Uranium

1: Inleiding
Het onderwerp van onze praktische opdracht is uranium. Uranium is een scheikundig element met het symbool U. We hebben voor dit onderwerp gekozen omdat we erg geïnteresseerd zijn, in chemische processen. Er was bij ons weinig bekend over uranium en wij zijn daar erg nieuwsgierig naar. Ook doordat we veel hebben gehoord over Urenco in Almelo. Urenco is een bedrijf die uranium verrijkt (hierover later meer). De naam staat voor Uranium enrichment corporation (Uraniumverrijkingsbedrijf). Het bedrijf is opgericht in 1970.

Vooral het proces van uraniumverrijking spreekt ons erg veel aan. Hierover willen we veel weten. Door het proces van uraniumverrijking en hoe het wordt gebruikt in de kerncentrale, zijn wij anders over het gebruik van uranium gaan denken. Wij vinden bijvoorbeeld dat er in landen zoals Rusland veel veiliger met het proces van uranium moet worden omgegaan. Gelukkig gaan ze in Nederland hiermee wel veilig om.

Wij vinden dit onderwerp ook erg interessant omdat er eigenlijk over het hele proces een beetje geheimzinnig word gedaan. Zelfs nadat we er veel informatie over hebben opgezocht, kon je nog niet altijd alles duidelijk vinden over dit onderwerp. De informatie die we hebben verkregen, is ondanks dit, erg betrouwbaar. Dit hebben wij te danken aan de goede informatie van Urenco en kerncentrale Borssele.

We hebben in onze praktische opdracht, ‘uranium’ als uitgangspunt genomen, en hebben daarom heen deelonderwerpen bedacht. De deelonderwerpen hebben wij gebruikt als ‘hoofdstukken’.

2: Geschiedenis Uranium

Ontdekking
Uranium werd in 1789 ontdekt door de Duitse scheikundige Martin Heinrich Klaproth uit het mineraal uraniniet (pakblende).

M.H. Klaproth is geboren in Wernigerode (Herz) in 1743. Hij was een Duitse scheikundige en apotheker. Hij combineerde werken en studeren (zelfstudie) en leerde het vak apotheken in Quedlinburg (1759 – 1763).

Als hij in 1780 een apotheek in Berlijn overneemt, richt hij zich uitsluitend op scheikundig onderzoek. In 1791 wordt hij zelfs hoogleraar in de scheikunde.

Wat is het belangrijkste werk van M.H. Klaproth?
Klaproth ontdekte nog veel meer elementen, namelijk: zirkonium (1789), strontium (1793), titaan (1795), chroom (1797), telluur (1798) en cerium (1803). Helaas moest hij de ontdekking van de laatste vijf elementen delen met anderen, die de ontdekking onafhankelijk van hem deden.

Wingebieden
De belangrijkste wingebieden voor uraanhoudende ertsen of -mineralen¬ liggen in Canada (Ontario), Zuid-Afrika, Australië, Democratische Republiek Congo, de Verenigde Staten van Amerika (Colorado), Namibië, Niger, Brazilië, Frankrijk, Argentinië en Rusland.

Hoe is de naam tot stand gekomen?
De naam is afgeleid van de planeet Uranus, die werd genoemd naar de Griekse god Ouranus, vader der Tita¬nen. Deze naam werd gekozen omdat de ontdekking van deze planeet in 1781 (door Herschel) diepe indruk had gemaakt in de wetenschap. Boven-dien was Uranus de verst van de aarde gelegen (bekende) planeet en uranium het element met de grootste atoommassa (en op dat moment het laatste in de lijst van elementen).

Hoe werd uranium vroeger bereid?
In 1841 lukte het B. Péligot om uit uraanoxide, met behulp van chloorgas, eerst uraantetrachloride te berei¬den, waaruit via reductie (scheikundige proces waarbij een deeltje elektronen opneemt) met kalium het metaal uraan werd gemaakt.

