Kernenergie en toekomst

Dit artikel bevat groot en klein gedrukte tekstgedeelten. De eerste bevatten de hoofdzaken en vormen een doorlopend betoog. De laatste bevatten nadere toelichting of theoretische uitwerkingen (op het niveau van het eindexamen natuurkunde van de middelbare school).

Inhoud

1. De structuur van de materie

2. De thermische reactor

3. De snelle reactor

4. Het totale productieproces bij kernenergie

5. De afvalstoffen en hun verwerking

6. Kernfusie

7. Kernenergie en duurzame ontwikkeling

8. Kernenergie en kernwapens

9. Enkele slotoverwegingen

10. Aanhangsel

1. De structuur van de materie

1.1 De bouw van een atoom Alle stoffelijke zaken op aarde zijn opgebouwd uit combinaties van 92 elementen. Een element bestaat uit atomen en een atoom bestaat uit een kern met daar omheen draaiend een zwerm elektronen. De kern bestaat weer uit protonen en neutronen.

1.2 Het aantal protonen in de kern is gelijk aan het aantal elektronen in de elektronenwolk De protonen in de kern zijn elektrisch positief, de elektronen zijn negatief en de neutronen zijn neutraal. Verder is de lading van een proton precies gelijk aan die van een elektron (maar wel tegengesteld). Aangezien een atoom in normale toestand als geheel elektrisch neutraal is, moet het aantal (positieve) protonen in de kern gelijk zijn aan het aantal (negatieve) elektronen in de elektronenwolk. Zo bevat de kern van een heliumatoom twee protonen en daarom moet het aantal elektronen ook twee zijn.

1.3 Het atoomnummer Als men een lijst maakt van alle 92 elementen die voorkomen in de natuur ligt het voor de hand dit te doen in volgorde van het aantal protonen in de atoomkern (want dat aantal bepaalt het aantal elektronen in de elektronenwolk en dat bepaalt weer de chemische eigenschappen). Men krijgt dan:

1. waterstof (één proton)

2. helium (twee protonen)

3. lithium (drie protonen)

enzovoort

Het rangnummer in deze lijst heet het “atoomnummer”. Het atoomnummer is dus gelijk aan het aantal protonen in de kern. um

schappen. de chemische eigenschappen. dus de chemische eigenschappen.

1.4 Globale massabepaling van een atoomkern: het massagetal De massa van een proton is ongeveer even groot als de massa van een neutron en daarom kan deze massa goed worden gebruikt als eenheid. De massa van een atoomkern kan dan in eerste benadering worden aangegeven door het totaal aantal protonen en neutronen dat hij bevat. Dit totaal aantal kerndeeltjes heet het “massagetal”. Zo heeft een heliumkern 2 protonen en 2 neutronen en is het massagetal dus 4.

1.5 Nauwkeurige massabepaling van een atoom: de atoommassa Bij zeer nauwkeurige meting blijken de massa’s van een proton en een neutron toch iets van elkaar te verschillen en daarom heeft men een nieuwe massa-eenheid gedefinieerd: de geünificeerde massaeenheid u. Er geldt dan dat de massa van een proton gelijk aan 1.007276 u en die van een neutron gelijk aan 1.0086649 u. Gebruik makend van deze massaeenheid kan men ook zeer nauwkeurig de massa van een atoom aangeven, deze heet de “atoommassa”. Zo is de atoommassa van een heliumatoom bijvoorbeeld gelijk aan 4.002603 u.

1.6 Isotopen: dezelfde chemische eigenschappen, maar verschillende massa Wanneer twee atomen evenveel protonen bezitten maar een verschillend aantal neutronen, hebben ze wel dezelfde chemische eigenschappen, maar niet dezelfde massa. Dergelijke atomen heten “isotopen” (afgeleid van de Griekse woorden isos=gelijk en topos=plaats). Alle elementen bestaan uit meerdere isotopen. Sommige hiervan komen in de natuur voor, andere moeten kunstmatig worden gemaakt. Onderstaande lijst bevat een aantal isotopen die in de kernfysica vaak ter sprake komen.

Een aantal vaak genoemde isotopen

Atoom- num- mer	Naam	Sym- bool	Aantal pro- tonen	Aantal neu- tronen	Massa- Getal	Atoom- massa	Halveringstijd
1	Waterstof	H	1	0	1	1.007825	Stabiel
-	Deuterium	-	1	1	2	2.014102	Stabiel
-	Tritium	-	1	2	3	3.016050	12.33 jaar
2	Helium-3	He	2	1	3	3.016029	Stabiel
-	Helium	-	2	2	4	4.002603	Stabiel
3	Lithium	Li	3	4	7	7.016004	Stabiel
6	Koolstof	C	6	6	12	12.00000	Stabiel
-	Koolstof-14	-	6	8	14	14.00324	5730 jaar
20	Calcium	Ca	20	20	40	39.96259	Stabiel
36	Krypton	Kr	36	48	84	83.91151	Stabiel
-	Krypton-85	-	36	49	85	84.91252	10.8 jaar
-	Krypton-92	-	36	56	92	91.92615	1.84 sec.
38	Strontium	Sr	38	50	88	87.90563	Stabiel
-	Strontium-90	-	38	52	90	89.90775	28.1 jaar
56	Barium-141	Ba	56	85	141	140.91441	18.3 minuten
82	Lood-207	Pb	82	125	207	206.97589	Stabiel
86	Radon-222	Rn	86	136	222	222.01757	3.82 dagen
88	Radium-223	Ra	88	135	223	223.01850	11.2 dagen
90	Thorium	Th	90	142	232	232.03805	14 miljard jaar
-	Thorium-233	-	90	143	233	233.04158	22.2 minuten
91	Protactinium-231	Pa	91	140	231	231.03589	34 300 jaar
92	Uranium-233	U	92	141	233	233.03963	0.16 miljoen jaar
-	Uranium-234	-	92	142	234	234.04095	0.25 miljoen jaar
-	Uranium-235	-	92	143	235	235.04393	0.71 miljard jaar
-	Uranium-236	-	92	144	236	236.04564	24.7 miljoen jaar
-	Uranium	-	92	146	238	238.05079	4.5 miljard jaar
93	Neptunium-239	Np	93	146	239	239.05293	2.36 dagen
94	Plutonium-239	Pu	94	145	239	239.05216	24 400 jaar
95	Americium-243	Am	95	148	243	243.06137	7370 jaar
96	Curium-244	cm	96	148	244	244.06275	18.1 jaar

Bron: Table of nuclides: http://atom.kaeri.re.kr/ton/nuc4.html

In de tweede kolom is bij ieder element bij de naam van het meest in de natuur voorkomende stabiele isotoop het achtervoegsel met het massagetal weggelaten.

1.7 De officiële notatie voor atoomkernen en deeltjes

Een atoomkern van het element E wordt in de kernfysica weergegeven als ^A_ZE.

Hierin is: A = (atoom)massagetal

= aantal protonen + aantal neutronen in de kern,

Z = elektrische lading van de kern

= aantal protonen in de kern

= aantal elektronen in de elektronenwolk

= atoomnummer (rangnummer in de elementenlijst).

Voorbeeld: een atoomkern van het element uranium-235 heeft 92 protonen en 143 neutronen, zodat het totaal aantal kerndeeltjes 235 is. Deze kern wordt dus weergegeven als ²³⁵₉₂U.

In de kernfysica spelen ook losse deeltjes een belangrijke rol. De belangrijkste hiervan worden als volgt aangegeven:

¹₀n - neutron (massa één en lading nul),

⁰_-1e - elektron (massa nul en lading min één),

⁴₂He - heliumkern (twee protonen en twee neutronen).

1.8 Spontane desintegratie van kernen Veel zware atoomkernen bezitten de neiging spontaan onder uitzending van straling te “vervallen” tot een kern met een iets kleinere massa. Dit proces kan zich herhalen zodat er reeksen van atoomkernen ontstaan. Een uranium-238-kern bijvoorbeeld kan onder uitzending van een alfadeeltje (=heliumkern) overgaan in een thorium-234-kern, vervolgens onder uitzending van een bètadeeltje (=elektron) in een protaktinium-234-kern, enzovoort. Na 14 stappen tenslotte is de oorspronkelijke uranium-238-kern veranderd in een stabiele lood-206-kern. Er bestaan in de natuur drie van dergelijke vervalreeksen: de genoemde uranium-radiumreeks (beginnend bij U-238), de uranium-actiniumreeks (beginnend bij U-235) en de thoriumreeks (beginnend bij Th-232). Daarnaast is er in de moderne tijd een gedeeltelijk kunstmatige reeks bij gekomen: de neptuniumreeks (beginnend bij het kunstmatig gemaakte plutonium-241). In de volgende tabel wordt de uranium-radiumreeks weergegeven.

92. Uranium								3	0
91..Protactinium								2
90. Thorium							4	1
89. Actinium
88. Radium						5
87. Francium
86. Radon					6
85. Astatine
84. Polonium		13	10	7
83. Bismut		12	9
82. Lood	14	11	8
	206	210	214	218	222	226	230	234	238

De uranium-radiumreeks. Het isotoop uranium-238 en de daaruit achtereenvolgens ontstaande elementen en isotopen zijn aangegeven met de nummers 0, 1, 2, 3 ... Het uitzenden van een alfadeeltje betekent dat het atoomnummer met twee vermindert en het massagetal met vier. Het uitzenden van een bètadeeltje betekent dat het atoomnummer met één toeneemt en het massagetal gelijk blijft.

Het tempo waarmee een bepaald radioactief element vervalt wordt aangegeven met de halveringstijd, dat is de tijd waarin het aantal atomen van een bepaalde hoeveelheid van dat element wordt gereduceerd tot de helft. Deze halveringstijden verschillen enorm, zo heeft uranium-238 een halveringstijd van 4.5 miljard jaar (het is in de praktijk dus stabiel) en thorium-234 een halveringstijd van 24.1 dag. Ook halveringstijden van enkele milliseconden komen voor. In verband met het probleem van radioactief afvalmateriaal wordt tegenwoordig ook een andere maat voor de vervalsnelheid gebruikt: de levensduur. De levensduur van dat afvalmateriaal is dan de tijd die het duurt totdat het stralingseffect van dat materiaal is gereduceerd tot dat van het oorspronkelijke uraniumerts.

1.9 Kernsplitsing Wanneer men een zware atoomkern beschiet met kleine deeltjes, bijvoorbeeld heliumkernen of neutronen, <niet electronen, S&V235> kan deze bij een “voltreffer” uiteenvallen in twee middelzware atoomkernen. Bij een dergelijke splitsing komt enorm veel energie vrij (in de vorm van warmte). Vooral neutronen zijn geschikte projectielen om kernen te beschieten omdat ze ongeladen zijn en daarom niet door elektrische krachten worden afgebogen.

1.10 Massa en energie Bij zeer nauwkeurige meting blijkt dat de bij de splitsing van een atoomkern vrijkomende deeltjes samen iets minder massa hebben dan de oorspronkelijke atoomkern. Er is dus massa verdwenen en deze is omgezet in energie. Men kan de hoeveelheid hiervan berekenen met de door Einstein afgeleide formule E= mc².

Voorbeeld Stel dat alle atomen van een kg zuiver uranium-235 worden gesplitst. Dan treedt er, zoals uit metingen blijkt, een massaverlies op van Δm = 0.913 gram. De energie ΔE die hiermee overeen komt kan worden berekend door in bovenstaande formule in te vullen:

Δm = 0.000913 (het massaverlies in kg)

en c = 2.998 x 10⁸ (de lichtsnelheid in meter per seconde).

De berekening wordt dan:

ΔE = 0.000913 x (2.998 x 10⁸)²

= 8.2 x 10¹³ joule (of wattseconde)

= 22.8 miljoen kWh.

Stellen we nu de verbrandingswarmte van 1 kg steenkool op 29.3x10⁷ joule, dan is 1 kg zuiver uranium-235 equivalent met 8.2 x 10¹³ gedeeld door 29.3x10⁷ = 0.28 miljoen kg steenkool.

2. De thermische reactor

2.1 Indeling van de reactoren Er bestaan vele typen reactoren en deze kunnen (naar de snelheid van de daarin werkzame neutronen) worden ingedeeld in thermische reactoren en snelle reactoren. Ieder van deze beide typen kan weer (naar de productie van nieuw splijtingsmateriaal) worden ingedeeld in “gewone” reactoren en kweekreactoren. We zullen onze bespreking van deze typen beginnen met het oudste en nog steeds meest voorkomende commerciële type: de thermische reactor.

2.2 De warmteproducerende reacties in een thermische reactor

In de thermische reactor is de gebruikte “brandstof” uranium-235. De atomen hiervan worden tot splijting gebracht door thermische neutronen, dat zijn neutronen die dezelfde temperatuur (dus dezelfde kinetische energie) hebben als de deeltjes uit hun omgeving en dat betekent dat ze betrekkelijk langzaam bewegen. Wanneer een uranium-235-kern splijt valt hij uiteen in twee middelgrote kernen en twee à drie neutronen. Hierbij komt enorm veel warmte vrij, dat wil zeggen: deze kernen en neutronen vliegen met een grote snelheid uit elkaar en brengen vervolgens de deeltjes waarmee ze in botsing komen in heftige beweging. Aangezien bij een dergelijke splijting steeds twee à drie neutronen vrij komen worden er gemiddeld meer neutronen geproduceerd dan er worden verbruikt. Deze nieuw geproduceerde neutronen brengen opnieuw kernsplitsingen te weeg zodat er een kettingreactie ontstaat.

Hierbij treedt echter een complicatie op: de bij de kernsplijting vrijgekomen neutronen hebben aanvankelijk een te hoge snelheid om nieuwe splijtingen te kunnen veroorzaken, daarom moeten ze worden vertraagd tot het “thermische” neutronen zijn geworden. Verder brengen lang niet alle vrijgekomen neutronen een nieuwe splijting te weeg en het hangt van de omstandigheden in de reactor af welk percentage dit werkelijk doet. Het aantal nieuwe splijtingen dat door één splijting te weeg wordt gebracht heet de vermenigvuldigingsfactor k. Als k<1 zal de kettingreactie uitsterven, als k=1 zal de reactie zichzelf precies in stand houden en als k>1 zal de reactie steeds sterker worden.

Hoewel de eigenlijke brandstof in de thermische reactor U-235 is, wordt hij gevoed met een uraniummengsel dat voor verreweg het grootste deel uit U-238 bestaat en maar voor een klein deel uit U-235. In sommige oudere reactoren werd hiervoor natuurlijk uranium gebruikt, dat voor 99.3% uit U-238 bestaat en voor 0.7% uit U-235. In modernere reactoren wordt licht verrijkt uranium gebruikt, dat is uranium waarvan het gehalte aan U-235 is opgevoerd tot 3–5 %.

2.3 De vele splijtingsreacties Bij het splijten van uranium-235 kunnen er 34 verschillende elementen ontstaan en van ieder van deze elementen zijn weer meerdere isotopen mogelijk. Het gevolg is dat er in een kernreactor vele tientallen verschillende reacties optreden. Voorbeelden van dergelijke reacties zijn:

²³⁵₉₂U + ¹₀n Ò ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3 ¹₀n + 173.6 MeV

²³⁵₉₂U + ¹₀n Ò ¹⁴³₅₆Ba + ⁹⁰₃₆Kr + 3 ¹₀n + 173.7 MeV

²³⁵₉₂U + ¹₀n Ò ¹³⁹₅₄Xe + ⁹⁴₃₈Sr + 3 ¹₀n + 179.3 MeV

²³⁵₉₂U + ¹₀n Ò ¹⁴⁰₅₄Xe + ⁹⁴₃₈Sr + 2 ¹₀n + 184.7 MeV

²³⁵₉₂U + ¹₀n Ò ¹⁴²₅₄Xe + ⁹⁰₃₈Sr + 4 ¹₀n + 168.2 MeV

²³⁵₉₂U + ¹₀n Ò ¹⁴⁴₅₄Xe + ⁹⁰₃₈Sr + 2 ¹₀n + 176.4 MeV

²³⁵₉₂U + ¹₀n Ò ¹³³₅₅Ce + ¹⁰¹₃₇Rb + 2 ¹₀n + 164.5 MeV

In deze vergelijkingen is telkens de hoeveelheid warmte vermeld die volgens berekening bij de reactie vrijkomt (uitgedrukt in elektronvolt, dat is de in de kernfysika gebruikelijke energie-eenheid). Bij deze berekening wordt eerst bepaald hoeveel massa er bij de reactie is verdwenen en vervolgens wordt deze hoeveelheid omgerekend naar energie. Voor de eerste vergelijking bijvoorbeeld verloopt deze berekening als volgt:

Massa vóór: 235.04392 u – 92 m_el + 1 x 1.00865 u

Massa na: (140.91405 u – 56 m_el)+ (91.92616 u – 36 m_el) + 3 x 1.00865 u.

