Overslaan en naar de inhoud gaan

BR2 krijgt laagverrijkt uranium als splijtstof

Onderzoeksreactoren elders ter wereld treden in voetsporen van BR2

De onderzoeksreactor BR2 zal in de toekomst op laagverrijkt uranium draaien. Door van nucleaire brandstof te wisselen, helpt SCK CEN de potentiële verspreiding van hoogverrijkt uranium – een mogelijk bestanddeel van kernwapens – tegen te gaan. Test na test vliegt het nucleaire onderzoekscentrum SCK CEN recht op zijn doel af: een omschakeling in 2026. Instituten elders ter wereld liften mee op het traject dat SCK CEN nu aflegt.

SCK CEN - Jaarverslag Highlights (2022)

BR2 is een van de krachtigste onderzoeksreactoren ter wereld. Hij speelt een vitale rol in de wereldwijde levering van medische radio-isotopen en het testen van nucleaire innovaties. De veelzijdige installatie draait op dit moment op hoogverrijkt uranium. Het nucleaire onderzoekscentrum plant om die splijtstof – de ‘brandstof’ van een reactor – te vervangen door een laagverrijkte variant. In 2021 boekten nucleaire onderzoekers van SCK CEN, nauw gevolgd door internationale partners, aanzienlijk vooruitgang in de voorbereidingen ervan. Als alles volgens planning blijft verlopen, zal het onderzoekscentrum een zoveelste primeur op zijn palmares kunnen schrijven. “We mikken op 2026 om de omschakeling te maken. BR2 zou dan ’s werelds eerste, hoogperformante onderzoeksreactor zijn die overstapt van hoogverrijkt naar laagverrijkt uranium als splijtstof”, glundert projectleider Jared Wight. Met die omschakeling helpt het nucleaire onderzoekscentrum het risico op een verspreiding van hoogverrijkt uranium – een mogelijk bestanddeel van kernwapens – te beperken.

De splijtstof kan echter niet van vandaag op morgen veranderd worden. Aan de omschakeling gaat een heel veiligheidsdossier vooraf. SCK CEN moet aan het Federaal Agentschap voor Nucleaire Controle (FANC) – de nucleaire waakhond in België – bewijzen dat de nieuwe splijtstoftype even veilig als de huidige splijtstof is. “Typisch doorloopt de kwalificatie van nieuwe splijtstof meerdere fases”, legt Jared Wight uit. In de eerste fase worden kleine stalen getest in gematigde omstandigheden. Dat betekent dat het vermogen beperkt blijft en de versplijtingsgraad – de mate waarin de splijtstof opgebrand is – tot 40% gaat. “In de tweede fase stellen we reële, individuele splijtstofplaten bloot aan een hoger vermogen en hogere versplijtingsgraad. In de derde fase worden die splijtstofplaten in de toekomstige splijtstofelementen verwerkt en in reële omstandigheden getest. Voor BR2 zijn 18 platen verwerkt in een kokervormig splijtstofelement.”

Dat het Amerikaanse ministerie van Energie splijtstof met laagverrijkt uranium in België laat testen, bevestigt de wereldwijde rol die de BR2-onderzoeksreactor en onze onderzoekers in dat vakgebied spelen.
Jared Wight

Uitdagend proces

Vorig jaar doorliep de voor BR2 ontwikkelde splijtstof fase twee. De splijtstofplaten verbleven één tot drie cycli – m.a.w. 30 tot 93 dagen – in de reactorkern van BR2. “Door die platen te bestralen, willen we weten hoe de splijtstof zich gedraagt. Het is onvermijdelijk dat de splijtstof zwelt, maar dat zwelproces moet stabiel, beperkt en voorspelbaar zijn. Zwelt de splijtstofplaat te snel en te veel op? Treden er door de kernsplijting processen op die risico’s op scheuren in het omhulsel van de splijtstof veroorzaken? De resultaten die uit onze materiaaltesten vloeien, moeten hierin inzicht bieden”, aldus Jared Wight. “In de voorbije testen vormden er zich alvast geen blazen, die scheuren zouden kunnen veroorzaken.”

SCK CEN - Jaarverslag Highlights (2022)

Daarbij komt dat de onderzoeksreactor niet aan technische prestatie mag inboeten. “In hoogverrijkt uranium kunnen we bijna alle uraniumatomen splijten. Bij laagverrijkt uranium is slechts één op de vijf atomen splijtbaar. Toch moet de nucleaire brandstof hetzelfde kunnen presteren. Het is alsof een bestuurder de tank van zijn auto voor 20% met benzine en voor 80% met water vult, maar wel dezelfde afstand tegen dezelfde snelheid wil afleggen”, vergelijkt Jared Wight.