3: Verrijkt uranium

U-235 en U-238
Uranium komt voor in twee varianten (isotopen): Uranium-235 en Uranium-238. (Isotopen: Het chemisch element waartoe een atoom behoort wordt bepaald door het aantal protonen in de kern. Voor een het aantal protonen kan daarnaast het aantal neutronen in de kern variëren. Als dit het geval is spreken we van verschillende isotopen van hetzelfde element) In de kern van U-235 zitten 92 protonen en 143 neutronen; in de kern van U-238 zitten 92 protonen en 146 neutronen.

Wat is verrijkt uranium?
Het verrijken van uranium betekent dat je het natuurlijke uranium splitst in U-235 en U-238. Dat splitsen hoeft niet 100 procent te zijn; als de concentratie van U-235 hoger wordt (en de concentratie van U-238 lager), spreekt men al van verrijkt uranium.

Waarom heet uranium met veel U-235 en weinig U-238 dan verrijkt?
Dat komt doordat een atoomkern van U-235 veel makkelijker uit elkaar valt (splitst) wanneer er een los neutron tegenaan botst, dan de veel stevigere atoomkern van U-238. Bij dat uiteenvallen komt een gigantische hoeveelheid energie vrij.

U-235 valt zo makkelijk uit elkaar, dat dat ook wel eens spontaan gebeurt. Bij dat uiteenvallen komen onder andere neutronen vrij. Bij weinig U-235 zullen de meeste van die neutronen het materiaal verlaten, of op een stabiele U-238-atoomkern botsen, waar ze weinig kwaad kunnen. Maar bij een voldoende hoeveelheid verrijkt uranium, zullen veel van die neutronen op een U-235-atoomkern botsen. Die atoomkern valt daardoor ook uit elkaar, waarbij veel energie vrijkomt, en opnieuw een aantal neutronen - die vervolgens nieuwe U-235-kernen zullen treffen.

Vandaar dat U-235 erg nuttig is voor kerncentrales, en voor kernbommen.

Het natuurlijke mengsel van U-235 en U-238 is niet bruikbaar voor het opwekken van energie. Uranium met veel U-235 en weinig U-238 is dat wel. Vandaar dat die laatste vorm "verrijkt" wordt genoemd.

Hoe wordt uranium verrijkt?
Er zijn vijf methoden om uranium te verrijken:
• elektromagnetische scheiding
• thermische vloeistofdiffusie
• laserscheiding (atomair en moleculair)
• gasdiffusie
• gascentrifuge

Elektromagnetische scheiding, thermische vloeistofdiffusie en laserscheiding
Deze drie methoden zijn vooral in het verleden gebruikt. Uraniumverrijking was een aanzienlijk minder efficiënt proces in deze tijd.

Gasdiffusie
Bij gasdiffusie wordt een gas door een membraan geperst, waarbij de lichtere fractie gemakkelijker door het membraan gaat dan de zwaardere fractie. Het gehalte aan U-235 neemt hierdoor toe. Gasdiffusie werd later gebruikt dan gascentrifuge. De Amerikanen kregen de technische problemen bij gascentrifuge niet onder de knie, en stapten in 1942 over op gasdiffusie, hoewel dit proces veel meer energie kost dan de gascentrifuge.

De Duitsers hielden vast aan gascentrifuge.

Gascentrifuge
Bij gascentrifuge wordt gas in een centrifuge bewerkt. De zwaardere fractie wordt naar de buitenkant geslingerd en kan daar worden afgetapt. In de centrifuge blijft aldus een groter aandeel U-235 over.

4: Verarmd uranium
Verarmd uranium is een restproduct dat ontstaat bij het verrijken van natuurlijk uranium. Bij het verrijken ontstaat naast verrijkt uranium ook 'verarmd' uranium, waarbij het gehalte splijtbaar uranium (U-235) nog maar 0,2 tot 0,3 procent is. De term 'verarmd' houdt niet in dat er weinig uranium in zit of dat het niet radioactief is; het heeft alleen betrekking op het percentage splijtbare uranium-235. Net als natuurlijk uranium bestaat verarmd uranium voor het grootste gedeelte uit het niet-splijtbare uranium-238. Vooral de grote kernwapenstaten Verenigde Staten, Rusland, China, Verenigd Koninkrijk en Frankrijk beschikken over grote hoeveelheden verarmd uranium. Het hoog verrijkt uranium dat in kernwapens wordt gebruikt bevat 90 procent splijtbaar uranium. Bij de productie van dit hoog verrijkt uranium worden dus grote hoeveelheden verarmd uranium geproduceerd.

