Alles over uranium
Uranium is de brandstof die in kernreactoren wordt gebruikt. Het is een radioactief metaal dat kan worden gebruikt als geconcentreerde en overvloedige energiebron. Maar hoe maken we een kernbrandstof van dit erts? Ontdek de verschillende stappen van de splijtstofcyclus in dit artikel.
Wat is uranium?
Uranium is een erts dat ruim verspreid is in de ondergrond van de aarde. Het is een heel zwaar radioactief metaal dat kan worden gebruikt als geconcentreerde en overvloedige energiebron. Met de bekende actuele minerale reserves kan gedurende een eeuw aan de huidige wereldwijde vraag worden voldaan. Daar komen nog eens de reserves bij die naar schatting meer dan 100 extra jaren kunnen worden gebruikt. De voorziening van uranium is dus op lange termijn verzekerd, of zelfs op hele lange termijn gezien alle reserves meerdere eeuwen kunnen bestrijken.
Voordat het als brandstof in een kernreactor kan worden gebruikt, doorloopt het erts 4 grote fasen:
- de winning van het erts en de concentratie onder de vorm van yellow cake;
- de conversie;
- de verrijking;
- de vervaardiging van splijtstoftabletten.
In België staat het bedrijf Synatom in voor de voorziening van uranium voor de kerncentrales van Doel en Tihange.
Hoe wordt België van uranium voorzien?
In België staat de onderneming Synatom in voor de hele splijtstofcyclus met uitzondering van de productie van de brandstof en het gebruik ervan in de reactorkern. Voor deze twee fasen is de exploitant van de centrales, ENGIE Electrabel, verantwoordelijk. Synatom is dus actief op de markt van uraniumconcentraten. Elk jaar koopt ze ongeveer 1000 ton.
Van winning tot brandstof: de verschillende fasen
Voordat uranium als brandstof kan worden gebruikt, ondergaat het diverse transformaties. Na de winning wordt het erts gebroken en ondergaat het chemische processen waarmee het uranium kan worden vrijgemaakt. Met dit proces wordt een uraniumconcentraat verkregen in de vorm van een geel poeder dat yellow cake wordt genoemd. Na raffinering wordt de yellow cake omgevormd tot een gas dat uraniumhexafluoride wordt genoemd. Dit is de conversiefase, die wordt gevolgd door de verrijkingsprocessen. De verrijkte uraniumhexafluoride wordt vervolgens naar de fabriek gevoerd waar splijtstofelementen worden gefabriceerd. Na afloop van de fabricage gaan de elementen naar de kerncentrale waar ze in de reactorkern worden geladen.
Uraniumwinning
Uranium zit in ertsen waarvan de lagen zich in open groeven of ondergrondse tunnels bevinden. Het uraniumerts wordt regelmatig gewonnen door co-productie, dat wil zeggen in een mijn die voornamelijk een ander erts bevat, zoals bijvoorbeeld goud of koper. De uraniummijnen worden in een twintigtal landen ontgonnen. Twee derde van de wereldproductie van uranium wordt verzekerd door Kazachstan (41%), Canada (16%) en Australië (9%). ook in Niger, Rusland en Namibië zijn uraniummijnen. De Verenigde Staten, China, Oekraïne en Oezbekistan zijn ook belangrijke producenten. De wereldwijde vraag naar uranium is in 2017 gestegen tot ongeveer 62.000 ton uraniumconcentraat.
In de mijnen, zowel boven- als ondergronds, wordt het erts gewonnen met traditionele mijntechnieken. Een nieuwe winningsmethode, 'uitloging in situ' genoemd, wordt op dit moment gebruikt in meer dan de helft van de mijnen in de wereld. Deze winning door ontbinding gebeurt zonder ernstige verstoring van de grond. De methode bestaat uit het injecteren van uiterst zuurstofrijk water dat in het erts circuleert en waarmee uranium kan worden gewonnen door rechtstreeks in de laag te pompen.
Onderstaande video toont de winning van uranium volgens de traditionele mijntechnieken.
Charter voor de uitbaters van uraniummijnen
De exploitanten van de uraniummijnen hanteren al jaren een maatschappelijk bewustzijn. De World Nuclear Association heeft regels opgesteld die de principes bepalen voor de stralingen, gezondheid en veiligheid van de mijnwerkers en naburige bevolking, voor de aanpak van mijnafval en het milieu in zijn geheel. Deze principes worden toegepast op alle fasen van de mijnontginning: van de exploratie tot de ontwikkeling van de mijn, van de exploitatie tot de ontmanteling van de mijn en het herstel in de oorspronkelijke staat van de site.
