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 hier de verschillende stappen van de splijtstofcyclus.

uranium

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.

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. De helft van de wereldproductie is afkomstig van een tiental mijnen in zes landen: Canada, Australië, Niger, Kazachstan, Rusland en Namibië.

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.

Meer info op de website van de World Nuclear Association

De conversie van de "yellow cake"

Uranium wordt gewonnen uit erts via een reeks processen die sterk geconcentreerd uranium opleveren. Dit is yellow cake, een geel poeder dat ongeveer 75% uranium bevat, of 750 kg uraniumoxide per ton. De yellow cake wordt vervolgens geraffineerd om vrijwel zuiver uranium te verkrijgen in de vorm van uraniumoctoxide (U3O8). Voor gebruik in reactoren wordt het "geraffineerd" tot een zuiverheidsgraad van meer dan 99,95%.

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.

uranium

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.

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 4 of Tihange 3 bestaat uit 157 splijtstofelementen.

uranium in pellets

Energieafhankelijkheid van uranium

Na de inval van Rusland in Oekraïne en de daaropvolgende maatregelen is er veel gesproken over de zogenaamde afhankelijkheid van Rusland voor uranium. Dit is echter niet vergelijkbaar met de Europese afhankelijkheid van Rusland voor gas, olie en kolen.

Er zijn wereldwijd tal van alternatieven voor het kopen van (verrijkt) uranium. In 2020 was Rusland goed voor 20% van het geïmporteerde uranium en 26% van het verrijkte uranium in Europa. Het is dus relatief eenvoudig om een alternatief te vinden voor deze Russische import als het gaat om grondstoffen voor kernenergie.

Overzicht import uranium EU

De hoge energiedichtheid van uranium maakt het ook gemakkelijker om er een grote voorraad van aan te leggen dan van olie, kolen of gas. België heeft een permanente voorraad (verrijkt) uranium voor ongeveer 2 jaar. Sommige EU-landen hebben zelfs een voorraad uranium voor 5 tot 10 jaar. Zo'n grote voorraad is onmogelijk te bereiken met steenkool, olie en zeker gas, vanwege de enorme volumes die nodig zijn. Daardoor is uranium veel minder afhankelijk van marktverstoringen door geopolitieke spanningen dan kolen, olie of gas.

Voorraad in België