Verarmd uranium wordt niet altijd beschouwd als kernafval. Als de prijs van natuurlijk uranium hoog is, kan het zo zijn dat ze verarmd uranium herverrijken tot natuurlijk uranium, dat vervolgens weer als grondstof wordt gebruikt voor verdere verrijking. Om hoge opslagkosten te besparen, wordt verarmd uranium toegepast in allerlei sectoren van de civiele (industrie die zich bezig houdt met het onderhouden en realiseren van objecten die vast zitten aan de grond) en militaire industrie. Verarmd uranium is een zilverwit metaal met bijzondere eigenschappen. Het heeft een zeer hoge dichtheid en is ongeveer anderhalf maal zwaarder dan lood. In tegenstelling tot andere zware metalen is het brandbaar. In fijn verdeelde toestand kan het plotseling ontbranden bij kamertemperatuur.

Een bekende civiele toepassing van verarmd uranium is het gebruik als contragewicht (gewicht dat een systeem in balans houdt) in vliegtuigen. Bij de Bijlmerramp in 1992 (het neerstorten van een Israëlische vrachtvliegtuig in de Bijlmer, Amsterdam) is 152 kilo verarmd uranium zoekgeraakt. Mogelijk is het in de vuurzee verbrand. In de militaire industrie wordt het verarmd uranium vooral toegepast in de bepantsering van tanks en andere pantservoertuigen.

Zolang verarmd uranium intact blijft kan het niet zo veel kwaad, behalve wanneer het langere tijd wordt vastgehouden of als er roestvorming optreedt aan het oppervlak. Naast de alfastraling van uranium 238 moet ook rekening worden gehouden met de bètastraling en gammastraling van de vervalproducten.

De meest riskante verschijning van verarmd uranium is in de vorm van stofdeeltjes. Als een antitank van verarmd uranium doel treft, ontstaat er een stofwolk die bestaat uit met zeer kleine deeltjes uraniumoxyden. Als die deeltjes worden ingeademd verblijven ze jarenlang in de longen, waardoor op langere termijn longkanker kan ontstaan.

Langzamerhand komen ze terecht in allerlei andere delen van het lichaam, waarbij ze ook schade kunnen aanrichten, zoals in de nieren en de hersenen. Uiteindelijk hoopt het verarmd uranium zich op in het bot, waardoor het beenmerg en daarmee het afweersysteem wordt aangetast.

Vaak wordt verarmd uranium door 'deskundigen' vergeleken met het uranium dat in hele kleine hoeveelheden voorkomt in lucht, water, bodem, en in ons lichaam. Dat is niet terecht, want het uranium dat van nature voorkomt hoopt zich niet op in het lichaam, zoals bij verarmd uranium wel het geval is. Het gebruik van verarmd uranium brengt grote risico's met zich mee!

5: De kerncentrale
Net als in andere kerncentrales die werken op gas, kolen of olie, wordt in een kernenergiecentrale elektriciteit opgewekt. De manier waarop dat gebeurt, is in principe eenvoudig. Met het verbranden van kolen, gas, olie of met kernenergie wordt water verhit tot stoom. De stoom drijft een turbine aan. Die is gekoppeld aan een grote dynamo: de generator. De generator levert op zijn beurt de elektriciteit aan het openbare net.

In een kerncentrale maakt men gebruik van uranium om stoom te maken. Bij het splijten van uranium komt een grote hoeveelheid warmte vrij. Dit splijtingsproces vindt plaats in de reactor van de centrale. Voor het splijtingsproces is dus uranium-235 nodig. Het verrijkte uranium, waarin meestal nog meer nog meer dan 95 procent onsplijtbaar uranium zit, kom in dichtgelaste staven in de reactor. Dit zijn de zogenoemde splijtstofstaven.