Verschil: Δm = 0.18642 u

Dit is equivalent met 0.18642 x 931.49 = 173.65 MeV.

De atoommassa’s zijn afkomstig uit een isotopentabel (zie 1.5). Hierbij moet men bedenken dat een dergelijke tabel de atoomgewichten geeft met inbegrip van de elektronen. Om de massa van de kern van bijvoorbeeld U-235 te vinden moet men van de atoommassa dus 92 maal de massa van een elektron aftrekken. Deze massa is hier aangegeven met m_el. Opmerkelijk is dat in de totale berekening de massa van de elektronen wegvalt, we hoeven dus de grootte van m_el niet te kennen.

In deze berekening is gebruik gemaakt van het gegeven dat een massa van 1 u equivalent is met een energie van 931.49 MeV. Dit is een in de fysica gebruikelijke omrekenfactor, die volgt uit de formule E = mc² (zie §1.10).

2.4 Het verval van de splijtingsfragmenten Om een goede indruk te krijgen van wat er in de kernreactor gebeurt moet men bedenken dat de splijtingen zèlf zeer snel tot stand komen, maar dat de gevormde splijtingsfragmenten meteen na hun ontstaan in een veel langzamer tempo beginnen te vervallen, totdat ze tenslotte zijn overgegaan in een stabiel atoom. Hierbij komt opnieuw een aanzienlijke hoeveelheid warmte vrij. De snelheid van dit vervalproces wordt bepaald door de halveringstijden van de verschillende stadia die het doorloopt. Zo vervalt in de als eerste genoemde reactie de Ba-141-kern via La-141 en Ce-141 tot het stabiele Pr-141 (steeds bètaverval). De halveringstijden hierbij zijn respectievelijk 18 minuten, 4 uur en 33 dagen en de vrijgekomen energieën zijn respectievelijk 3.2 MeV, 2.5 MeV en 0.6 MeV. De in dezelfde reactievergelijking voorkomende Kr-92-kern vervalt via Rb-92, Sr-92 en Y-92 tot het stabiele Zr-92 (ook steeds bètaverval). De halveringstijden hierbij zijn respectievelijk 1.8 seconden, 4.5 seconden, 2.7 uur en 3.5 uur en de vrijgekomen energieën zijn 6.0 MeV, 8.0 MeV, 1.9 MeV en 3.6 MeV. De totale energie die bij het latere vervalproces vrijkomt is dus (3.2 + 2.5 + 0.6) + (6.0 + 8.0 + 1.9 + 3.6) = 25.8 MeV. Deze warmte komt hoofdzakelijk vrij in de vorm van straling.

2.5 De vrijkomende straling In de reactievergelijkingen in § 2.3 is de tijdens de splijting vrijkomende straling niet vermeld. Wanneer men de tijdens en na de splijting vrijkomende straling ook in de berekeningen wil betrekken is het nodig iets gedetailleerder op het totale splijtingsproces in te gaan. In de eerste plaats moet worden opgemerkt dat de uranium-235-kern niet rechtstreeks door het neutron wordt gespleten, maar via een “tussenkern”. Eerst wordt het neutron door de uranium-235-kern ingevangen en ontstaat er een uranium-236-kern. Deze laatste kern echter is uiterst onstabiel (hij verkeert in “aangeslagen” toestand). Er zijn dan twee mogelijkheden: in 14.9 % van de gevallen zendt hij een gamma-foton uit en blijft als uranium-236-kern voortbestaan (hierbij gaat hij over in de stabiele “grondtoestand”) en in de overige 85.1 % van de gevallen valt hij uiteen in twee middelzware kernen (deze percentages volgen uit de verhouding van de zogenaamde “werkzame doorsneden” van beide reacies, zie Alonso en Finn: Kernfysica, p. 100). Bij dit uiteenvallen wordt er gewoonlijk (door een hergroepering van de protonen en de neutronen in de kern) ook gammastraling uitgezonden

Bij het uiteenvallen van de uranium-235-kern in twee fragmenten worden 2 à 3 (soms 4) neutronen uitgezonden. Het ontstaan van deze neutronen wordt verklaard uit het “neutronenoverschot” van de fragmenten. Er geldt namelijk voor zware atoomkernen als die van U-235 dat ze alleen maar stabiel kunnen zijn als ze veel meer neutronen bevatten dan protonen. Zo bevat een uranium-235-kern 92 protonen en 143 neutronen en de verhouding tussen beide is dus 143:92 = 1.55. Voor middelzware kernen geldt echter dat ze alleen maar stabiel kunnen zijn als deze verhouding veel kleiner is. Het gevolg hiervan is dat wanneer een uranium-235-kern splitst in twee fragmenten en genoemde verhouding in deze fragmenten in eerste instantie dus ook omstreeks 1.55 is, dat deze fragmenten niet stabiel kunnen zijn omdat ze “te veel” neutronen bezitten. Het grootste deel van dit overschot zal meteen worden uitgezonden.

Opgemerkt zij dat een klein deel (0.64%) van de neutronen wordt uitgezonden met een vertraging van enkele seconden tot enkele minuten. Dit lijkt van weinig belang, maar is dat allerminst. Aangezien namelijk de tijd dat een neutron de moderator doorloopt van de orde van grootte van 10^-4 seconde is, zou, wanneer alle neutronen meteen werden uitgezonden en k>1 was, de kettingreactie razendsnel in intensiteit toenemen. Dit zou het onmogelijk maken deze reactie met behulp van regelstaven te regelen. Het kleine deel van de neutronen dat vertraagd wordt uitgezonden zorgt er echter voor dat het hele proces mechanisch regelbaar wordt.

De fragmenten beginnen meteen na hun ontstaan te vervallen en hierbij worden niet alleen bèta-, maar ook gammastralen uitgezonden. Bovendien moet men bedenken dat het uitzenden van een bètadeeltje steeds gepaard gaat met het uitzenden van een neutrino (een elektrisch neutraal deeltje met zeer kleine massa en een zeer hoge snelheid).

Het is duidelijk dat men bij het berekenen van de totale warmte die in een kernreactor vrijkomt bij de splijting van uranium-235 geen rekening kan houden met de afzonderlijke kernreacties, maar moet werken met gemiddelden. Zoals opgemerkt komen er bij deze reacties 2 à 3 neutronen vrij en het gemiddelde aantal is 2.44 (genomen over alle voorkomende splijtingsreacties).

Gemiddeld genomen is de totale energie die bij één splijting vrijkomt als volgt verdeeld:

Bij de splijting zelf:

kinetische energie van de splijtingsfragmenten: 167 MeV

kinetische energie van de splijtingsneutronen: 5 MeV

gamma-straling tijdens de splijting: 7 MeV

Bij het verval van de splijtingsfragmenten:

gamma-straling: 5 MeV

bèta-straling: 5 MeV

energie van de neutrino’s: 11 MeV

Totaal: 200 MeV

Bronnen: M.Alonso en E.J.Finn (1994): Kernfysika. Elsevier (2004): Nuclear Engeneering.

Doordat de neutrino’s en de gamma-straling van de splijtingsfragmenten gewoonlijk uit het splijtingsmateriaal ontsnappen blijft er ongeveer 185 MeV per reactie over.

2.6 De bijkomende reacties in een thermische reactor: de vorming van transuraanelementen Naast bovengenoemde reacties waarbij de neutronen uranium-235 tot splijting brengen vindt er in de reactor nog een geheel ander soort reacties plaats, namelijk die waarbij de neutronen inwerken op het in overvloed aanwezige uranium-238. De (thermische) neutronen gaan te langzaam om een uranium-238-kern tot splijting te brengen, maar ze kunnen wel door een dergelijke kern worden ingevangen, waardoor een iets zwaardere en zeer onstabiele uranium-239-kern ontstaat. Deze laatste kern vervalt vervolgens spontaan tot een neptunium-239-kern en deze vervalt weer tot een plutonium-239-kern.

In officiële notatie:

²³⁸₉₂U + ¹₀n à ²³⁹₉₂U à ²³⁹₉₃Np à ²³⁹₉₄Pu

( γ ( ⁰_-1e ( ⁰_-1^e

Plutonium-239 is stabiel (halveringstijd 24400 jaar) en is net als uranium-235 een goede splijtstof, die zowel door langzame als door snelle neutronen kan worden gespleten. Het kan langs chemische weg van uranium worden afgezonderd en later opnieuw in een reactor als brandstof worden gebruikt. Het kan ook worden gebruikt voor het maken van atoombommen. Het is slechts licht radioactief en zendt weinig doordringende en op zichzelf onschadelijke alfa-straling uit. Ongelukkigerwijze echter is de chemische samenstelling van plutonium zodanig dat het zich gemakkelijk ophoopt in de lever en in de botten en juist op deze plaatsen is alfa-straling buitengewoon schadelijk en kan daar kanker veroorzaken.

Elementen als neptunium en plutonium hebben een atoomnummer groter dan dat van uranium (92) en worden daarom “transuranen” genoemd. Ze komen niet in de natuur voor en kunnen slechts kunstmatig worden gemaakt. In een reactor kan het proces van het invangen van neutronen zich herhalen en zo kunnen uit Pu-239 de isotopen Pu-240, Pu-241, Pu-242 en Pu-243 ontstaan. En hieruit kunnen door bèta-verval weer nog zwaardere elementen ontstaan, zoals americium (95) en curium (96), en vervolgens een reeks steeds zwaardere elementen met atoomnummers tot ver over de honderd. Deze elementen hebben een remmende werking op de kettingreactie in de kernreactor en hoe langer het splijtingsmateriaal hierin verblijft hoe meer van deze elementen er ontstaan. De chemische eigenschappen van deze elementen komen nagenoeg overeen met die van actinium en daarom worden ze vaak “actiniden” genoemd. De volgende tabel geeft aan hoe ze door een proces van invangen van neutronen en van bèta-verval ontstaan.

100. fermium																		25
99. einsteinium																22	23	24
98. californium													18	19	20	21
97. berkelium												16	17
96. curium							10	11	12	13	14	15
95. americium						8	9
94. plutonium		3	4	5	6	7
93. neptunium		2
92. uranium	0	1
	238	239	240	241	242	243	244	245	246	247	248	249	250	151	212	253	254	255

De vorming van transuranen uit U-238. In deze tabel komt het invangen van een neutron overeen met de verschuiving van een vakje naar rechts en het uitzenden van een elektron (bètaverval) met de verschuiving van een vakje naar boven.

2.7 De splijtstof vóór en na het gebruik Tijdens het gebruik neemt het gehalte aan U-235 in de splijtstof af, terwijl bovendien de meeste gevormde splijtingsproducten en actiniden sterk neutronen absorberend zijn, zodat de kettingreactie na verloop van tijd verzwakt en de splijtstof moet worden vernieuwd. De volgende tabel geeft een voorbeeld van de samenstelling van 1 kg splijtstof vóór en na het gebruik in een reactor die werkt met tot 3.5% verrijkt uranium:

Verse plijtstof	Verbruikte splijtstof
U-235 35.0 g	U-235 16.0 g
	U-236 3.4 g
	Splijtingsproducten 27.9 g
U-238 965.0 g	U-238 944.1 g
	Pu-239 8.6 g

Bron: http://www.nrg-nl.com/public/kernenergie_nl/01.html

Uit deze tabel blijkt dat tijdens het proces het gehalte aan U-235 is gedaald met 35.0 – 16.0 = 19.0 gram en het gehalte aan U-238 met 965.0 – 944.1 = 20.9 gram. Daar zijn U-236, splijtingsproducten (met inbegrip van actiniden) en Pu-239 voor in de plaats gekomen.

Berekening van het percentage nuttig gebruikt uranium Uit deze gegevens kan berekend worden welk deel van het uranium is verspleten en omgezet in warmte. Letten we eerst op het U-235. Hiervan is 19.0 gram verdwenen. Theoretisch (zie 2.4) wordt van U-235 door thermische neutronen 85.1% verspleten en 14.9% door neutronenvangst omgezet in U-236. Dat betekent hier dat 0.851 x 19.0 = 16.2 gram zou moeten zijn verspleten en 0.149 x 19.0 = 2.8 gram omgezet in U-236. Dit laatste komt niet precies overeen met de 3.4 gram uit de tabel, maar wijkt er toch ook weer niet al te veel van af.

Kijken we vervolgens naar het U-238. Hiervan is 20.9 gram verdwenen en we kunnen in eerste instantie aannemen dat dit via Np-239 geheel is omgezet in Pu-239. Aangezien er volgens de tabel nog 8.6 gram Pu-239 in het splijtingsmateriaal is achtergebleven moet er 20.9 – 8.6 = 12.3 gram Pu-239 zijn verdwenen. Hiervan wordt volgens de theorie 72.2% verspleten en 27.8% omgezet in het niet splitsbare Pu-240. Dat betekent hier dat 0.722 x 12.3 = 8.9 gram moet zijn verspleten en 0.278 x 12.3 = 3.4 gram omgezet in Pu-240 en vervolgens weer in hogere actiniden.

Samenvattend kunnen we concluderen dat van het verrijkte uranium 19.0 – 3.4 = 15.6 gram is verspleten via U-235 en 8.9 gram via U-238 en het daaruit gevormde Pu-239 (zie verder § 7.3).

We kunnen ook globaal berekenen hoeveel het gevormde Pu-239 heeft bijgedragen aan de totale warmteproductie in de reactor, dit is namelijk (als we aannemen dat het versplijten van U-235, U-238 en Pu-239 per gram evenveel warmte oplevert) 8.9 : (15.6 + 8.9) x 100 = 36%. Hierbij moet worden opgemerkt dat dit percentage de totale bijdrage is en dat de momentane bijdrage gedurende de tijd dat de splijtstofstaven in de reactor hebben verbleven bij nul is begonnen en daarna gestaag gegroeid. De momentane bijdrage tegen de tijd dat deze staven werden vervangen moet dus aanzienlijk meer dan 36% zijn geweest.

2.8 De praktische uitvoering van de gangbare thermische reactoren Bij de “beschieting” van uranium-235 met neutronen geldt dat hoe langzamer deze neutronen bewegen, hoe groter de kans is dat ze een kernsplitsing te weeg brengen (dat wordt hierdoor verklaard dat langzame neutronen langer in de directe nabijheid van de betreffende kernen verblijven en daardoor een grotere kans hebben daarmee in wisselwerking te treden). De bij de splijting vrijkomende neutronen gaan echter zeer snel, te snel om een kettingreactie te veroorzaken. <S&V235> Daarom moeten ze worden vertraagd en dit gebeurt door ze een dikke laag te laten doorlopen van een materiaal dat ze afremt. Een dergelijk materiaal heet een “moderator” en de drie meest gebruikte moderatoren zijn grafiet, zwaar water en gewoon water.

Er bestaan voor het modereren van de neutronen allerlei constructies. Een veel gebruikte constructie is die waarbij dunne splijtstofstaven rechtstreeks in het moderatormateriaal zijn geplaatst. Deze staven moeten dan een zodanige onderlinge afstand hebben dat de neutronen die door een bepaalde staaf worden uitgezonden wanneer ze bij een naburige staaf aankomen zoveel zijn afgeremd dat ze juist de vereiste snelheid hebben gekregen. Naast de moderator zijn er in de reactor voor het regelen van de kettingreactie nog regelstaven aanwezig die meer of minder diep tussen de brandstofstaven kunnen worden geschoven. Zij zijn gemaakt van materiaal dat neutronen absorbeert, bijvoorbeeld cadmium. Zij kunnen desgewenst de kettingreactie vertragen of geheel stilleggen.

