dan meer verrijkt uranium uit een kilogram natuurlijk uranium.
Het product, dat de verrijkingsfabriek maakt is dus verrijkt UF6. Opnieuw is er een chemische conversie nodig. Van UF6 naar uraniumdioxide (UO2), een zwarte stof, die zich gemakkelijk laat persen en bakken tot cilindervormige pilletjes. De afmetingen van zo’n pilletje kunnen iets variëren, maar een diameter van 0,8 centimeter en een hoogte van 1 centimeter is normaal.
De splijtstofelementenfabriek stopt rond 500 pilletjes in een buis en bundelt ze. Zo’n 200 tot 300 splijtstofstaven vormen een splijtstofelement. Tussen de splijtstofstaven is ruimte voor water, dat zowel de functie van koelmiddel als van moderator, remstof, heeft. Een reactorkern heeft een paar honderd van splijtstofelementen. Elk splijtstofelement levert gedurende een periode van vier jaar energie. Daarna is het splijtstofelement uitgeput en moet het gewisseld. Jaarlijks is dat dus een kwart van de splijtstofelementen. De opbrand van een uitgeput element is ongeveer 40 MegaWattdag per kg. Dat getal zegt niet zoveel, maar het betekent, dat een gemiddeld huishouden, dat jaarlijks 3000 kWh gebruikt, met de stroomproductie van tien gram splijtstof toe kan. Van die tien gram is 0,4 gram, dat is het gewicht van een paperclip, daadwerkelijk verspleten. Van die 0,4 gram is 0,12 milligram omgezet in energie volgens de bekende formule van Einstein, E = m . c2. Overigens is dat precies hetzelfde gewichtsverlies, als wanneer een kolencentrale die elektriciteit zou hebben opgewekt.
Na het splijtstofwisselen gaan de uitgeputte splijtstofelementen een jaar lang in opslag bij de kerncentrale. Daarna kunnen ze afgevoerd. Hetzij naar een opwerkingsfabriek, bijvoorbeeld die in Frankrijk. Hetzij naar de faciliteit voor interimopslag. In het eerste geval vindt na een periode van minimaal drie jaar opwerken plaats, inclusief de terugwinning van het nog aanwezige uranium en de afscheiding van het gevormde plutonium. Dat uranium heeft ongeveer dezelfde eigenschappen als natuurlijk uranium en gaat naar de verrijkingsfabriek voor herverrijken en hergebruik. Het plutonium gemengd met verarmd of natuurlijk uranium vindt als mengoxide splijtstof (Engels: mixed oxide fuel) toepassing in de lichtwaterreactor. De splijtstofcyclus is dan gesloten. Uiteraard geeft een opwerkingsfabriek veel radioactief afval. In plaats van opwerken kan de eigenaar van de kerncentrale de uitgeputte splijtstofelementen, nadat ze voldoende zijn afgekoeld, afschrijven en als radioactief afval behandelen. Veel landen, waaronder Finland en Zweden, volgen deze strategie. Ze heet de open splijtstofcyclus.