Kettingreactie
De atoomkern van uranium-235 kan door neutronen worden gespleten. Het atoom valt in brokstukken uit elkaar in ‘splijtingsproducten’. En zendt daarbij deeltjes uit. Deze deeltjes, in dit geval neutronen, kunnen bij een ander u-235 atoom een nieuwe kernsplijting veroorzaken. Daarbij ontstaat opnieuw warmte en enkele neutronen, die elk weer een nieuw atoom raken. Zo ontstaat een kettingreactie. Absorberende materialen zorgen ervoor dat deze reactie beheerst blijft. Alle splijtingen samen zorgen ervoor dat een kerncentrale kan blijven draaien.

Terugwinnen
In de gebruikte splijtstof zit een groot deel van het oorspronkelijke uranium. Ook is er door de kernreacties een nieuwe splijtstof gevormd, plutonium. Het uranium en het plutonium kunnen worden teruggewonnen voor het maken van nieuwe splijtstoffen. Dat terugwinnen gebeurt in een speciale fabriek, een opwerkingsfabriek. Daarvan zijn er maar een paar op de wereld. Borssele (kerncentrale) brengt de splijtstof naar de opwerkingsfabriek van het Franse bedrijf Cogéma in La Hague (Normandië). In de opwerkingsfabriek spluit men de kernsplijtingsproducten af en verpakt men het zorgvuldig als hoog radioactief afval. Dat hoog radioactief afval wordt in bunkers bewaard tot het in de toekomst in diepe aardlagen begraven zal worden.

6: Veiligheid van de kerncentrale
Er worden veel maatregelen (door de regering) genomen om veilige kerncentrales te hebben (behouden). De regels zijn erg streng in verband met de hoge risico’s. Neem als voorbeeld de splijtstofstaven. Die moeten als ze uit de reactor komen, eerst een jaar onder water worden bewaard om af te koelen.

Veiligheidsomhulling
Voor de veiligheid van het nucleaire deel van een centrale is er een veiligheidsomhulling bedacht, het wordt onder andere gebruikt in kerncentrale Borssele. Een meervoudig insluitsysteem vormt een bijna ondoordringbare barrière tussen de splijtstof en de buitenwereld.

De eerste barrière is de tot tablet samengeperste splijtstof zelf. De materiaalstructuur is zodanig dat de splijtingsproducten er in gevangen blijven.

De tabletten zitten op hun beurt in volledig gasdichte buizen. Voor, tijdens en na het opvullen met verrijkt uranium ondergaan de buizen diverse controles op dichtheid.

In het reactorvat bevinden de splijtstofelementen, gebundeld tot brandstofelementen. Het vat heeft wanden van 18 centimeter dik en is gemaakt van zeer hoogwaardig staal. Samen met de rest van de primaire kringloop vormt het een hermetisch gesloten geheel. Zowel tijdens het in bedrijf zijn van de reactor als bij stilstand controleren automatische apparaten voortdurend de lekdichtheid van de primaire kringloop.

Het reactorvat en de rest van de primaire kringloop staan in een zware betonnen bunker die de radioactieve straling vrijwel helemaal absorbeert. De ultieme barrière is het gasdichte stalen reactorgebouw dat bij een theoretisch groot ongeluk alle radioactieve stoffen binnenhoudt.

Het stalen reactorgebouw zelf wordt op zijn beurt omsloten door een betonnen omhulsel. Dit vormt nog eens een extra barrière rond het nucleaire gedeelte van de centrale en beschermt het reactorgebouw tegen invloeden van buiten. Bijvoorbeeld een vallend vliegtuig; een explosie van een schip of ander uitwendig geweld. Ook zijn er allerlei maatregelen genomen tegen

INES schaal
De INES schaal is een schaal voor nucleaire gebeurtenissen/rampen. Hiermee is direct te zien hoe ernstig een gebeurtenis is. INES staat voor: International Nuclear Event Scale. En is te vergelijken met de schaal van Richter die wordt gebruikt om de ernst van aardbevingen te beoordelen. Het omvat zeven niveaus die zijn verdeeld in twee categorieën. De laagste niveaus (1 tot 3) betreffen incidenten, de hoogste niveaus (4 tot 7) ongevallen.