Een tweede belangrijk onderdeel van een kernreactor is de inrichting die de door de splijtstof opgewekte warmte afvoert. Dit gebeurt gewoonlijk door water of door een gas (bijvoorbeel CO₂) onder hoge druk door de reactor te pompen. De afgevoerde warmte gaat naar een stoomturbine en wordt vervolgens met een dynamo omgezet in elektriciteit. Samenvattend kan men zeggen dat het type waartoe een thermische reactor behoort vooral wordt bepaald door twee onderdelen: de moderator (grafiet, zwaar water of gewoon water) en de warmteafvoer (water of gas).

Direct na de tweede wereldoorlog bezaten verschillende westerse landen een eigen programma voor de ontwikkeling van kernenergie en daardoor ontstonden er verschillende typen thermische reactoren. In Engeland en Frankrijk bouwde men reactoren die werden gemodereerd met grafiet en gekoeld met gas (CO₂). Deze werkten met natuurlijk uranium. Aangezien grafiet geen sterke modererende werking heeft was er bij deze reactoren veel grafiet nodig en daardoor werden ze erg groot en zwaar. Bovendien waren ze economisch niet erg rendabel.

In de V.S. volgde men een andere ontwikkelingslijn. Hier werd in 1954 de Nautilus te water gelaten en deze bezat een watergemodereerde en watergekoelde reactor. Deze was veel kleiner, maar moest wel gebruik maken van licht verrijkt uranium. Dit type reactor was zeer succesvol en vond toepassing in een groot aantal civiele kerncentrales. In de Sovjet-Unie werd een overeenkomstig type ontwikkeld. Omstreek 1970 ging ook Frankrijk op dit type over en omstreeks 1980-1990 volgde Engeland. Ze worden in licentie gebouwd naar het Amerikaanse voorbeeld. Ook de in Nederland in 1973 in bedrijf gekomen reactor in Borssele is van dit type.

Het gaat hier om een zogenaamde drukwaterreactor (Pressurized Water Reactor: PWR). Hierbij is het reactorvat gevuld met water dat tegelijkertijd dient als moderator en als middel om de door de splijtstofstaven geproduceerde warmte af te voeren. Dit water staat vervolgens via een warmtewisselaar zijn warmte af aan een ketel waarin kokend water stoom produceert. Deze stoom gaat naar een turbine die is verbonden aan een generator die elektriciteit produceert.

Veiligheidsmaatregelen De temperatuur van deze reactoren wordt in eerste constant gehouden door het mechanisme van de regelstaven: wanneer de temperatuur hoger wordt dan de gewenste temperatuur worden deze staven dieper tussen de splijtstofelementen geschoven zodat de intensiteit van de kettingreactie daalt en de warmteproductie vermindert. Wanneer omgekeerd de temperatuur lager wordt dan de gewenste temperatuur worden deze staven naar buiten geschoven zodat de intensiteit van de kettingreactie toeneemt en de warmteproductie toeneemt. Zo schommelt de temperatuur binnen nauwe grenzen.

Vaak wordt de vraag gesteld wat er gebeurt als dit automatische regelmechanisme hapert. In dat geval treden er twee “inherente” processen in werking die er voor zorgen dat de temperatuur niet te hoog kan oplopen. In de eerste plaats geldt er voor de splijtstof dat als de temperatuur stijgt de absorptie van de neutronen door het U-238 toeneemt (het Doppler-effect), zodat de intensiteit van de kettingreactie daalt en er minder warmte wordt geproduceerd. In de tweede plaats geldt er voor het koelwater dat als dit heter wordt de dichtheid afneemt en en daarmee ook de modererende werking er van afneemt. Dit betekent dat de neutronen minder worden vertraagd en ook dit heeft tot gevolg dat de intensiteit van de kettingreactie afneemt en de warmteproductie afneemt. Algemeen wordt van een moderne reactor geëist dat hij een “negatieve temperatuur-coëfficient” heeft, dat wil zeggen dat de warmteproductie daalt als de temperatuur stijgt. .

Een andere vraag die vaak wordt gesteld is wat er gebeurt als het koelwater in het reactorvat plotseling wegstroomt doordat ergens een lek is opgetreden. In dat geval zal de modererende werking van het koelwater geheel wegvallen en zal de nucleaire kettingreactie stoppen. Maar hiermee is het probleem nog niet opgelost want ook als de kettingreactie is gestopt zal het natuurlijke verval van de radioactieve elementen in de splijtstofstaven doorgaan en gedurende enige tijd nog een aanzienlijke hoeveelheid warmte ontwikkelen (deze daalt in de eerste 24 uur die volgt op het stoppen van de kernreactie van 7.5% naar 0.3%). Daarom is er altijd een noodkoelsysteem aanwezig. Bij het ongeluk in Harrisburg (1979) werkte dit noodkoelsysteem niet goed, waardoor de temperatuur van de splijtstofstaven steeg tot boven de 1000 graden en het zirconium van de staven een chemische reactie aanging met het water. Hierbij werd waterstofgas ontwikkeld, dat via een defecte klep ontsnapte en een ontploffing te weeg bracht. De ramp in Tsjernobyl (1986) had een ander karakter: hierbij werden bij een ondoordacht experiment drie automatische beveiligingssystemen uitgezet, waarna de reactorkern oververhit raakte en een felle brand ontstond in het grafiet. Afgezien van het onverantwoord optreden van het personeel bezat ook het ontwerp van deze reactoreen riskant elementen: de temperatuur-coëfficient hiervan was positief. Vooral in “het westen” heeft men uit deze rampen veel lering getrokken en is men nog meer gaan zoeken naar inherente beveiligingsmechanismen.

Afgezien van dergelijke mechanismen streeft men er naar de reactor als geheel zo stevig te bouwen dat er geen radioactief materiaal naar de buitenwereld kan ontsnappen. In de reactor in Borssele bijvoorbeeld bestaat de wand van het reactorvat uit 18 cm dik staal. Dit reactorvat en de andere radioactieve onderdelen zijn omgeven door een omhulling van gewapend beton die de straling tegenhoudt. Dit alles wordt omgeven door een “containment” (insluitingsvat) dat in staat moet zijn bij iedere calamiteit in de reactor de radioactiviteit binnen te houden. Het containment bestaat uit een grote cilindervormige constructie met een koepelvormig dak. De wand hiervan is 1 tot 1.5 meter dik en bestaat uit een stalen binnenwand en een buitenwand van gewapend beton. Ook de reactor in Harrisburg was voorzien van een dergelijk containment en deze heeft naar behoren gewerkt en de ontploffing opgevangen, zodat er geen slachtoffers zijn gevallen. Maar de reactor in Tsjernobyl bezat geen containment, met als gevolg dat er veel radioactief materiaal de atmosfeer in werd geblazen.

Literatuur: F.R.Bogtstra (1981): Kernenergie.

2.9 Het gebruik van MOX Bij de thermische reactor kan het rendement worden vergroot door de gebruikte splijtstof gedeeltelijk te hergebruiken. Men kan deze in een opwerkingsfabriek zuiveren van storende elementen en houdt dan een materiaal over dat bestaat uit een mengsel van uraniumoxyde en plutoniumoxyde. Dit materiaal wordt “MOX” genoemd (Mixed OXyde). Het bevat de goed splijtbare isotopen ²³⁵UO₂ en ²³⁹PuO₂ en kan gebruikt worden in een volgende cyclus van de reactor. Het ²³⁹PuO₂ splijt op vrijwel dezelfde wijze als ²³⁵UO₂ en heeft een daarmee vergelijkbare warmteontwikkeling. Momenteel kan het uranium in de splijtstofstaven voor omstreeks een derde deel worden gemengd met MOX, waardoor 30 tot 40% meer energie uit dezelfde hoeveelheid uranium kan worden gehaald en tegelijkertijd het op de wereld bestaande overschot aan plutonium niet verder wordt vergroot. Er wordt onderzoek verricht naar het gebruik van 100% MOX.

Bij het gebruik van MOX wordt het uranium beter benut, maar er twee factoren die een algemeen gebruik van MOX in de weg staan. De eerste factor is economisch. Kernenergie moet concurreren met fossiele energie en uranium is sinds omstreeks 1980 zo goedkoop dat het vaak voordeliger is om steeds nieuw aangevoerd uranium te gebruiken dan om gebruikt splijtingsmateriaal te recyclen. De tweede factor is van politieke aard. Wanneer MOX op grote schaal wordt toegepast kan het, vooral als het object wordt van internationale handel, gemakkelijk in verkeerde handen vallen en als grondstof dienen voor de productie van hoogverrijkt plutonium en dus van atoomwapens.

Opmerking De term “mixed oxyde” behoeft enige toelichting. In de splijtstofstaven van de eerste reactoren werd vaak metallisch uranium gebruikt, maar in de hedendaagse watergekoelde thermische reactoren wordt gewoonlijk gebruikt gemaakt van uraniumdioxyde (UO₂). Aangezien de aanwezigheid van zuurstofatomen geen invloed heeft op de kernreacties is het gebruikelijk ze in de vergelijkingen die deze reacties weergeven weg te laten. Ook de in de splijtstofstaven gevormde afvalproducten bestaan overwegend uit oxyden.

2.10 De High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR) Een moderne ontwikkeling van de thermische reactor is de bij hoge temperatuur werkende, gasgekoelde reactor. Men kan deze beschouwen als een verdere ontwikkeling van de reeds genoemde in Engeland en Frankrijk gebouwde grafietgemodereerde en gasgekoelde reactoren. Bij het nieuwe type is echter, aangezien volgens de wetten van de thermodynamica het rendement van een stoomturbine stijgt met de temperatuur, naar een veel hogere temperatuur gestreefd. Daarom wordt er als splijtstof geen uranium-dioxide gebruikt, maar uranium-carbide, dat een hoger smeltpunt heeft. Er wordt om de splijtstof bijeen te houden ook geen gebruik gemaakt van metalen splijtstofhulzen, maar van keramisch materiaal dat bestand is tegen zeer hoge temperaturen.

Bij deze reactor bevindt de splijtstof (bijvoorbeeld 8-17% verrijkt uraniumcarbide) zich in kleine bolletjes van minder dan één mm diameter. Deze bolletjes, de zogenaamde “coated particles”, zijn voorzien van een harde keramische buitenlaag. De splijtstofelementen zijn nu lichamen van grafiet (de moderator) waarin de “coated particles” min of meer regelmatig zijn verspreid. Al naar gelang de constructie van de reactor kunnen deze splijtstofelementen verschillende vormen hebben: staven, piramidevormige blokken of ronde kogels. Als koelmiddel dient heliumgas dat door de spleten tussen de splijtstofelementen wordt gepompt. Dit gas staat dan verderop in het circuit zijn warmte weer af aan een stoomturbine.

2.11 De kogelbedreactor Een veelbesproken uitvoering van de HTGR is de voor het eerst in 1967 in het Duitse plaatsje Jülich in gebruik genomen kogelbedreactor. De splijtstofelementen hierin hebben de vorm van kogels met een diameter van omstreeks 6 cm. In de kern van deze kogels bevinden zich, verspreid in grafiet, de bovengenoemde “coated particles”. Verder zijn deze kogels voorzien van een van een buitenlaag van hard, keramisch materiaal.

De kogels, enkele tienduizenden in aantal, bevinden zich in een reactorvat dat aan de onderkant uitloopt in een trechter. Ze kunnen in het reactorvat naar beneden zakken en terwijl de reactor in bedrijf blijft worden vervangen. Kogels waarvan de splijtstof nog niet is opgebruikt en die niet zijn beschadigd kunnen opnieuw worden gebruikt. Het koelmiddel heliumgas wordt door de open ruimten tussen de kogels gepompt.

Dit type reactor voldoet aan hoge eisen van veiligheid. In de eerste plaats is zijn temperatuur-reactiviteitscoëfficient negatief: wanneer de temperatuur van de splijtstofkogels stijgt zetten ze uit en daardoor daalt de intensiteit van de kettingreactie en dus ook van de warmteproductie en de temperatuur. Naar aanleiding van het ongeval in Harrisburg (1979) zijn nog verdere veiligheidsmaatregelen getroffen zodat kernsmelting uitgesloten is. Zo is het reactorvat lang en smal zodat de warmte altijd kan worden afgevoerd, hierdoor is een noodkoelsysteem niet nodig. Ook regelstaven zijn niet nodig. Verder blijft het vermogen beperkt tot maximaal 200 megawatt. Voor een grote elektriciteitscentrale moeten er dus meerdere reactoren naast elkaar worden gebouwd, vandaar dat men tegenwoordig spreekt van “Pebble Bed Modular Reactor” (PBMR).

In 1988 zijn de twee Duitse kogelbedreactoren stilgelegd. Dat neemt echter niet weg dat hun concept nog altijd als veelbelovend wordt beschouwd en één van de redenen hiervoor is dat ze gebruik maken van een “once-through”-proces en afvalmateriaal opleveren waaruit het moeilijk is uranium of plutonium af te zonderen dat geschikt is voor de vervaardiging van atoomwapens. In Zuid-Afrika wordt momenteel door een internationaal consortium een kogelbedreactor gebouwd die in 2006 operationeel moet zijn en in 2010 ingezet moet worden voor commerciële productie. Ook in China wordt een dergelijke reactor gebouwd.

2.12 De thermische “bijna-kweekreactor” met thorium als kweekstof Bij de gangbare thermische reactoren wordt warmte ontwikkeld door het splijten van U-235 en daarnaast wordt nieuw splijtbaar materiaal gevormd door de omzetting van U-238 in plutonium-239. Zoals reeds ter sprake is gekomen kan een deel van deze nieuw gevormde splijtstof in de vorm van MOX weer in een reactor worden gebruikt. Hierdoor wordt het uranium beter benut, maar de verbetering van het rendement blijft toch beperkt. Theoretisch blijkt (zie § 3.2) dat het niet mogelijk is om een thermische “kweekreactor” te bouwen, dat wil zeggen: een reactor die meer splijtstof produceert dan hij verbruikt.

Er bestaat echter wel een mogelijkheid om een veel rendabeler thermische reactor te bouwen en deze heeft bovendien het voordeel dat hij de mogelijkheid biedt om naast uranium een tweede bron van nucleaire energie te gaan gebruiken, namelijk thorium. Dit element is als delfstof minder zeldzaam dan uranium. De bereidingswijze er van is tamelijk ingewikkeld en de prijs lag in 2001, afhankelijk van de zuiverheid, tussen de 56 en 107 dollar per kg.

Thorium komt in de natuur voor als thorium-232 en is zelf niet splijtbaar. Het kan echter door het invangen van thermische neutronen overgaan in thorium-233 en daarna vervallen tot protaktinium-233 en vervolgens tot U-233. Dit gebeurt dan volgens de reactie:

²³²₉₀Th + ¹₀n Ò ²³³₉₀Th Ò ²³³₉₁Pa (+ ⁰_-1e) Ò ²³³₉₂U + ⁰_-1e

Het gevormde U-233 is goed splijtbaar en neemt deel aan de kettingreactie waarbij warmte wordt geproduceerd en tevens voldoende neutronen om nieuw thorium-232 om te zetten in uranium-233. Hierdoor ontstaat een cyclus. Het gevormde U-233 is echter niet genoeg om de kettingreactie in stand te houden en daarom spreekt men hier van een “near-breeder” (bijna-kweekreactor).

De meeste ervaring met thorium als kweekstof is opgedaan met de bij hoge temperatuur werkende gasgekoelde reactor (HTGR). Een voorbeeld is de speciaal voor het gebruik van thorium gebouwde kogelbedreactor die in 1985 in de Duitse stad Hamm-Uentrop in gebruik werd genomen. Deze reactor is een verdere ontwikkeling van de boven beschreven kogelbedreactor in Jülich, maar terwijl in de reactor in Jülich als splijtstof (in de “coated particles”) alleen verrijkt uraniumcarbide wordt gebruikt, wordt in de reactor in Uentrop een mengsel gebruikt van een deel (hoogverrijkt) uranium-carbide en een deel thoriumcarbide. Overigens is ook deze reactor na drie jaar in gebruik te zijn geweest in 1988 stilgelegd. Maar India, waar veel thorium in de bodem zit, heeft een ambitieus thorium-programma en wil in 2010 een dergelijke reactor in gebruik hebben.