Lees hierover meer op de website van de World Nuclear Association
De conversie van de "yellow cake"
De yellow cake (‘gele cake') is in de vorm van U3O8 (triuraniumoctaoxyde) geconcentreerd uranium. Het bevat ongeveer 750 kg uraniumoxide per ton. Met het oog op het gebruik ervan in de reactor wordt hij 'geraffineerd' om een zuiverheidsgehalte van meer dan 99,95% te verkrijgen.
Dan volgt de conversiefase waarmee de yellow cake wordt omgevormd tot het gas uraniumhexafluoride (UF₆). Dit gas wordt vervolgens geperst en afgekoeld tot het in vloeibare staat is. Voor het transport wordt het in een speciale container geplaatst waar het wordt afgekoeld tot het in vaste toestand is. Het kan dan naar de fabriek worden vervoerd om te worden verrijkt.
Yellow cake is de vorm waarin het uranium wordt verhandeld. Wanneer men over de marktprijs van een ton uranium spreekt, bedoelt men in feite de prijs van een ton yellowcake.
De verrijking: het gehalte van uranium-235 verhogen
De verrijking is een procedé waarbij het gehalte van splijtbare isotopen in een element wordt verhoogd. De gebruikte procedés om de kernbrandstof met uranium 235 te verrijken, zijn gebaseerd op het verschil in massa tussen de verschillende uraniumisotopen. In natuurlijk uranium is de verhouding constant: uranium-238 (zwaarder) en uranium-235 zijn aanwezig met respectievelijk 99,3% en 0,7%. Alleen uranium 235 is splijtbaar en kan energie vrijgeven door splitsing in kernreactoren. Kernbrandstof kan in een kerncentrale met drukwaterreactoren worden gebruikt als het tussen 3 en 5% uranium-235 bevat.
De verrijking van uranium bestaat dus uit het verhogen van het gehalte van uranium 235 van 0,7% naar waarden tussen 3 en 5%.
Tegenwoordig gebeurt de verrijking door centrifugeren in seriegemonteerde centrifuges, cascades genoemd. Deze techniek heeft de te energieverslindende techniek met gasdiffusie volledig vervangen. Het onderzoek richt zich ook op een verrijkingsprocedé met laser (Separation of Isotopes by Laser Excitation – SILEX), een nieuwe veelbelovende technologie die het voordeel heeft dat ze weinig energie verbruikt en de isotopenverrijking in nagenoeg één keer wordt verkregen. Dit procedé wordt op dit moment commercieel ontwikkeld.
Een brandstoftablet van 7 gram geeft evenveel energie vrij als een ton steenkool.
De productie van de kernbrandstof:
Het verrijkte uraniumhexafluoride wordt naar een fabriek vervoerd waar het wordt omgezet in uraniumoxidepoeder (UO₂). Dit zwarte poeder wordt geperst tot tabletten die vervolgens in een over op hoge temperatuur worden gebakken. De tabletten zijn kleine cilinders van ongeveer 7 g en 1 cm lang. Elk tablet geeft evenveel energie vrij als een ton steenkool. De tabletten worden vervolgens in dunne metalen buizen geplaatst die staven worden genoemd. Er zijn 254 staven nodig om een splijtstofelement te vormen. De reactorkern zoals die van Doel 3 of Tihange 3 bestaat uit 157 splijtstofelementen.
Uraniumreserves voor meerdere eeuwen
Het uraniumerts is een veel voorkomende natuurlijke grondstof. De vrij zekere reserves op 1 januari 2015 voldoen aan de wereldwijde behoeften van kerncentrales gedurende meer dan 200 jaar.
De reserves die onmiddellijk beschikbaar zijn tegen aanvaardbare exploitatiekosten zijn goed voor 100 jaar van de huidige behoeften. De hoeveelheid uraniumreserves voor exploitatiekosten van minder dan 130 USD per kg bedraagt inderdaad iets minder dan 6 miljoen ton, wat overeenstemt met een eeuw van het huidige wereldwijde verbruik. Alleen al Australië bezit 29% van de reserves, Kazachstan heeft 13% en Rusland en Canada 9%.
Bij deze grondstoffen die voor een eeuw goed zijn, komen nog de exploiteerbare reserves die minder dan 260 USD per kilo kosten. Ze worden geraamd op meer dan 7,5 miljoen ton, wat overeenkomt met 120 jaar van het wereldwijde verbruik. De veronderstelde grondstoffen worden geraamd op 6 miljoen ton, ofwel 100 extra jaren.
Leer meer over uranium op de website van het OECD-NEA
Download onderstaande wereldkaart met uraniumreservres op de website van het Internationaal Atoomenergie Agentschap (IAEA).
Bronnen: Synatom, IAEA, OECD-NEA, Orano.