7: Voor- en nadelen van de kerncentrale
Er zijn de afgelopen jaren veel meningverschillen over kerncentrales ontstaan. Sommige voorstanders van kernenergie snappen niet waarom iemand tegen kernenergie kan zijn. Tegenstanders zien soms alleen de nadelen en gevaren. Er is dan ook nauwelijks een gesprek te voeren tussen deze twee groep mensen. Dit komt doordat ze zich laten leiden door emoties en vooroordelen. Ook gebruiken ze alleen de argumenten die in hun eigen straatje goed van pas komen en sluiten de ogen en oren voor andere meningen. Bovendien kennen sommige mensen de feiten niet goed. Wij hebben een paar feiten over de voor- en nadelen van de kerncentrale op een rijtje gezet.

Voordelen
• Voor landen zonder fossiele energiebronnen kan kernenergie een uitkomst bieden om aan de energiebehoefte te voldoen. Het kan ook een goede aanvulling zijn om in de energiebehoefte te voorzien als de voorraden aardolie en -gas beginnen op te raken.

• Het opwekken van kernenergie geeft geen vervuilende uitstoot van bijvoorbeeld CO2, SO2 of NOX. Het draagt daardoor dus niet bij aan het broeikaseffect en andere milieuproblemen als zure regen. Kernenergie wordt ook wel schone energie genoemd.

• Kernenergie is een redelijk goed betaalbare vorm van energie.

• Een kernenergie levert veel meer energie per hoeveelheid grondstof dan fossiele brandstoffen. Een elektriciteitscentrale gestookt op fossiele brandstoffen heeft zeker 65000 keer zo veel brandstof nodig als een kerncentrale aan splijtstof verbruikt. Van de verbruikte splijtstof kan men ook nog een deel opwerken zodat men redelijk zuinig met de grondstof kan omspringen.

• Er is genoeg ruimte op deze aardbol waar het land zeer dun bevolkt is. Hier kunnen prima kerncentrales gebouwd worden. Als de veiligheid in het oog wordt gehouden zijn de risico’s dan ook zeer beperkt.

Nadelen
• Omdat de wereldbevolking steeds harder groeit neemt de ruimte voor kerncentrales steeds meer af. De risico's van de kerncentrales nemen dus steeds meer toe, want mocht er iets fout gaan dan worden vanzelfsprekend de mensen die in de buurt wonen het zwaarst getroffen.

• Een kerncentrale is niet volledig veilig. Er moet erg voorzichtig mee worden omgegaan. Zelfs als dit het geval is, kunnen er grote ongevallen (rampen) ontstaan. Neem het ongeluk in de kerncentrale, in Tsjernobyl op 26 april 1986. Door een miscommunicatie kon het gebeuren dat de kernreactor als het ware op hol sloeg, er werd vele malen te veel energie opgewekt, die niet weg kon, waardoor de temperaturen tot extremen opliepen. De koelinstallatie kon dit niet aan en scheurde, waardoor het proces niet meer in de hand gehouden kon worden. Zo kon het gebeuren dat de installatie uiteindelijk ontplofte. 35 mensen kwamen direct om maar veel meer mensen zijn uiteindelijk overleden aan de gevolgen van straling en zelfs in Nederland moesten nog bladgroentes vernietigd worden omdat er radioactieve neerslag op terecht was gekomen, zo ver kan de radioactieve neerslag reiken. Het is weliswaar zo dat de huidige kerncentrales vele malen veiliger zijn dan toentertijd, maar 100 procent veiligheid is nooit te garanderen.

• We kunnen niet garanderen dat het kernafval, dat we nu veilig meters onder de grond of kilometers diep in de oceaan opbergen, veilig opgeborgen zal zijn totdat de straling dusdanig is afgenomen dat het niet meer schadelijk is. Over 100 jaar zijn wij immers niet meer in leven en wie zegt dat men dan nog rekening houdt met het kernafval dat voor hun eigen veiligheid zeer goed opgeborgen is?

• Het is erg moeilijk te voorkomen dat kwaadwillende personen met informatie en spullen misbruik maken van hun ‘macht’ . Al eerder is in Nederland gevoelige informatie uitgelekt, waardoor Pakistan tegenwoordig beschikking heeft over kernwapens.