3. De snelle reactor

3.1 De snelle reactor (zonder kweekbedoeling) Dit type reactor heet “snel” omdat het rechtstreeks werkt met de snelle neutronen die bij de splijting van U-235 vrijkomen. Deze neutronen hebben een kinetische energie van 2-3 MeV en in de thermische reactor worden ze met behulp van een moderator meer dan duizendvoudig vertraagd tot ca. 0.025 eV om optimaal nieuwe splijtingen van U-235-kernen te weeg te kunnen brengen. In de snelle reactor is echter geen moderator aanwezig en worden ze gebruikt op hun oorspronkelijke snelheid. Weliswaar is de kans op het spijten van U-235 met snelle neutronen kleiner dan bij thermische neutronen, maar dat kan worden ondervangen door sterk verrijkt uranium te gebruiken. Hierin is meer U-235 aanwezig, zodat de trefkans van de neutronen groter is. Bovendien is er minder U-238 aanwezig dat de neutronen kan wegvangen.

3.2 De snelle kweekreactor Zoals in het voorgaande is besproken bezitten de reactoren die U-235 als splijtstof gebruiken door de omzetting van U-238 in plutonium een kweekeffect. Bij thermische reactoren is dit effect betrekkelijk gering, bij snelle reactoren kan het enigszins worden opgevoerd. Maar het is niet mogelijk om uitgaande van U-235 een echte kweekreactor te construeren. Wanneer namelijk een U-235-kern door een neutron wordt gespleten ontstaan er gemiddeld 2.44 nieuwe neutronen. Hiervan is minstens één neutron nodig voor het in stand houden van de kettingreactie, zodat er per splitsing maximaal 1.44 neutronen overblijven om nieuwe splijtbare kernen te kweken. Bedenkt men dat een deel hiervan verloren gaat door absorptie en weglekken, dan is het duidelijk dat het splijten van U-235 geen gunstig uitgangspunt vormt om meer splijtstof te kweken dan men verbruikt.

Een veel gunstiger uitgangspunt vormt het splijten van plutonium-239, waarbij per splitsing geen 2 à 3, maar 3 à 4 nieuwe neutronen worden vrijgemaakt. Daarom richten de ontwerpers van kweekreactoren zich vooral op plutonium als splijtstof. Een dergelijke reactor kan dan bijvoorbeeld zijn opgebouwd uit een kern bestaande uit staven die zowel de splijtstof plutonium-239 als de kweekstof uranium-238 bevatten, omgeven door een kweekmantel bestaande uit staven die natuurlijk uranium bevatten of verarmd uranium dat ontstaan is bij de productie van verrijkt uranium. In het centrum van de kern vindt dus splijting van Pu-239 plaats en wordt tevens nieuw Pu-239 gekweekt dat meteen deelneemt aan de kettingreactie, terwijl in de mantel uitsluitend nieuw Pu-239 wordt gekweekt. De staven uit de mantel kunnen te zijner tijd worden verwijderd en in een opwerkingsfabriek kan het Pu-239 er uit worden afgezonderd.

Aangezien het kweken van Pu-239 effectiever verloopt met snelle dan met thermische neutronen is hier geen moderator aanwezig. Wel moet de splijtstof Pu-239 in de kern een hoge concentratie hebben, in de literatuur worden percentages genoemd van 15 tot 35%. Als koelmiddel moet een materiaal worden gebruikt dat geen vertragende invloed heeft op de neutronen en tevens een goede warmteoverdracht heeft, bijvoorbeeld vloeibaar metaal (natrium, kalium, lood).

Zoals in § 7.3 zal worden berekend wordt bij de thermische reactor slechts omstreeks een half procent van de in het uranium aanwezige energie benut, terwijl het bij een snelle kweekreactor mogelijk is minstens een 60 maal beter rendement te verkrijgen.

Het in Nederland bekendste type snelle kweekreactor is waarschijnlijk wel het type dat gebouwd zou worden in Kalkar. Het was een met vloeibaar natrium gekoelde reactor (natrium is bij 1 atmosfeer vloeibaar tussen 98 en 885 ⁰ C). Omdat het natrium in het reactorvat radioactief wordt zijn er in een dergelijke reactor twee gescheiden natriumkringlopen aangebracht.

De bouw van deze reactor begon in 1973, maar werd aan het eind van de jaren tachtig stilgelegd. Daarvoor waren verschillende redenen. In de eerste plaats was men in deze tijd zeer onder de indruk van de ramp in Tsjernobyl (1986). Verder wantrouwden sommige deskundigen de koeling door middel van natrium, dit metaal is namelijk sterk corroderend en als het in aanraking komt met water kan het explosief reageren. Maar ook de uraniumprijs speelde een rol: deze was tussen 1987 en 1989 gekelderd van 65 dollar naar 30 dollar per kg en bij deze prijs loonde het niet meer om nieuwe splijtstof te kweken (zie § 7.1). Toch is de bij de centrale in Kalkar opgedane ervaring niet verloren gegaan en speelt een mede een rol bij de hedendaagse ontwerpen (zie § 7.4).

3.3 De atoombom Wanneer er een voldoend grote hoeveelheid zuiver U-233, U-235 of Pu-239 bijeen wordt gebracht ontstaat er spontaan een kettingreactie met een explosief verloop. De grens waarbij deze reactie optreedt heet de “kritische massa”. Een atoombom bestaat uit twee hoeveelheden van een dergelijke splijtstof met een zodanige grootte dat de kritische massa wordt overschreden als ze bij elkaar worden gebracht. Er geldt dat hoe zuiverder de splijtstof is hoe kleiner de kritische massa. De verklaring hiervan is dat voor het verkrijgen van een ontploffing al het materiaal in een zeer korte tijd tot splitsing moet worden gebracht en de kettingreactie dus tot stand moet worden gebracht met snelle neutronen. Er moet dus zo weinig mogelijk neutronen absorberend U-238 aanwezig zijn. De kritische massa van zuiver U-235 is 15 kg.

Tijdens de tweedewereldoorlog produceerden de Amerikanen twee verschillende typen atoombom. Het eerste type was een uraniumbom. Het daarvoor benodigde U-235 werd verkregen door natuurlijk uranium door middel van een herhaald gasdiffusieproces stap voor stap te verrijken. Het tweede type was een plutoniumbom. Het daarvoor benodigde Pu-239 moest in een kernreactor worden geproduceerd. Hiervoor werd in 1942 onder leiding van Fermi ’s werelds eerste kernreactor gebouwd, de zogenaamde “Chicago-Pile”. De bom die op 6 augustus 1945 boven Hiroshima werd afgeworpen was een uraniumbom en die welke op 9 augustus boven Nagasaki werd afgeworpen een plutoniumbom.

De ontploffing van een atoombom, vooral bovengronds, veroorzaakt veel schadelijke fall-out. Vooral schadelijk is strontium-90, dat sterk radioactief is en een halveringstijd heeft van 28.1 jaar. Bovendien heeft het een grote chemische verwantschap met calcium, waardoor het gemakkelijk de plaats kan innemen van het calcium in de beenderen en daar langdurig kan blijven stralen. Een tweede effect van een atoomontploffing is dat de daarbij vrijkomende straling de atmosfeer radioactief maakt en de hierbij ontstane materialen zich door de wind over grote afstanden kunnen verspreiden.

4. Het totale productieproces bij kernenergie

4.1 Het “once through”-proces en de splijtstofcyclus Wanneer men de voor- en nadelen van de productie van elektriciteit met behulp van kernenergie wil beoordelen moet men alle fasen van dat proces in ogenschouw nemen. De eenvoudigste vorm hiervan is een proces waarbij de splijtstof maar éénmaal wordt doorgevoerd en het afvalmateriaal direct wordt opgeslagen. Dit kan als volgt schematisch worden weergegeven:

Kernenergieproductie m.b.v. een “once through” - proces

Dit proces heeft het nadeel dat de splijtstof hierin op een onrendabele wijze wordt gebruikt. Een veel beter rendement krijgt men wanneer het afvalmateriaal wordt “opgewerkt” en vervolgens gedeeltelijk opnieuw gebruikt. Men krijgt dan:

Kernenergieproductie m.b.v. een cyclus.

Hoewel dit totale productieproces vaak wordt aangeduid als de “splijtstofcyclus” is er strikt genomen alleen sprake van een kringloop in een beperkt deel daarvan, namelijk de versplijting in de reactor en de bewerking in de opwerkingsfabriek. Bij een thermische reactor kan eventueel hergebruik slechts op beperkte schaal plaats vinden en dat gaat dan als volgt. Eerst worden in de opwerkingsfabriek het ongebruikt gebleven uranium en het nieuw gevormde plutonium afgezonderd (zie § 4.6). Daarna zijn er twee mogelijkheden: men kan het uranium zenden naar de verrijkingsfabriek en het plutonium beschouwen als afval, maar men kan ook een mengsel van het uranium en het plutonium (MOX) zenden naar de splijtstofelementenfabriek. Bij een kweekreactor wordt alle plutonium teruggevoerd en is er meer reden om te spreken van een echte kringloop. Maar het zou een misvatting zijn te menen dat hiermee, al was het maar in theorie, een soort perpetuum mobile zou kunnen worden gerealiseerd. In een kweekreactor wordt namelijk wel een veel groter deel van het U-238 nuttig gebruikt dan in een “gewone” reactor, maar deze grondstof wordt op den duur toch opgebruikt.

In de Verenigde Staten is in 1977 een wet aangenomen waarin alle opwerking van gebruikte splijtstof is verboden. Dit voorbeeld is door enkele landen nagevolgd (Canada, Spanje, Zuid-Afrika), maar in Europa, Rusland, India, China en Japan wordt op grote schaal bij thermische centrales recycling toegepast. Over een nog verder gaande stap, recycling door middel van kweekreactoren, zijn de meningen verdeeld.

4.2 De uraniummijn De belangrijkste uraniummijnen bevinden zich in Canada en Australië. Uranium komt in de natuur steeds in lage concentratie (bv. 0.1%) vermengd met andere ertsen voor. De chemische samenstelling wordt vaak aangeduid als U_3-4O₈, een stof die men kan opvatten als een mengsel van verschillende uraniumoxyden. In kristalachtige vorm heet deze stof “uraniniet” en in meer colloïdale vorm “uraanpekblende”.

Uraanhoudende ertsen komen zowel aan de oppervlakte als dieper in de grond voor. Het erts wordt op conventionele manier gedolven, hierna wordt het vermalen en vervolgens uitgeloogd met zwavelzuur of natriumcarbonaat. Tenslotte wordt uit de zo ontstane uraniumoplossing uraniumoxyde neergeslagen. Het zo ontstane “yellowcake” bevat meer dan 80% uranium en is klaar voor transport.

Wanneer de uraniumhoudende ertslaag poreus is (en bovendien aan een aantal geologische voorwaarden is voldaan) kan uranium worden gewonnen door “in situ leaching” (ter plaatse uitloging). Hierbij wordt licht zuur of basisch water in de ertslaag gepompt en nadat het uraniumoxyde hierin is opgelost komt het elders weer aan de oppervlakte. Daarna wordt het op dezelfde wijze verwerkt als boven is besproken.

4.3 De verrijkingsfabriek Natuurlijk uranium bestaat voor 0.7% uit U-235 en voor 99.3% uit het iets zwaardere U-238. Om het gehalte aan U-235 te vergroten wordt dit natuurlijke uranium langs chemische weg omgezet in het gas UF₆ (uraniumhexafluoride). Dit gas bestaat dan uit een mengsel van moleculen die gevormd zijn uit U-235 en moleculen die gevormd zijn uit U-238. Beide soorten moleculen verschillen iets in gewicht en kunnen met fysische methoden van elkaar worden gescheiden. De oudste methode, die stamt uit de tweede wereldoorlog, is de herhaalde gasdiffusie. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het verschijnsel dat lichte moleculen sneller door een poreuze wand diffunderen dan zware. Moderner is de methode waarbij de twee soorten moleculen van elkaar worden gescheiden door middel van een zeer snel draaiende centrifuge (ultracentrifuge).

4.4 De fabricage van de splijtstofelementen De splijtstofelementen worden gefabriceerd in een aparte fabriek. Hierbij wordt eerst uraniumoxide geperst tot kleine cilindervormige staafjes of tabletten (“pellets”). Deze pellets worden geplaatst in ronde, holle buizen met een lengte van omstreeks 4 meter en een doorsnede van ruim een centimeter en vormen zo de splijtstofstaven. Aan het materiaal van deze buizen worden hoge eisen gesteld: het mag niet verbrokkelen onder een neutronenbombardement, het moet de neutronen ongehinderd doorlaten en het moet bestand zijn tegen hoge temperaturen. Geschikte materialen zijn onder andere roestvrij staal, magnox (een legering van magnesium, aluminium en beryllium) en zircaloy (zirconium-tin-ijzer). Deze splijtstofstaven worden samengebundeld tot splijtstofelementen, deze hebben een vierkante doorsnede en kunnen bijvoorbeeld 17x17 splijtstofstaven bevatten. De reactorkern bevat dan weer bijvoorbeeld 15x15 splijtstofelementen, maar aangezien de hoeken zijn afgerond krijgt deze enigszins de vorm van een cilinder. De doorsnede hiervan bedraagt zo’n 3 meter.

4.5 De reactor In de reactor produceren de splijtstofelementen warmte. In de reactor in Borssele gaan ze vier jaar mee, waarna ze worden vervangen. Zodra de afgewerkte splijtstofelementen uit de reactor worden gehaald stopt de kettingreactie, maar het verval van de splijtingsproducten gaat door, waardoor zij nog gedurende lange tijd radioactief blijven en warmte blijven produceren. Ze worden gedurende een periode van drie maanden tot een jaar opgeslagen in een waterbassin, waar zij worden gekoeld en hun radioactiviteit grotendeels kwijt raken. Hierna worden de splijtstofstaven in stukken van 5-10 cm geknipt en klaar gemaakt voor transport. Wanneer gebruik wordt gemaakt van een “one-through” proces wordt dit materiaal als afval beschouwd en opgeslagen, wanneer gebruik wordt gemaakt van een meer cyclisch proces wordt het naar een opwerkingsfabriek getransporteerd.

4.6 De opwerkingsfabriek Een grote opwerkingsfabriek kan het afgewerkte materiaal van zo’n 50 reactoren verwerken. Verreweg het meeste materiaal wordt verwerkt volgens het PUREX-procédé (Plutonium-Uranium EXtraction), waarbij plutonium en uranium worden gescheiden van de niet bruikbare afvalstoffen. Beide elementen kunnen voor 99% worden teruggewonnen.

Nadat het uranium en het plutonium zijn teruggewonnen kunnen ze op twee wijzen verder worden verwerkt. Wanneer men alleen het uranium (dat nog zo’n 1.60% U-235 bevat) wil hergebruiken, dan wordt dit afgevoerd en naar een verrijkingsfabriek getransporteerd (zie § 4.1). Wanneer men bovendien gebruik wil maken van het plutonium, dan wordt dit vermengd met uranium zodat er MOX ontstaat en dit kan rechtstreeks naar de splijtstofstavenfabriek worden gestuurd.

Het “PUREX”–procédé De gebruikte splijtstof bevat U-238, U-235, U-236, splijtingsproducten, Pu-239 en andere actiniden. Bij het PUREX-procédé worden de in stukken geknipte splijtstofstaven eerst opgelost in geconcentreerd salpeterzuur, waarbij o.a. jodium-129, jodium-131, krypton-85, tritium en koolstof-14 ontwijken. Hierna wordt de salpeterzuur-oplossing gemengd met een organische vloeistof, waarbij U en Pu naar deze vloeistof gaan en de splijtingsproducten en de hogere actiniden (vooral americium en curium) in de waterige fase achterblijven. De zich in de organische vloeistof bevindende elementen U en Pu worden vervolgens verder uitgezuiverd en de hoogradioactieve waterige vloeistof wordt als afval beschouwd. Dit afval wordt door indampen geconcentreerd en vervolgens opgeslagen.