Om daarin te slagen, hebben de experten van SCK CEN de uraniuminhoud van de laagverrijkte splijtstof met een factor 5 verhoogd en dus op hetzelfde niveau van de huidige splijtstof gebracht. Dat deden ze door het aantal uraniumkorrels in de splijtstofplaten te vermeerderen en voor een uraniumverbinding met een hogere dichtheid te kiezen. Bij die verbinding zijn in elke korrel meer uraniumatomen aanwezig, terwijl de korrels wel even groot blijven. De uraniumatomen zitten daarin dus dichter op elkaar. “Met onze testen controleren we of de nieuwe nucleaire brandstof effectief dezelfde omstandigheden kan creëren die wij voor onze technische missie nodig hebben. Dat is cruciaal voor onze klanten en patiënten. Ze rekenen op ons.”

SCK CEN - Jaarverslag Highlights (2022)

Geleidelijke overgang

De succesvolle bestralingen brengen de onderzoekers een stap dichter bij hun doel: een omzetting van hoogverrijkt naar laagverrijkt uranium. Volgens de huidige planning zullen de eerste, laagverrijkte splijtstofelementen in 2026 hun intrede in de reactorkern doen. “We spreken over de ‘eerste’ brandstofelementen, omdat de omzetting geleidelijk zal verlopen”, duidt Jared Wight. Elke reactorcyclus wordt de kern – bestaande uit ca. 80 bestralingskanalen – anders ingedeeld. Standaard is de helft van die kanalen gereserveerd voor splijtstof, waarvan vijf à tien kanalen voor kersverse splijtstofelementen. De overige bestralingskanalen worden – in functie van de noden – gevuld met deels verspleten staven, experimenten of de noodzakelijke grondstoffen voor de productie van (medische) radio-isotopen. “De transitie naar een reactorkern zonder hoogverrijkt uranium is belangrijk voor SCK CEN. Het illustreert onze leiderspositie in het kwalificeren van splijtstof met laagverrijkt uranium en ons engagement inzake non-proliferatie”, beklemtoont Jared Wight. De omzetting is een moment waar de onderzoekers hard naartoe werken. Instituten elders ter wereld liften mee op het traject dat SCK CEN nu aflegt.

Zuid-Koreaanse brandstoffabrikant schakelt BR2 in

De brandstofleveranciers die laagverrijkt uranium voor onderzoeksreactoren aanbieden, zijn dun bezaaid. Het Amerikaanse BWX Technologies en het Franse Framatome zijn wereldwijd de twee voornaamste aanbieders. Het Zuid-Koreaanse onderzoeksinstituut KAERI heeft de ambitie om zich bij dat selecte groepje te vervoegen. SCK CEN helpt het instituut die ambitie verwezenlijken. Jared Wight licht toe: “KAERI heeft een nieuw type splijtstof voor commercieel gebruik ontwikkeld, maar dient die nog te kwalificeren. Wij stellen onze bestralingsdiensten ter beschikking om de ontwikkelde splijtstofelementen op de proef te stellen. Die test vormt het sluitstuk in het veiligheidsdossier en is het toegangsticket van KAERI om de markt te betreden.”

Verenigde Staten bestelt materiaaltesten bij BR2

Ook het Amerikaanse onderzoekscentrum Oak Ridge National Laboratory in Tennessee wil zijn onderzoeksreactor High Flux Isotope Reactor (HFIR) op laagverrijkt uranium laten draaien. De reactor produceert wereldwijd een van de hoogste neutronenfluxen. “De neutronenflux beschrijft hoeveel atomen er per seconde gesplitst worden. Een hoge neutronenflux maakt materiaaltesten en de productie van unieke radio-isotopen mogelijk. De onderzoeksreactor moet technisch veel kunnen presteren, wat een transitie naar laagverrijkt uranium een uitdagend proces maakt. De vereisten waaraan de nieuwe splijtstof moet voldoen, liggen dan ook hoog”, verduidelijkt Jared Wight, projectleider bij SCK CEN. Om de splijtstof te kwalificeren, laat het Amerikaanse ministerie van Energie – via Idaho National Laboratory – materiaaltesten uitvoeren door het Belgische onderzoekscentrum SCK CEN. Jared Wight is trots: “Het bevestigt de wereldwijde rol die de BR2-onderzoeksreactor en onze onderzoekers in dat vakgebied spelen.”





BR2 als internationaal teststation

Onze BR2-onderzoeksreactor stamt uit het iconische tijdperk ‘golden sixties’. Het werk dat hij sindsdien verricht, is al even iconisch. Hij is wereldwijd een van de belangrijkste ‘isotopenbrouwers’ voor medische en industriële toepassingen. Ook dient hij al decennia als internationaal teststation. In zijn reactorkern werden honderden materialen en splijtstoffen uitgebreid getest, alvorens ze in splijtings- en fusiereactoren ingezet worden. In de laatste twintig jaar herbevestigde BR2 die positie door de kwalificatie van laagverrijkt uranium voor onderzoeksreactoren voor zijn rekening te nemen.

Sven Van den Berghe
Nucleaire Materiaalwetenschappen


 

Bekijk ook

Deel deze pagina