• In een tijd van terroristische aanslagen is een kerncentrale natuurlijk een prima doelwit voor een aanslag. Van de Twin Towers werd ook aangenomen dat ze vliegtuigbestendig zouden zijn, precies wat van kerncentrales ook wordt gezegd, maar wat als dat ook niet waar blijkt te zijn?

8: De toekomst van kernenergie: Kernfusie

Er zijn 2 manieren van energieopwekking met behulp van kernenergie. Kernsplitsing en kernfusie. Kernfusie is een duurzame manier van energie opwekken, maar kernfusie vereist bepaalde omstandigheden. Kernsplitsing is niet duurzaam, het levert afval op. Hier staat tegenover dat het uitvoeren van kernsplitsing een stuk eenvoudiger is.

Wat gebeurt er nou precies bij kernfusie?
Kernfusie is het samensmelten van de kernen van verschillende atomen, waarbij een ander, zwaarder, element wordt gevormd. Wanneer atomen van lichte elementen zoals waterstof samensmelten, wordt hierbij iets van de massa omgezet in energie, in het geval van waterstof ongeveer 0,67%. Maar van zwaardere atomen kost hetdaarentegen juist energie

Kernfusie is geen kettingreactie; er komen geen deeltjes bij vrij die een nieuwe fusie kunnen veroorzaken. Het proces kan slechts aan de gang gehouden worden onder extreem hoge temperatuur en druk.

Bij de kernfusie die voor gebruik in fusiereactoren toegepast wordt, worden een deuteriumkern (waterstof met 1 neutron) en een tritiumkern (waterstof met 2 neutronen) omgezet in een heliumkern, energie, en een neutron.

Voor- en nadelen kernfusie
Voordelen:
1) Allereerst is kernfusie relatief veilig. In de reactoren vindt namelijk geen kettingreactie plaats. Wanneer de reactie uit de hand dreigt te lopen is het voor het stoppen van de reactie voldoende om de toevoer van grondstoffen te blokkeren.

2) Een ander voordeel heeft te maken met de uitstoot van schadelijke stoffen. Het fusieproces stoot namelijk geen schadelijke stoffen uit. Helium, dat wel bij de reactie vrijkomt, is niet schadelijk voor het milieu.

3) Ook vindt er geen transport plaats van radioactief afval, omdat dit niet bij de reactie ontstaat.

Nadeel:
1) Kernfusie betreft één groot nadeel: de kosten die gemaakt moeten worden voor het verdere onderzoek naar kernfusie.

9: Urenco
In dit deelonderwerp gaan we verder in op Urenco.

Organisatiestructuur
Urenco is een Brits/Duits/Nederlands onderneming dat verrijkt uranium produceert door middel van ultracentrifugetechniek. Het bedrijf is opgericht in 1970.

Het hoofdkantoor van de Urenco Group staat in het Britse Marlow. De groep heeft twee bedrijfsonderdelen die gevormd zijn rondom haar kernactiviteiten: Enrichment Technology Company (ETC), en Urenco Enrichment Company (UEC).

Waar zijn Urenco’s fabrieken gevestigd?
Urenco’s verrijkingsfabrieken staan in vier landen: Almelo (NL), Capenhurst (UK), Gronau (D) en Eunice (VS). In Washington D.C. heeft urenco ook een verkoopkantoor.

Bedrijfsspionage
Via Stork FDO is bij de Nederlandse URENCO vestiging in Almelo in de jaren zeventig gespioneerd door de Pakistaan Abdul Qadir Khan. Als gevolg hiervan staat in het Pakistaanse Kahuta een uraniumverrijkingsfabriek waar van het Urenco ontwerp nagebouwde ultracentrifuges draaien. Vanuit Pakistan is de techniek waarschijnlijk verder verspreid naar Iran, Libië, en Noord-Korea.

Restmateriaal, verarmd uranium
Bij het verrijkingsproces blijft verarmd uranium over als restmateriaal. URENCO gaat hier tegenwoordig op twee manieren mee om. Een deel wordt opgeslagen op het URENCO terrein in Almelo. Dit gebeurd in grote stalen containers die aan internationale veiligheidseisen voldoen. Een deel gaat voor conversie naar Frankrijk waar het wordt omgezet in uraniumoxide.