De galvanische scheidingsmethode Het PUREX-procédé werd tijdens de tweede wereldoorlog ontwikkeld om zuiver plutonium te vervaardigen voor kernwapens. Na de oorlog verwachtte men dat er een economie zou ontstaan waarin plutonium vrij verhandelbaar zou zijn en gebruikt zou worden in snelle reactoren voor elektriciteitsopwekking. Maar in de periode hierna begon men zich steeds meer zorgen te maken over de proliferatie van kernwapens en als gevolg hiervan werd in 1968 het nonproliferatieverdrag gesloten. In een poging om nog meer zekerheid te krijgen werd in de V.S. in 1977 onder leiding van president Jimmy Carter de reeds genoemde wet aangenomen waarin alle opwerking van gebruikte splijtstof voor civiele doeleinden werd verboden. Hierbij dacht men als vanzelfsprekend aan opwerking met behulp van het PUREX-procédé.

Er bestaan echter ook alternatieve scheidingsmethoden. Een interessante mogelijkheid is de galvanische methode, waarbij het afvalmateriaal zich in opgeloste vorm bevindt in een bad waarin een positieve en een negatieve elektrode zijn geplaatst. Wanneer via de elektroden een elektrische stroom door de vloeistof wordt geleid slaan op de negatieve elektrode vooral de (positieve) ionen van uranium, plutonium en de andere actiniden neer. Op deze wijze wordt dus evenals bij het PUREX-procédé een mengsel van uranium en plutonium afgescheiden, maar het bevat bovendien de hogere actiniden. Dit mengsel is goed geschikt om als brandstof te dienen in snelle reactoren (niet in thermische reactoren), maar leent zich door de aanwezigheid van actiniden slecht voor het maken van kernwapens. Een ander voordeel is dat het goedkoop is.

Literatuur: Scientific American, Nederlandse uitgave, maart-april, 2006.

5. De afvalstoffen en hun verwerking

In het vorige hoofdstuk zijn de verschillende fasen in het productieproces van kernenergie besproken. We zullen nu de fasen bespreken die van bijzonder belang zijn in verband met het milieu en met hun politieke implicaties.

5.1 De uraniummijn Een eerste probleem bij de uraniumwinning is de radioactiviteit. Uranium zèlf is vrijwel niet radioactief, maar uraniumhoudend erts bevat ook de elementen die bij het natuurlijke verval van uranium ontstaan en hieronder bevinden zich de radioactieve elementen radium en het gasvormige radon-222 (zie § 1.8). Bij dieptemijnen wordt het erts eerst naar de oppervlakte gebracht, vervolgens wordt het uranium er uit gehaald en hierna wordt het afval weer opgeborgen in de mijnen. Bij deze werkwijze komt vrijwel geen radioactiviteit vrij. Ook “in situ leaching”, waarbij het erts diep onder de grond wordt opgelost in zuur of basisch water, is milieuvriendelijk. Bij bovengrondse mijnen wordt het restmateriaal aan de oppervlakte bewaard onder water, zodat er meren ontstaan. Deze meren moeten goed beheerd worden en daarom is deze werkwijze riskanter.

Een tweede probleem bij de uraniumwinning is het energiegebruik want wanneer deze energie wordt opgewekt met fossiele brandstof gaat dat gepaard met CO₂-uitstoot. Dit probleem doet zich speciaal voor bij minder rijke of bijna uitgeputte mijnen. Volgens sommige auteurs loopt in deze gevallen de CO₂-uitstoot zo hoog op dat de milieu-voordelen van kernenergie voor een groot deel te niet worden gedaan. Andere berekeningen zijn aanzienlijk optimistischer en stellen dat bij de elektriciteitsproductie bij kerncentrales de totale de CO₂-uitstoot slechts1-2% is van die bij kolencentrales. Bij zeer onrendabele mijnen zou dit kunnen oplopen tot 3%.

Literatuur: UIC (2005): Energy Balances and CO₂ Implications. Elsevier (2004): Uranium Mining, Processing, and Enrichment.

5.2 De verrijkingsfabriek Een verrijkingsfabriek produceert geen radioactieve stoffen en is wat dat betreft onschadelijk voor het milieu. Hij gebruikt echter wel veel elektriciteit en dit leidt, wanneer deze is opgewekt met behulp van fossiele brandstoffen, tot CO₂-uitstoot. Ook is hij politiek gezien problematisch. De installaties die natuurlijk uranium kunnen verrijken tot bijvoorbeeld 4% zijn namelijk in principe ook geschikt om dat uranium nog verder te verrijken tot bijvoorbeeld 90% en dan kan het gebruikt worden voor de vervaardiging van atoomwapens. Bij het verrijken van uranium ontstaat uiteraard verarmd uranium (U-238 met 0.25-0.30% U-235) en ieder jaar wordt hiervan 50 000 ton toegevoegd aan de inmiddels tot 1.2 miljoen ton aangegroeide wereldvoorraad. Verarmd uranium is vrijwel niet radioactief en wordt op kleine schaal gebruikt voor industriedoeleinden, bijvoorbeeld ter verharding van projectielen of om te dienen als tegenwicht in helikopterpropellers. In Nederland staat een verrijkingsfabriek van Urenco in Almelo, deze staat onder internationale controle. Zeer omstreden zijn de verrijkingsfabrieken van Iran en Noord-Korea.

5.3 De kernreactor Een moderne kernenergiecentrale stoot geen radioactieve stoffen uit en is wat dat betreft onschadelijk voor het milieu. Maar binnen in de centrale staat de reactor die grote hoeveelheden gebruikte splijtstof produceert. Deze bestaat uit:

1. Uranium – onschadelijk.

2. Splijtingsproducten – zeer radioactief.

3. Pu-239 – weinig radioactief maar zeer gevaarlijk bij inademen.

4. Andere actiniden – merendeels zeer radioactief.

De splijtstofelementen zijn op het moment dat ze uit de reactor worden verwijderd zeer radioactief. In de hierop volgende periode dat ze worden opgeslagen in een waterbassin verliezen ze circa 99% van hun radioactiviteit (na een jaar). . Hierna kunnen de splijtingsproducten in de opwerkingsfabriek worden verwijderd en opgeslagen. Na omstreeks 250 jaar zijn ze onschadelijk geworden.

Een heel ander probleem vormt het plutonium-239. Het heeft een halveringstijd van 24400 jaar en in de loop van de jaren is er op de wereld een groot plutoniumoverschot ontstaan. Dit is bedreigend voor het milieu en bovendien is het politiek riskant omdat plutonium-239 goed splijtbaar is en geschikt is voor het maken van atoomwapens. Toch bestaan er twee methoden om dit plutonium te verwerken. In de eerste plaats kan men het “verbranden” door de bestaande thermische centrales gedeeltelijk met plutonium te voeden. Deze centrales kunnen nu reeds zonder moeite voor 30% met MOX worden gevoed en er wordt studie verricht om dit op te voeren tot 100%. In de tweede plaats is het mogelijk reactoren te bouwen die geheel werken op plutonium.

Het grootste probleem vormen de andere in de reactor gevormde actiniden. Ze zijn merendeels sterk radioactief en hoewel hun hoeveelheden niet groot zijn is het bestaan van sommige daarvan hardnekkig. Hiervoor zouden op den duur speciale “actinidenverbranders” kunnen worden gebouwd.

Er wordt momenteel veel onderzoek gedaan naar levensduurverkorting van radioactief afval en fysisch gezien lijkt een aanzienlijke verkorting inderdaad mogelijk. Volgens een rapport van het ECN (1998) is levensduurverkorting van zo’n 250 000 jaar tot 1000 jaar zonder meer mogelijk. Met de ontwikkeling van betere afscheidingsprocédé’s en actinidenverbranders zou deze periode verder verkort kunnen worden tot 250 jaar. Enkele elementen zullen zich waarschijnlijk niet op deze wijze laten verwijderen en daarvoor blijft lange-termijnopslag dan noodzakelijk.

Een speciaal probleem vormt nog de kerncentrale zelf. De huidige kerncentrales kunnen zo’n dertig tot zestig jaar meegaan en moeten daarna worden stilgelegd en ontmanteld. Dit proces wordt aangeduid met de term “decommissioning”. Een voorbeeld hoe dit in zijn werk kan gaan levert de (kleine) kerncentrale in Dodewaard. Deze werd in 1968 in gebruik genomen en in 19.. viel het besluit hem stil te leggen. Hierna moest allereerst de hoogradioactieve splijtstof worden afgevoerd. Hierna zullen de niet essentiële bijgebouwen worden afgebroken en vervolgens zal de centrale worden dichtgemetseld en zal hij enkele tientallen jaren ongemoeid worden gelaten. In deze tijd zal een groot deel van de radioactiviteit zijn vervallen en kan hij verder worden afgebroken.

Literatuur: Slingerland (2004), ECN (1998): Levensduurverkorting Radioactief Afval (http://www.nrg-nl.com/public/ras/pagina01.html ).

5.4 De opwerkingsfabriek Een opwerkingsfabriek geeft veel meer risico voor het milieu dan een kerncentrale. De oorzaken hiervan zijn het noodzakelijke transport van zeer radioactief materiaal en vooral de bij het opwerkingsproces geproduceerde radioactieve afvalproducten.

Wanneer gebruik wordt gemaakt van het PUREX-procédé wordt langs chemische weg het overgebleven uranium en plutonium gescheiden van de splijtingsproducten en de andere actiniden. Van de hierbij vrij komende stoffen worden de J-129 en J-131 door filters tegengehouden, maar de vluchtige stoffen Kr-85, C-14 en H-3 worden geloosd in de atmosfeer of in het zeewater. In Japan is een centrale die ook het krypton uitfiltert en opslaat.

De twee grootste opwerkingsfabrieken staan in Sellafield (Engeland) en La Hague (Frankrijk) en samen beheersen ze meer dan 90% van de wereldproductie op dit gebied. Beide fabrieken zijn in het verleden meerdere malen in opspraak geraakt, hetgeen noopte tot de invoering van procédé’s die aan steeds strengere milieu-eisen voldeden. Sedert omstreeks 1990 ligt hun bijdrage aan de straling in hun omgeving beneden de 0.01-0.1 millisievert per jaar, terwijl de gemiddelde natuurlijke straling op aarde 2.4 millisievert per jaar is (de sievert is een eenheid om het biologisch effect van straling aan te geven).

Wanneer gebruik wordt gemaakt van de in § 4.6 besproken galvanische methode wordt het afvalprobleem, in theorie althans, veel beter oplosbaar. Bij deze methode worden namelijk de hogere actiniden, die het grootste probleem vormen, opnieuw gebruikt in een reactor en daar “verbrandt”. Ze komen dus niet in het afval terecht.

5.5 Bovengrondse opslag van afvalstoffen Laag- en middelactief afval van laboratoria en kerncentrales wordt bovengronds opgeslagen, in Nederland gebeurt dit bij de Centrale Organisatie Voor Radioactief Afval (COVRA) nabij Vlissingen. Na 100 jaar zal de radioactiviteit zijn verminderd tot 90% en is volumevermindering mogelijk. Op het terrein van de COVRA staat ook een gebouw voor de opslag van containers met hoogactief en langlevend afval.

5.6 Ondergrondse berging van afvalstoffen Aangezien bij hoogradioactief afval door het natuurlijk verval van de elementen vrij veel warmteontwikkeling optreedt moet ondergrondse berging van dit afval worden uitgesteld tot deze warmteontwikkeling voldoende is afgenomen. Er is veel onderzoek verricht naar voor ondergrondse berging geschikte locaties. Algemene eisen zijn dat deze plaats vindt in lagen die geologisch stabiel zijn en die niet toegankelijk zijn voor grondwater. Vast afval kan in de vorm van een afval-cement mengsel worden geborgen in steenzoutlagen. Vloeibaar afval kan worden geborgen in poreuze lagen die zijn afgesloten door ondoordringbare kleilagen.

Er zijn nog weinig landen die al een definitieve plaats voor de berging hebben aangewezen. In de V.S. heeft men hiervoor in 1987 in principe een plaats bij Yucca Mountain in Nevada uitgekozen en wil men omstreeks 2010 beginnen het momenteel op 131 verschillende plaatsen bovengronds opgeslagen afval daar te bergen. Aangezien in de V.S. uitsluitend centrales worden gebruikt met een “once-through” proces is deze hoeveelheid afval groot en zal de betreffende locatie niet lang toereikend zijn. Daarom is het goed om in verband met toekomstige keuzes in gedachten te houden dat bij het gebruik van kweekreactoren de hoeveelheid geproduceerd afval tot minder dan 5% gereduceerd zal kunnen worden.

6. Kernfusie

6.1 De reacties bij kernfusie Kernenergie kan men verkrijgen òf door het splijten van zeer zware atoomkernen òf door het laten fuseren van zeer lichte atoomkernen. Dit laatste proces speelt zich af in de zon, waar waterstofkernen fuseren tot helium.

Waterstof heeft drie isotopen: gewoon waterstof (¹₁H), deuterium (²₁H of ²₁D) en tritium (³₁H of ³₁T). Tussen deze isotopen zijn verschillende fusiereactie mogelijk, maar het onderzoek in verband met aardse kernfusie richt zich momenteel vooral op de reactie:

²₁D + ³₁T Ò ⁴₂He + ¹₀n (+17.6 MeV)

Deze reactie kan alleen plaats vinden bij een temperatuur van meer dan 100 miljoen graden. Bij deze temperatuur vorm de materie een plasma, dat is een toestand waarin de elektronen niet meer om de kernen draaien, maar beide soorten deeltjes zich min of meer onafhankelijk van elkaar voortbewegen en tezamen een soort gas vormen.

Het is in een fusiecentrale de bedoeling dat er een plasma wordt gevormd dat zichzelf in stand houdt, waarin dus door de fusiereacties minstens zoveel warmte wordt geproduceerd als er door afvoer naar buiten verloren gaat. Theoretische berekeningen leiden tot de conclusie dat aan deze voorwaarde wordt voldaan als er globaal geldt:

n x t_E x kT > 30 x 10²⁰ (uitgedrukt in sec x keV / m³).

Hierin is:

n = aantal deeltes per m³

T = de temperatuur (uitgedrukt in keV)

k = een constante (de constante van Boltzmann)

t_E = de insluitingstijd, dat is hier de tijd waarin het plasma zijn warmte

kwijt raakt als de warmteproductie plotseling wordt gestopt.

(t is de Griekse letter tau).

Het tripelproduct n x t_E x kT wordt het “fusieproduct” genoemd. Het is dus, afgezien van de constante k, het product van dichtheid, insluitingstijd en temperatuur. Wanneer men dit product zo groot mogelijk wil maken kan men, bij een gegeven (hoge) temperatuur, twee verschillende strategieën volgen: (1) streven naar hoge dichtheid bij korte insluitingstijd en (2) streven naar lange insluitingstijd bij lage dichtheid. Deze twee strategieën leiden tot twee onderling zeer verschillende soorten reactoren, de eerste hebben kleine afmetingen en werken met “traagheidsopsluiting”, de tweede hebben grote afmetingen en werken met “magnetische opsluiting”. We zullen ons hier beperken tot het bespreken van één type van de tweede soort: de tokamak.

6.2 De tokamak-reactor Bij dit soort reactoren is het de kunst er voor te zorgen dat het plasma de wand van het reservoir waarin het zich bevindt niet raakt. Daarom wordt het ingesloten in een ”magnetische doos”. Er zijn verschillende ontwerpen gemaakt voor een dergelijke doos, maar het tot nog toe meest succesvolle ontwerp is de in 1951 door Sacharow uitgevonden tokamak. Deze bestaat primair uit een grote holle ringvormige elektromagneet waarbinnen een cirkelvormig magnetisch veld wordt opgewekt. Het plasma bevindt zich in dit veld en de atoomkernen en elektronen hiervan gaan zich cirkelvormig bewegen in een vlak loodrecht op de veldlijnen van dit primaire veld. Hun banen worden verder gestabiliseerd door een secundair magnetisch veld waarvan de veldlijnen loodrecht staan op die van het primaire veld.

Bij een tokamak heeft de (ringvormige) ruimte waarbinnen het plasma zich bevindt een inhoud van bijvoorbeeld 100 m³. Het plasma zelf heeft een dichtheid van minder dan een milligram per m³ en een druk van enkele atmosferen. Onder deze voorwaarden is een insluitingstijd van minstens één seconde vereist. Voor een tokamak geldt dat de verhouding tussen warmteproductie en warmteverlies gunstiger wordt naarmate de afmetingen groter worden. Het is dus niet mogelijk om een werkend proefmodel op schaal te maken.

In een tokamak wordt het plasma op drie wijzen verhit: door er een elektrische stroom door te voeren (“Ohmse “ verhitting), door er een straal zeer snelle neutrale deeltjes in te schieten of door een elektromagnetisch veld. Eenmaal tot “ontbranding” gekomen zendt het snelle neutronen en gammastralen uit. Deze worden opgevangen in een mantel van bijvoorbeeld een meter dik en de hierin geproduceerde warmte wordt via een koelsysteem naar een stoomturbine geleid.

De mantel heeft nog een tweede functie: hij bevat lithium en produceert het voor de fusie nodige tritium volgens de splijtingsreacties:

¹₀n + ⁷₃Li Ò ³₁T + ⁴₂He + ¹₀n – 2.47 MeV

¹₀n + ⁶₃Li Ò ³₁T + ⁴₂He + 4.78 MeV

Natuurlijk lithium heeft twee stabiele isotopen, namelijk ⁷₃Li (92.5%) en ⁶₃Li (7.5%). Zoals men ziet heeft de eerste van de twee bovengenoemde reacties het nadeel dat hij warmte opneemt, terwijl de tweede warmte produceert. Daarom bevordert men de tweede reactie door in de mantel lithium te gebruiken dat met ⁶₃Li is verrijkt. De splijting van dit isotoop draagt voor wel 20% bij aan de totale warmteontwikkeling van de reactor.

6.3 Grondstoffen en afvalmateriaal De voor kernfusie noodzakelijke grondstoffen zijn in ruime mate op aarde aanwezig. Deuterium kan worden gewonnen uit gewoon waterstof, dat voor 0.014 % uit deuterium bestaat. Tritium kan in de reactormantel worden vervaardigd uit lithium en dit laatste is een redelijk veel voorkomend element. De fusiereactor produceert geen gevaarlijke afvalstoffen, alleen wordt de mantel, die regelmatig moet worden vervangen, licht radioactief. Het grootste probleem vormt het tritium. Dit is sterk radioactief (halveringstijd 12.4 jaar) en kan beton, rubber en zelfs metaal doordringen.

Een groot voordeel van kernfusie is dat het geen afvalstoffen produceert die gebruikt kunnen worden voor de vervaardiging van kernwapens. Daardoor leent dit proces zich ook goed voor internationale samenwerking.

6.4 Het huidige onderzoek naar kernfusie In de jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw verwachtte men veel van de kernfusie, maar de ontwikkeling ging langzamer dan men had gehoopt. In 1978 besloot de Europese gemeenschap tot nauwe samenwerking, hetgeen leidde tot de bouw van de tot nog toe grootste tokamak: de JET (Joint European Torus) in Culham (bij Oxford). Hierin werd in 1997 een record gevestigd doordat continu gedurende 4 seconden een vermogen van 4 Megawatt werd opgewekt. In 2002 werd in de Franse TORE SUPRA een fusiereactie van 4.5 minuten bereikt. Dergelijke resultaten leveren het bewijs dat kernfusie inderdaad realiseerbaar is. Het toekomstige fusieonderzoek zal vooral verlopen via het momenteel van start gaande internationale ITER-project (zie § 7.5).

Zoals in § 6.1 is besproken kan kernfusie zichzelf in stand houden wanneer het fusieproduct nt_EkT globaal de waarde 30 x 10²⁰ heeft bereikt. Wanneer men de in de loop der jaren bij de verschillende tokamaks op de wereld bereikte waarden logaritmisch uitzet tegen de tijd krijgt men bij benadering een rechte lijn en door extrapolatie hiervan kan men trachten de toekomstige ontwikkeling te voorspellen. Op het ogenblik (2006) is men nog omstreeks een factor 6 van het punt van “ontbranding” verwijderd.

Literatuur: Boeker en Grondelle: Environmental Physics. Elsevier: Nuclear Fusion Reactors. M.T.Westra: Kernfusie, een zon op aarde (www.fusie-energie.nl ).

7. Kernenergie en duurzame ontwikkeling

7.1 De wereldenergievoorraad De grootte van de op aarde aanwezige voorraden fossiele brandstoffen en uranium kan niet met definitieve getallen worden aangegeven omdat het niet mogelijk is te bepalen welk deel hiervan met huidige en toekomstige technieken economisch rendabel kan worden gedolven en omdat het onzeker is welke voorraden nog gevonden zullen worden. De volgende tabel geeft een raming van de “bewezen en tegen lage kosten winbare” voorraden.

	Wereldvoorraad	Energie-equivalent	v/p
Kolen	909 x 10^9 ton	26.6 x 10^21 joule	164 jaar
Olie	162 x 10^9 ton	6.7 x 10^21 joule	41 jaar
Gas	180 x 10^12 m^3	7.0 x 10^21 joule	67 jaar
Uranium	4.4 x 10^6 ton	Thermische reactoren: 1.33 x 10^21 joule Kweekreactoren: een factor 60 groter	66 jaar 3960 jaar

Bronnen: BP Statistical Review of World Energy June 2005. NEA/IAEA Report (2004): Uranium 2003: Resources, Production and Demand. Elsevier: Uranium and Thorium Resource Assessment.

In de tweede kolom van deze tabel zijn de wereldvoorraden gegeven en om deze onderling te kunnen vergelijken zijn deze in de derde kolom omgerekend naar de energie-eenheid joule. In de vierde kolom is voor de fossiele brandstoffen de verhouding gegeven tussen de totale voorraad (v) aan het eind van het jaar 2004 en de productie in dat jaar (p). Het quotiënt v/p geeft dus het aantal jaren dat men bij deze productie nog heeft vóór de voorraad op is.

Bij de in de tabel gegeven raming van een wereldvoorraad van 4.4 miljoen ton uranium is de 1.3 miljoen ton die is vrijgekomen bij de ontmanteling van kernwapens (vooral in de vroegere Sovjet-Unie) inbegrepen. De raming van een bodemvoorraad van 3.1 miljoen ton stamt uit 2001 en heeft, zoals opgemerkt, betrekking op bewezen en tegen lage kosten winbare reserves. Voor wat men onder “lage kosten” verstaat vindt men in de publicaties verschillende waarden, sommige spreken van minder dan 40 dollar per kg, andere van minder dan 80, 120 of 130 dollar per kg. Naast de momenteel in gebruik zijnde uraniummijnen (vooral in Canada en Australië) zijn er op aarde nog talrijke plaatsen waar uranium op een minder conventionele manier zou kunnen worden gewonnen. Zo komt bijvoorbeeld bij de fosfaatwinning in Marokko uranium vrij als bijproduct en hier zou meer dan 6 miljoen ton uranium gewonnen kunnen worden. Er bestaat momenteel echter een overschot aan uranium en bij de huidige lage prijzen (sedert 1989 schommelend tussen de 20 en 40 dollar per kg) is er weinig reden om te zoeken naar nieuwe uraniumbronnen. Theoretisch is het ook mogelijk uranium te winnen uit zeewater (dat 3 mg uranium per m³ bevat). Rekent men het redelijkerwijze nog te ontdekken en het moeilijker winbare uranium ook tot de wereldvoorraad, dan komt men op veel hogere schattingen. Zo komt een vrij recente schatting van het NEA uit op 14.38 miljoen ton (NEA News 2004, Vol.22, Nr.1). Trekt men een vergelijking met het winnen van olie, waarbij steeds maar weer nieuwe velden worden ontdekt, dan lijkt het niet onredelijk te veronderstellen dat de uraniumvoorraad tenslotte meer dan het tienvoudige van bovengenoemde 3.1 miljoen ton zal blijken te zijn. Opgemerkt zij dat de wereldvoorraad thorium (zie § 2.12) hier buiten beschouwing is gelaten.

Toelichting bij de omrekening naar joule De in de uraniumvoorraad aanwezige energie bij het gebruik van thermische reactoren is als volgt berekend. Zoals in § 7.3 zal worden uiteengezet wordt in een dergelijke reactor van 6.6 kg natuurlijk uranium 15.6 gram U-235 verspleten en 8.9 gram U-238 (via Pu-239). Per kg natuurlijk uranium wordt totaal dus (15.6 + 8.9) : 6.6 = 3.71 gram verspleten. Volgens § 1.10 levert het versplijten van 1 gram uranium (het maakt vrijwel geen verschil of dit uit U-235 of uit U-238 bestaat) 8.2 x 10¹⁰ joule. 1 kg natuurlijk uranium levert dus 3.71 x 8.2 x 10¹⁰ = 3.04 x 10¹¹ joule. De omrekening wordt dus:

uraniumvoorraad = 4.4 x 10⁹ kg natuurlijk uranium

= 4.4 x 10⁹ x 3.04 x 10¹¹ joule

= 1.33 x 10²¹ joule.

Bij het gebruik van kweekreactoren ligt het rendement enorm veel hoger, in de literatuur worden factoren van 60 tot 160 genoemd en in de tabel is een factor 60 aangehouden. De theoretisch haalbare grens is een factor 200 à 300.

7.2 Het wereldwijd aanwezige aantal kernreactoren De volgende tabel geeft voor een aantal belangrijke landen het aantal kerncentrales in januari 2006.

Land	Aantal in Bedrijf	Percentage van de elektriciteits- Productie	In aanbouw Of gepland
Verenigde Staten	103	20	1
Frankrijk	59	78	0
Japan	55	29	13
Rusland	31	16	5
Engeland	23	19	0
Oekraïne	15	51	2
Canada	18	15	2
Zuid-Korea	20	38	8
Duitsland	17	32	0
India	15	2.8	8
Zweden	10	52	0
China	9	2.2	10
België	7	55	0
Nederland	1	3.8	0
Wereld	441	16	62

Bron: www.uic.com.au/reactors.htm

Onder deze 441 reactoren bevindt zich een viertal snelle reactoren (www.uic.com.au/nip98.htm). Naast de op het land gebouwde kerncentrales zijn er nog minstens 150 schepen met kernaandrijving.

7.3 De uraniumverspilling in de huidige reactoren Aangezien de werelduraniumvoorraad beperkt is, is het van groot belang er op te letten op welke wijze deze voorraad door de huidige kernreactoren wordt verbruikt. Dit zijn vrijwel allemaal thermische reactoren en daarom kunnen we de in § 2.6 besproken reactor als voorbeeld nemen.

Deze reactor maakt gebruik van tot 3.5% verrijkt uranium en daarvan wordt, zoals berekend, per kg 15.6 gram verspleten via U-235 en 8.9 gram via U-238 (en het daaruit gevormde Pu-239). Totaal wordt er dus per kg 15.6 + 8.9 = 24.5 gram verspleten. Uit dit gegeven kunnen we echter nog geen definitieve conclusies trekken, over het uraniumgebruik want we moeten ook rekening houden met het verrijkingsproces. Het bij de productie van verrijkt uranium ontstane verarmde uranium bevat namelijk nog een aanzienlijke hoeveelheid U-235, in de literatuur worden hoeveelheden genoemd van 0.2 tot 0.3%. Houden we rekening met dit verlies, dan kunnen we berekenen (zie beneden) hoeveel van het uranium bij deze reactor voor warmteontwikkeling wordt gebruikt, namelijk 34% van het U-235 en 0.14% van het U-238. Berekenen we het nuttig gebruik voor het uranium als geheel, dan komen we op 0.37%. Bij andere thermische reactoren zullen de resultaten hiervan niet veel verschillen. Opgemerkt zij dat de berekening is uitgevoerd voor een “once-through”-proces. Bij hergebruik van de afgewerkte splijtstof door toevoeging van 30% MOX kan het rendement nog met zo’n 30% worden verbeterd.

Dit lage percentage leidt tot de vraag of het wel verstandig is om voort te gaan met de huidige thermische reactoren. Bij het gebruik van kweekreactoren, of liever nog bij het gebruik van een goed ontworpen, samenhangend systeem van kweekreactoren en “actinidenverbranders”, is het mogelijk om een veel groter deel van het uranium voor warmteontwikkeling te gebruiken. Theoretisch is een minstens 60-100 maal beter gebruik van het uranium zonder meer haalbaar. Nu zou men er voor kunnen pleiten om eerst in de huidige reactoren het U-235 te “verbranden” en dan over enkele tientallen jaren het bewaarde U-238 te gaan gebruiken in een systeem van kweekreactoren. Dit is echter een allesbehalve ideale optie omdat hierdoor de mogelijkheden voor toekomstige ontwerpen van reactoren zeer worden beperkt. Zo is bijvoorbeeld bij vier van de zes ontwerpen van “generatie IV kernreactoren” (zie § 7.5) nog steeds U-235 als uitgangsmateriaal nodig (of gewenst).

Berekening De reactor gebruikt tot 3.5% verrijkt uranium en dit wordt geproduceerd uit natuurlijk uranium dat 0.7% U-235 bevat. Laten we eerst berekenen hoeveel kg natuurlijk uranium nodig is voor het produceren van 1 kg verrijkt uranium. Dit bevat 35 gram U-235. Om dit kg verrijkt uranium te vervaardigen moeten we dus 1 kg natuurlijk uranium nemen en daar 35–7=28 gram U-235 aan toevoegen. Nemen we aan dat bij het “verarmen” van het natuurlijk uranium het percentage U-235 wordt verlaagd van 0.7% tot 0.2%, dan levert 1 kg natuurlijk uranium dus 7–2=5 gram U-235. Om 28 gram U-235 te produceren is dus 28:5=5.6 kg natuurlijk uranium nodig. Totaal is dus er voor het produceren van 1 kg tot 3.5% verrijkt uranium 1+5.6=6.6 kg natuurlijk uranium nodig.

Letten we nu eerst op het U-235. Genoemde 6.6 kg natuurlijk uranium bevat 6.6x7=46.2 gram U-235, waarvan 15.6 gram (zie § 2.7) wordt gebruikt voor warmteontwikkeling. Het percentage van het U-235 dat nuttig wordt gebruikt is dus (15.6:46.2)x100=34%.

Letten we vervolgens op het U-238. De betreffende 6.6 kg natuurlijk uranium bevat 6.6x993=6553.8=U-238 en hiervan wordt 8.9 gram gebruikt voor warmteontwikkeling. Dat is (8.9:6553.8)x100=0.14%.

Kijken we tenslotte naar het geheel. Van de 6.6 kg natuurlijk uranium wordt 15.6+8.9=24.5 gram nuttig gebruikt, dat is (24.5:6600)x100=0.37%.

Literatuur: P.Mobbs (2005): Uranium Supply and the Nuclear Option (www.oxfordenergy.org ). R.Price and J.R.Blaise (2002): Nuclear fuel resources: Enough to last? (www.nea.fr/ ).

7.4 De trage ontwikkeling van de kernenergietechniek Het ontwerp van de huidige kerncentrales stamt uit de jaren vijftig en zestig van de vorige eeuw en het lijkt dat er sedert die tijd weinig vooruitgang is geboekt. Maar is deze indruk juist? Hoeveel tijd heeft een technisch product nodig om zich te ontwikkelen? Laten we eens een aantal voorbeelden bekijken. De eerste primitieve stoomlocomotief verscheen in 1830 en omstreeks 1860 waren deze locomotieven zo ver ontwikkeld dat overal ter wereld spoorwegnetten werden aangelegd. De eerste primitieve auto’s verschenen rond 1900 en in 1908 liep de eerste T-Ford van de lopende band. De eerste PC van IBM verscheen in 1981 en binnen tien jaar waren overal computers in gebruik. Vergeleken met deze voorbeelden verloopt de ontwikkeling van kernreactoren inderdaad traag. Deze conclusie wordt bevestig als men kijkt naar de studieboeken: terwijl boeken over bijvoorbeeld computers binnen enkele jaren verouderen zijn op het gebied van de kernenergie boeken van zo’n 25 jaar geleden (Fast, Bogtstra) grotendeels nog uitstekend bruikbaar.

Waarom verloopt de ontwikkeling van de kernenergie traag? Hiervoor zijn meerdere oorzaken aan te wijzen. In de eerste plaats inherente oorzaken: zo is de bouw van een kerncentrale een enorm project dat (met de planning inbegrepen) al gauw 10-15 jaar in beslag kan nemen. Verder gaat een kerncentrale erg lang mee, zo’n 30-60 jaar, en dat staat vernieuwing in de weg. Ook verlopen veel onderzoekingen op het gebied van kernenergie van nature traag, wanneer bijvoorbeeld voor een nieuw reactorontwerp een nieuw type splijtstof moet worden geïntroduceerd moet ook het materiaal van de splijtstofstaven worden aangepast en het duurt minstens tien jaar voordat dit is ontwikkeld en voldoende beproefd om te worden gelicenseerd. In de tweede plaats zijn er externe oorzaken. Zo heeft de vrees voor proliferatie van kernwapens zoveel politieke maatregelen in het leven geroepen dat van een normale technische ontwikkeling van de kernenergie geen sprake is geweest. Ook is er een vertragende werking uitgegaan van de vredes- en milieubewegingen.

7.5 “Roadmaps” voor toekomstige kernenergie Het is gebruikelijk de centrales die gebaseerd zijn op kernsplijting te verdelen in generaties. De eerste generatie bestaat dan uit tijdens en vlak na de tweede wereldoorlog gebouwde prototypen plus de vroege commerciële centrales. Tot de tweede generatie behoren globaal de op dit moment in bedrijf zijnde reactoren, dus de drukwaterreactoren (DWR) en de kokend water reactoren (KWR). De derde generatie wordt momenteel gebouwd en de vierde generatie ligt nog in de toekomst.

Er bestaan op dit moment in hoofdzaak twee internationale projecten die onderzoek doen naar een vierde generatie kerncentrales. Het eerste is het INPRO-project onder leiding van het I.A.E.A. Hieraan doen 22 landen mee, waaronder Nederland. Het tweede is het project van het “Generation IV International Forum” (GIF) onder leiding van de V.S. Deze organisatie ontstond op initiatief van de in 2001 in de V.S. aangetreden regering Bush. Deze regering brak met de bestaande afwijzing van kernenergie en in 2002 riep het U.S. Department of Energy een forum van tien landen bijeen om een “roadmap” op te stellen voor de verdere ontwikkeling van kernenergie. Er werd afgesproken zich vooral te richten op de ontwikkeling van zes typen reactoren die voldoen aan hoge eisen van onder andere veiligheid, duurzaamheid en weerstand tegen proliferatie. Ook de kosten spelen een rol: men streeft naar minder dan 3 dollarcent per kWh. Globaal is het de bedoeling dat hiervan vóór 2015 prototypen gebouwd zullen worden en dat ze in 2030 commercieel inzetbaar zullen zijn.

Onder deze zes typen bevindt zich één ontwerp dat een verbeterde versie is van de natriumgekoelde snelle kweekreactor in Kalkar (zie § 3.2) en één ontwerp dat een verbeterde versie is van de hoge-temperatuur gasgekoelde reactor (zie § 2.9). Deze ontwerpen zijn merendeels gebaseerd op opwerking van de gebruikte splijtstof, zodat het uranium efficiënter wordt gebruikt. Verder werken ze met hogere temperaturen, waardoor het rendement van de stoomturbines groter is en bovendien de mogelijkheid ontstaat om rechtstreeks waterstofgas te produceren (dus niet met elektrolyse van water, maar met veel efficiëntere thermochemische processen). Pas bij het gebruik van dergelijke reactoren kan men serieus spreken van een “waterstofeconomie”.

Naast de verdere ontwikkeling van de kernsplijtingscentrales is er ook het gestaag voortschrijdend onderzoek naar kernfusie. In 1985 werd op initiatief van de presidenten Reagan en Gorbatsjov het internationale project ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) opgezet. Een eerste ontwerp werd in 1998 door de VS als te duur afgekeurd, maar in 2003 kwam men met een goedkoper ontwerp tot overeenstemming. Op 28 juni 2005 kwamen de zes deelnemende landen / handelsblokken (EU, Japan, VS, Rusland, China en Zuid-Korea) overeen deze reactor te gaan bouwen in Cadarache in Frankrijk.

Het ligt in de bedoeling de kernfusie te ontwikkelen aan de hand van het bouwen van drie reactoren: allereerst de ITER, vervolgens de DEMO (die de economische haalbaarheid moet demonstreren) en tenslotte de PROTO (die het prototype moet worden voor commerciële fusiecentrales). De tijdsverlopen waarin deze reactoren moeten worden gebouwd zijn globaal 2005-2020, 2015-2035 en 2030-2050 en wanneer alles succesvol verloopt zou omstreeks 2050 de kernfusie een bijdrage kunnen gaan leveren aan de energieproductie. Er bestaat ook een plan (“Fast Track”) om dit traject met een tiental jaren te bekorten (www.fusie-energie.nl).

Literatuur: Elsevier: Nuclear Engineering. UIC: Generation IV Nuclear Reactors.

7.6 CO₂-uitstoot en klimaatsverandering De laatste twee eeuwen is het CO₂-gehalte in de dampkring met 40% gestegen en dit heeft geleid tot een toename van het (op zichzelf onmisbare) broeikaseffect. Om de gevolgen hiervan te bestuderen richtten de VN eind jaren tachtig het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPPC) op. Deze organisatie heeft tot dusver driemaal een rapport uitgebracht (in 1990, 1995 en 2001) en in het laatste rapport wordt geconcludeerd dat de aanwijzingen toch wel heel sterk zijn geworden dat een toename van het broeikaseffect inderdaad bezig is te leiden tot temperatuursverhoging en klimaatsverandering.

In het Kyoto-verdrag, waaraan overigens China en India niet meedoen en dat in 2001 door de V.S. is opgezegd, zijn verschillende maatregelen voorgesteld om het CO₂-probleem aan te pakken. Één daarvan is de toekenning van een economische waarde aan de CO₂-uitstoot. Ieder land krijgt dan op basis van de vroegere productie een zekere hoeveelheid uitstootrechten en binnen dat kader zijn deze rechten vrij verhandelbaar. Het is de bedoeling dat deze rechten op den duur een geheel door de markt bepaalde prijs zullen krijgen. Hierdoor zullen energiecentrales er naar gaan streven zo weinig mogelijk CO₂ uit te stoten, bijvoorbeeld door dit te scheiden en duurzaam ondergronds op te bergen. Dit scheiden en opbergen van CO₂ is echter een kostbare en energievretende aangelegenheid. Uit een recent rapport (2005) van het IPCC valt te concluderen dat de elektriciteit door CO₂-opslag ruw geschat 30-60% duurder zal worden en dat de elektriciteitscentrales hierdoor 10-40% meer energie zullen gebruiken. Dit laatste zou betekenen dat bij algemene toepassing van deze methode de wereldenergievoorraad 10-40% eerder zou zijn uitgeput.

Literatuur: CDA-rapport (2005): Keuzes voor duurzaamheid, p. 62-69. IPCC-UNEP (2005): CO2 Storage May Minimize Climate Change. UIC (2005): Energy Balances and CO₂ Implications.

7.7 De prijs van kern-elektriciteit Bij het berekenen van de prijs van elektriciteit is het gebruikelijk geworden onderscheid te maken tussen interne en externe kosten. De interne kosten zijn de kosten die rechtstreeks te maken hebben met de productie (kapitaalsinvestering, brandstofkosten, exploitatiekosten), de externe kosten zijn de kosten die indirect ontstaan door schade aan het milieu, enzovoort. De laatste zijn veel moeilijker te kwantificeren.

Letten we eerst op de interne kosten bij een op kernsplitsing gebaseerde centrale. Het bouwen van een dergelijke centrale is veel duurder dan het bouwen van een gas- of kolencentrale. Daardoor wordt de prijs van de geleverde elektriciteit bij deze centrale vooral bepaald door de kapitaalinvesteringen ten behoeve van de bouw, terwijl deze prijs bij een gas- of kolencentrale vooral wordt bepaald door de brandstofkosten. Het gevolg is dat reeds lang bestaande kerncentrales goedkoper kunnen produceren dan nieuw te bouwen kerncentrales. Zo is in Frankrijk, dat al lang geleden integraal overschakelde op kernenergie, de prijs van met kernenergie opgewekte elektriciteit relatief laag. Ter vergelijking zijn in het volgende staatje de resultaten van twee onderzoeken samengevoegd: een onderzoek van de World Nuclear Organisation verricht voor de bestaande situatie in Frankrijk en een onderzoek van het MIT (2003) voor nieuwe investeerders in de Verenigde Staten.

	Kosten bij “oude” centrales (Frankrijk) (in eurocent/kWh)	Kosten bij nieuw te bouwen centrales (V.S) (in dollarcent/kWh)
Kernenergie	3.2	5.1-6.7
Kolen	3.05 – 4.26	4.2
Gas (lage prijs)	3.81 – 4.57	3.8
Gas (hoge prijs)		5.6

Bron: http://web.mit.edu/nuclearpower . Slingerland p. 66.

Beide onderzoeken hebben betrekking op de situatie van vóór 2003. Sedertdien zijn echter de fossiele brandstofprijzen sterk gestegen, zo steeg de olieprijs in de eerste helft van het jaar 2005 van 41 naar 70 dollar per vat. Aangezien de prijs van gas is gekoppeld aan die van olie is hiermee ook de prijs van met gas opgewekte elektriciteit sterk gestegen. Zoals in de tabel is te zien heeft het MIT-rapport met deze mogelijkheid al rekening gehouden. Over het algemeen neemt men aan dat de huidige hoge energieprijzen de volgende jaren wel enigszins zullen dalen, maar dat ze niet zullen terugkeren naar het vroegere niveau. En over enkele tientallen jaren zullen ze dan waarschijnlijk zeer sterk gaan stijgen.

Letten we vervolgens op de externe kosten. De belangrijkste post hierin is de schade die ontstaat door de CO₂-uitstoot. Voor de landen die het Kyoto-verdrag hebben ondertekend is op 1 januari 2005 het handelssysteem voor CO₂-uitstoot van kracht geworden. Bij het ingaan van dit systeem was de prijs van de uitstootrechten omstreeks 8 euro per ton, om vervolgens te stijgen naar een piek van 30 euro per ton en daarna weer te dalen tot 12 euro per ton (mei 2006). Volgens een OESO-rapport uit 2004 zal kernenergie goedkoper worden dan fossiele energie als de CO₂-prijs hoger wordt dan 26 euro per ton.

Rekening houdend met de sterke stijging van de prijs van fossiele brandstoffen en met de invoering van het handelssysteem voor CO₂-uitstoot kan men naar zeer ruwe schatting zeggen dat momenteel de prijs van met kernenergie opgewekte elektriciteit ongeveer gelijk is aan die van met fossiele brandstof opgewekte elektriciteit. De toekomst van het gebruik van kernenergie hangt er nu voor een groot deel van af welke randvoorwaarden de regeringen zullen scheppen. Zo maakt het bijvoorbeeld een groot verschil of men eist dat het bedrag dat later nodig is voor de ontmanteling van de kerncentrale reeds bij het begin van de bouw is gereserveerd, of dat men toestaat dat het betreffende bedrag bijeen wordt gespaard gedurende de jaren dat de centrale werkzaam is.

Tenslotte de toekomstige fusiecentrales. Nog sterker dan bij de conventionele centrales geldt hier dat de interne kosten hoofdzakelijk worden bepaald door de kapitaalsinversteringen ten behoeve van de bouw. De externe kosten zijn vrijwel nihil. Berekeningen van enkele jaren geleden komen uit op een elektriciteitsprijs die ongeveer het dubbele is van die van met fossiele bronnen opgewekte elektriciteit (Elsevier: Nuclear Fusion Reactors, p.18). Aangezien deze berekeningen zijn gemaakt vóór de grote stijging van de prijzen van fossiele brandstoffen en vóór de invoering van het CO₂-handelssysteem moet dit nu aanmerkelijk gunstiger uitkomen.

8. Kernenergie en kernwapens

8.1 Het non-proliferatieverdrag van 1968 Door de historische ontwikkeling ontstonden er tijdens en na de tweede wereldoorlog vijf atoommogendheden: de V.S., de Sovjet-Unie, Groot-Brittannië, Frankrijk en China. In de hoop hiermee de kans op het uitbreken van een kernoorlog te verminderen werd in 1968 door een groot aantal landen een non-proliferatieverdrag (NPT) gesloten en dit werd in 1970 van kracht. Hierbij verbonden de vijf atoommogendheden zich er toe hun kernwapenarsenalen te reduceren, terwijl omgekeerd de andere landen zich verplichtten geen kernwapens na te streven. De controle hierop werd gegeven in handen van de I.A.E.A in Wenen en (voor de landen van de EU) Euratom in Luxemburg. Inmiddels is het verdrag door 189 landen ondertekend (India, Pakistan en Israël niet, Noord-Korea trok zich in 2003 terug). Van 2 tot 27 mei 2005 werd door de V.N. een conferentie gehouden tot modernisering van het verdrag. Hier heerste echter een grote verdeeldheid en men slaagde er niet in tot een akkoord te komen.

Bij het non-proliferatieverdrag wordt het gebruik van kernenergie voor vreedzame doeleinden uitdrukkelijk toegestaan, inclusief het verrijken van uranium. Hierdoor is een onduidelijke situatie ontstaan doordat moeilijk valt te controleren of een bepaald land dit verrijken gebruikt voor kernenergie of voor atoomwapens. Volgens Mohammed El Baradei, de huidige directeur van het IAEA, is de enige veilige oplossing om net als in de V.S. alle hergebruik van splijtstofmateriaal uit te bannen (geen MOX, geen opwerking, enz.). Deze oplossing heeft echter tot gevolg dat het “bewezen en tegen lage prijzen winbare” deel van de uraniumvoorraad waarschijnlijk binnen 60-70 jaar zal zijn opgebruikt (zie § 7.3).

Door veel politici wordt zonder meer aangenomen dat een consequent non-proliferatiebeleid, desnoods met geweld doorgevoerd, noodzakelijk is voor het behoud van de wereldvrede. Toch kan men zich afvragen of het positieve effect van een dergelijk beleid niet wordt overschat. Historisch gezien kan men niet anders dan vaststellen dat de kernmogendheden zich sedert 1968 niet aan het non-proliferatieverdrag hebben gehouden: zij hebben hun kernwapenarsenaal niet verminderd en zijn zelfs doorgegaan met het ontwikkelen van kernwapens. Hierdoor is het karakter van het verdrag veranderd: veel landen in het Midden-Oosten en in Azië zien het vooral als een machtsinstrument waarmee een aantal staten voor zichzelf het recht op kernwapens opeisen en dit recht aan andere staten ontzeggen. Daardoor kan een rigide non-proliferatiebeleid veel haat zaaien, vooral bij de Islamitische volken, en het is allerminst zeker dat de voordelen van een dergelijk beleid op den duur zullen opwegen tegen de nadelen. Misschien is het beter meer aandacht te schenken aan de psychologische achtergronden van de internationale verhoudingen en minder waarde te hechten aan het controleren van wapens. H.A.Feiveson (2004) schrijft in dit verband: “Het is illusoir te denken dat er voor de wereld een veilige nucleaire toekomst kan worden gebouwd die afhangt van twee klassen van landen – één waar bepaalde activiteiten en brandstofcycli worden verhinderd en één waar alles of bijna alles zijn gang kan gaan” (Elsevier: Nuclear Proliferation and Diversion, pagina 17).

Er zijn nog andere redenen om niet alles te zetten op de kaart van de non-proliferatie. Zo heeft een land als India op eigen kracht een kernenergieprogramma ontwikkeld en het ontleent hieraan een gevoel van eigenwaarde en in het verlengde daarvan een gevoel van verantwoordelijkheid. Misschien mag men er op vertrouwen dat een dergelijke vorm van toegroeien naar politieke volwassenheid een normaal proces is. Daar komt nog bij dat het beperken van geavanceerde kerntechnologie tot een aantal supermachten ook risico’s met zich meebrengt. Wanneer bijvoorbeeld (zoals in de koude oorlog) twee ideologisch verschillende kernmogendheden als kemphanen tegenover elkaar staan lopen beide het gevaar geestelijk vast te lopen in een “tunnelvisie”. Het zou wel eens zo kunnen zijn dat in een dergelijke situatie de aanwezigheid van andere kernmogendheden een matigend effect heeft.

8.2 Kernenergie en de integriteit van de natuur

Vrijwel alles op de wereld kan ten goede worden aangewend of ten kwade. Dat geldt voor een mes, maar evengoed voor een medicijn of voor zoiets als de boekdrukkunst. Het geldt ook voor de fysica en in verhevigde vorm voor de kernfysica. Voor veel fysici, vooral die welke de koude oorlog bewust hebben meegemaakt, ligt hier een groot probleem. In hoeverre zijn zij medeverantwoordelijk voor wat de politici met hun voortbrengselen doen? Het heeft geen zin hier te trachten dit probleem op te lossen, maar het is nuttig om te constateren dat het voor veel fysici nog altijd een serieus probleem is. Voor enkele ligt het zelfs in het hart van hun religieuze overtuiging.

Een ander, hiermee samenhangend probleem is: tasten kernonderzoek en het gebruik van kernenergie de integriteit van de natuur niet aan? Is het niet in strijd met de oude notie dat de mens een rentmeester is die de wereld en de natuur getrouw moet beheren? Men kan deze vraag vervolgens nog toespitsen op het probleem van de kernafval: zijn het produceren en opslaan van hoogradioactief materiaal geen schending van de ongereptheid van de natuur?

Over het algemeen ervaren de mensen kleinschalige techniek als in harmonie met de natuur: oude waterwielen, houtzaagmolens, weefgetouwen, zeilschepen, smederijen en zelfs ijzergieterijen wekken geen weerstand. Maar grootschalige techniek heeft vaak iets beklemmends en gewelddadigs, één van de redenen is dat deze techniek vaak de harmonie van het landschap verstoort, een andere is dat men achter deze techniek vaak de macht vermoedt van multinationals en grootkapitaal. Toch worden over het algemeen grote chemische fabrieken en conventionele elektriciteitscentrales wel acceptabel gevonden, mits aan strikte veiligheids- en milieueisen is voldaan. Maar het lijkt dat voor sommigen bij een kerncentrale een principiële grens wordt overschreden. Zij hebben het gevoel dat men bij kernonderzoek een gebied betreedt dat intrinsiek boosaardig is. Dat gevoel wordt nog versterkt door het idee dat straling, speciaal radioactieve straling, iets is dat niet behoort tot de goede natuur. Zo waren er destijds fysici die zeiden: “Het atoom mag de mens onderzoeken, maar van de kern moet hij afblijven”. Schrijver dezes meent dat het op déze plaats trekken van een dergelijke grens te willekeurig is om zinvol te zijn: atoomkernen bezitten niets boosaardigs, ook niet als ze gesplitst worden. Wie ’s avonds naar de sterrenhemel kijkt ziet een momentopname in een eindeloos proces van kernsplitsing en kernfusie. Ook radioactieve straling is een volkomen natuurlijk verschijnsel: overal op aarde is een onschadelijk basisniveau van straling aanwezig, afkomstig uit de bodem, uit de atmosfeer en uit de kosmos. Maar wel kan men zich afvragen of er niet ergens ànders een grens moet worden getrokken, namelijk bij het bezit en het gebruik van kernwapens.

Er bestaat voor het gevoel van velen een relatie tussen kernenergie en kernwapens. Zij zien dat bevestigd door het feit dat (om deze ongelukkige terminologie toch maar eens te gebruiken) “rechtse” politieke partijen vaak voorstander zijn van zowel kernenergie en kernbewapening en “linkse” politieke partijen tegenstander van beide. Door deze koppeling bestaat de kans dat een keuze voor vreedzame kernenergie automatisch opgevat wordt als steun voor het gebruik van kernwapens. Daarom is het niet overbodig op te merken dat een keuze voor vreedzame kernenergie niet logischerwijze een morele rechtvaardiging van kernbewapening inhoudt.

9. Enkele slotoverwegingen

1. In de jaren vijftig en zestig, in de tijd van de koude oorlog, bouwde men verspreid over de wereld honderden kerncentrales. Voor de politici was dit vooral een prestigeobject en voor veel kernfysici was het een bevrijding dat ze hiermee hun vakmanschap konden gebruiken voor vreedzame doeleinden en niet voor de vervaardiging van wapens. Maar door de verruwing tengevolge van de koude oorlog had de veiligheid geen hoge prioriteit. Mede door het ongeluk op Three Mile Island bij Harrisburg (1979) en de ramp bij Tsjernobyl (1986) keerde echter zowel in de V.S. als in Europa de publieke opinie zich tegen het gebruik van kernenergie en in de jaren negentig besloten veel landen dit gebruik niet verder uit te breiden of er zelfs geheel mee te stoppen. Sedertdien zijn er echter twee nieuwe factoren opgetreden die uitnodigen tot een heroverweging van de opvattingen: in de eerste plaats is het afvalprobleem beter beheersbaar geworden doordat er redelijk betrouwbare ontwerpen zijn ontwikkeld voor reactoren die het grootste deel van hun eigen afval kunnen “verbranden” en in de tweede plaats is het probleem van de klimaatsverandering tengevolge van de CO₂-uitstoot veel urgenter geworden.

2. Wat betreft het afvalprobleem is het duidelijk dat het geen ideale oplossing is om het overblijvende hoogradioactieve afval ondergronds op te slaan, of tijdelijk bovengronds op te slaan in de verwachting dat men te zijner tijd methoden zal vinden om het te verwerken. Toch is het nodig om in dit verband op een nuchtere wijze om te gaan met de tijdsfactor. In hoeverre is het zinvol om een volmaakte oplossing te eisen voor een termijn van tienduizenden jaren als men daarmee het risico vergroot dat al over bijvoorbeeld honderd jaar het bestaan van de mensheid bedreigd wordt door uitgeputte olie- en gasreserves en een verstoord klimaat tengevolge van een overmaat aan CO₂ in de dampkring?

3. Wanneer men besluit tot verdere ontwikkeling van de kernenergie zal men ook moeten beslissen met welk type reactoren men wil doorgaan. Op het ogenblik voorziet kernenergie over de gehele wereld genomen in 16% van het elektriciteitsgebruik en in enkele procenten van het totale energiegebruik. Wanneer men kernenergie een substantiële bijdrage wil laten leveren aan de vermindering van de CO₂-uitstoot zal de productie van deze energie aanzienlijk moeten worden opgevoerd en zal men moeten kiezen op welke wijze men de eindige voorraad uranium wil gebruiken. Bij de huidige productie en bij het gebruik van de huidige uraniumverslindende thermische reactoren zal het “bewezen en tegen lage kosten winbare” deel van de uraniumvoorraad over omstreeks 66 jaar zijn uitgeput (zie §7.1). Dit houdt in dat dit deel bij bijvoorbeeld een verdrievoudiging van de productie al over ruim 20 jaar zal zijn uitgeput. Fysisch gezien is het doorgaan met thermische reactoren daarom een doodlopende weg. Wil men kernenergie werkelijk een substantiële bijdrage laten leveren aan de vermindering van de CO₂-uitstoot, dan zal het nodig zijn over te schakelen op plutonium- en kweekreactoren.

4. De argumenten die tegen het gebruik van deze reactoren worden aangevoerd zijn zowel van technische als van politieke aard. Als men er van uitgaat dat de technische argumenten voor een groot deel kunnen worden ondervangen blijven de politieke argumenten over en het meest genoemde daarvan is het argument van de proliferatie. Het is echter, zoals betoogd in §. 8.1, moeilijk de waarde van dit argument in te schatten en het is de vraag of het zwaarwegend genoeg is om daarom af te zien van kweekreactoren. Hier komt nog een praktische overweging bij. Op het ogenblik wordt op veel plaatsen in de wereld (niet in de V.S.) de gebruikte splijtstof opgewerkt en in thermische centrales hergebruikt in de vorm van MOX, een mengsel van uranium en plutonium. Dat gebeurt zonder noemenswaardige problemen en het is allesbehalve zeker dat een overgang naar het gebruik van alleen plutonium in daarvoor ontworpen reactoren deze problemen zoveel groter zullen maken.

5. Er is nog een ander argument dat in overweging moet worden genomen. Ook wanneer het juist zou zijn dat op dit moment het afzien van plutonium- en kweekreactoren leidt tot een vermindering van de kans op proliferatie van kernwapens en daarmee tot een vermindering van de kans op oorlog, dan staat daar toch tegenover dat door het onrendabele uraniumgebruik in de huidige reactoren de wereldvoorraad snel zal zijn opgebruikt en op lange termijn het gevaar van door energieschaarste ontstane oorlogen zal worden vergroot.

6. Los van alle principiële overwegingen kan men zich afvragen in hoeverre het in de huidige situatie nog zin heeft te trachten een verdere ontwikkeling van vreedzame kernenergie tegen te gaan. Landen als Rusland, China en India zijn al lang deze weg ingeslagen en zullen vrijwel zeker daarop doorgaan. Ook wanneer er een ramp plaats zou vinden zoals in Tsjernobyl zou dat in deze landen waarschijnlijk geen grote invloed hebben. In China bijvoorbeeld, met zijn tienduizend doden per jaar in de kolenmijnen, zal de regering zich van de publieke opinie weinig aantrekken. Wellicht is het daarom voor bedachtzame landen als Nederland vruchtbaarder om, eventueel op bescheiden schaal, met deze ontwikkeling mee te doen. Men plaatst zich dan niet buiten de internationale discussie en kan desgewenst extra research verrichten op het gebied van de milieuveiligheid en extra (morele) inspanning steken in het bevorderen van vreedzame internationale verhoudingen.

7. Hier moet nog iets aan worden toegevoegd. Naar vrij algemeen wordt aangenomen zal de huidige CO₂-uitstoot binnen afzienbare termijn, bijvoorbeeld vijftig jaar, leiden tot opwarming van de aarde en verandering van het klimaat. Bij deze verandering, die waarschijnlijk schoksgewijze zal plaats vinden, zal de zeespiegel stijgen en zullen grote delen van de wereld warmer worden en andere kouder. Om deze problemen het hoofd te bieden zal er zeer veel energie nodig zijn voor drainage en bedijking en voor verwarming en koeling van de woningen. Ook dit is een argument om kernenergie in ieder geval zó ver te ontwikkelen dat deze als de nood aan de man komt op een verantwoorde manier grootschalig kan worden toegepast.

8. Na het geven van lange fysische uiteenzettingen en het formuleren van een aantal kritische vragen en opmerkingen zij het de auteur vergund ook zijn eigen mening naar voren te brengen. Tussen globaal 1900 en 1935 heeft een aantal knappe en bevlogen fysici twee theorieën ontwikkeld, de relativiteitstheorie en de quantummechanika, die door het inzicht dat zij verschaffen in de natuur behoren tot het hoogste dat de mensheid heeft voortgebracht. Maar onbedoeld hebben deze theorieën ook de basis gelegd voor de kernwapens en de daaruit voortvloeiende problemen van internationale dreiging, bewapeningswedloop en proliferatie. Gezien vanuit een wijder historisch perspectief betekent dit dat de mensheid momenteel in een moreel zeer problematische situatie terecht is gekomen: het huidige onvermogen van de volken om met elkaar in vrede te leven dreigt een fysisch verantwoord gebruik van kernenergie te verhinderen en daarmee een belangrijke, in de schepping gegeven mogelijkheid om de dampkring ongeschonden aan de volgende generaties over te dragen onbenut te laten. Het is àl te simplistisch dit te willen verklaren door onderscheid te maken tussen goede en slechte naties en de eigen natie zonder zelfkritiek tot de goede te rekenen. Historisch gezien dragen de naties daarvoor gezamenlijk schuld.

10. Aanhangsel

10.1 Fysisch georiënteerde literatuur

- Alonso, M. en Finn, E.J.: Fundamentele Natuurkunde, Deel 5: Kernfysica (1972/’94). Goed toegankelijk tekstboek op universitair niveau.

- Boeker, E. en Grondelle, R. van (1995/1999): Environmental Physics. Bevat een hoofdstuk over kernreactoren. Universitair niveau.

- Bogtstra, F.R. (1981): Kernenergie, Hoe zit dat? Praktijkgericht boek dat vooral ingaat op thermische centrales. Niveau: eindexamen middelbare school.

- Fast, J.D. (1980): Energie uit atoomkernen. Uitgebreid geïllustreerd en theoretisch zeer helder geschreven boek. Geeft en passant een goed tijdsbeeld van de toenmalige negatieve visie van veel fysici op de kernenergie. Niveau: eindexamen middelbare school en beginnende fysica-studenten.

- Woude, A. van der en Meijer, R de (2003): Radioactiviteit. Fraai geïllustreerd naslagwerk over vele vormen van radioactieve straling. Is sterk georiënteerd op het boven genoemde boek van J.D.Fast. Bevat twee hoofdstukken over kernenergie. Niveau: eindexamen middelbare school.

10.2 Economisch en politiek georiënteerde literatuur

- Slingerland, S. et al. (2004): Het nucleaire landschap, Verkenning van feiten en meningen over kernenergie. Uitgave: Rathenau Instituut, Den Haag. Informatief, niet-technisch boek over de huidige (2004) stand van zaken op gebied van de kernenergie.

- Keuzes voor duurzaamheid (2005). Rapport uitgegeven door het Wetenschappelijk Instituut voor het CDA. Hierin worden de problemen van duurzaam energiebeleid in hun onderlinge samenhang besproken. Is te downloaden via: www.cda.nl/

- Energie opties voor de 21^e eeuw (2004). Verslag van een studiegroep van PvdA-leden onder redactie van M.Beurskens, H.de Coninck en E.Boeker. Is te downloaden via de website van de Wiardi Beckman Stichting: www.wbs.nl

10.3 Informatieve internetsites

- UIC (Uranium Information Centre Ltd). Gevestigd in Melbourne. Heeft een voortreffelijke website: www.uic.com.au/

- Elsevier: Encyclopedia of Energy: Nuclear Power. Geeft gedegen en redelijk actuele informatie over vrijwel alle aspecten van de kernenergie. Online beschikbaar op: www.sciencedirect.com/science/referenceworks/ (en dan: Encyclopedia of energy: Nuclear Power). Is het gemakkelijkst toegankelijk via een geabonneerd instituut. In dit boek wordt naar artikelen uit deze encyclopedie verwezen onder weglating van de auteursnaam, bijvoorbeeld: Elsevier: Nuclear Engineering.

- KIVI (Koninklijk Instituut Voor Ingenieurs). De afdeling Kerntechniek hiervan onderhoudt een overzichtelijke website met praktische en actuele informatie: www.kernenergie.nl .

- NRG (Nucleair Research and consultancy Group). Zetelt in Petten. Heeft een website voor publieksvoorlichting: www.nrg-nl.com/

10.4 Enkele organisaties en bedrijven

- IAEA (International Atomic Energy Agency). Deze organisatie werd in 1957 door de V.N. opgericht ter bevordering van internatio-nale samenwerking op het gebied van kernenergie. Zetelt in Wenen. Is tevens de “atoomwaakhond” van de V.N. Website: www.iaea.org/

- NEA (Nuclear Energy Agency). Organisatie binnen de OESO te Parijs ter bevordering van het vreedzaam gebruik van kernenergie. Werkt als zodanig nauw samen met het IEA. Website: www.nea.fr Publiceert samen met het IAEA om de twee jaar een rapport (“The Red Book”), het laatste was: “Uranium 2003: Resources, Production and Demand” (2004). www.nea.fr/html/pub/ret.cgi?id#5291

- Euratom (European Atomic Energy Community). In 1957 opgericht als onderdeel van het verdrag van Rome. Doel is bevordering van de toepassing van vreedzame kernenergie. Voert inspecties uit in Europa. www.euratom.org/

- IEA (Internatonal Energy Agency). Dit is een organisatie van olie-importerende landen die in 1974 werd opgericht door de VS. Hij is ondergebracht bij de OESO in Parijs. Website: www.iea.org. Geeft jaarlijks een gezaghebbend rapport uit met als titel bijvoorbeeld: “World Energy Outlook 2005”. www.worldenergyoutlook.org/

- BP Oliemaatschappij die in 1998 ontstond door een fusie van “British Petroleum” en “Amoco”. Publiceert jaarlijks het als betrouwbaar bekend staande “BP Statistical Review of World Energy”. www.bp.com/statisticalreview

- IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Deze organisatie werd eind jaren ’80 door de VN in het leven geroepen. Heeft in 1990, 1995 en 2001 een “Assessment Report” gepubliceerd over klimaatsverandering. zal verschijnen in 2007. www.ipcc.ch/