Fanny's factcheck: wat is uranium-235?
Uit het stripalbum 'De Kiekeboes: Uranium-235'
Vlaanderens populairste stripfamilie – De Kiekeboes – heeft de hele wereld verkend: van exotische oorden tot diep in de oceaan en zelfs de planetoïde Spih. Maar het is nu de beurt aan dochter Fanny om het voortouw te nemen. In het nieuwste stripalbum duikt ze in de nucleaire sector. De titel "Uranium-235" hint er al naar, maar wat betekent dat eigenlijk?
© In samenwerking met De Standaard Uitgeverij. Alle prenten en verhaallijnen behoren hen toe.
Uranium in een notendop
Als je een blik op de tabel van Mendelejev werpt, dan vind je ergens onderaan het element ‘uranium’. We stellen dit voor met het symbool ‘U’ en het heeft als atoomnummer 92. Het behoort tot de groep elementen die relatief laat in de geschiedenis zijn ontdekt: de zogenaamde actiniden. Uranium is – net als andere actiniden – ‘radioactief’.
Natuurlijk element
Uranium is een zwaar metaal dat van nature voorkomt op aarde. Hoewel het zeldzaam lijkt, is het eigenlijk een van de meest voorkomende elementen in de aardkost. Het is overal aanwezig in kleine hoeveelheden – in water, bodem, voedsel en zelfs ons lichaam. En ook in de oceaan treffen we uranium aan in lage concentraties.
Wist je dat uranium 500 keer meer voorkomt op aarde dan goud?
Uraniumvarianten
Een atoom is opgebouwd uit drie “bouwblokken”: het proton, het neutron en het elektron. Het proton is relatief zwaar en elektrisch positief geladen. Het neutron is ook relatief zwaar, maar elektrisch neutraal. Het elektron is dan weer heel licht en elektrisch negatief geladen. Het aantal protonen in de atoomkern bepaalt het atoomnummer en dus de plaats in de tabel van Mendelejev. Een atoom is elektrisch neutraal: daarom zweven er evenveel elektronen rond een atoomkern als er protonen in de kern zitten. De neutronen die mee in de atoomkern zitten, zorgen voor stabiliteit.
Scheikundige elementen hebben vaak verschillende varianten. Die varianten hebben hetzelfde aantal protonen en delen daarom dezelfde chemische eigenschappen, maar het aantal neutronen in hun kern verschilt. Daardoor hebben ze een licht andere massa. In ons vakjargon noemen we dat ‘isotopen’.
Die isotopen komen enerzijds van nature voor of worden anderzijds door de mens gemaakt (bv. in deeltjesversnellers of kernreactoren). Moeder Natuur heeft voor ons alleszins drie isotopen van uranium gemaakt:
-
Uranium-234
92 elektronen
92 protonen
142 neutronen -
Uranium-235
92 elektronen
92 protonen
143 neutronen -
Uranium-238
92 elektronen
92 protonen
146 neutronen
Kernenergie
Kerncentrales wekken elektriciteit op door neutronen op uraniumatomen te laten botsen. De uraniumkern vangt dat neutron: de kern wordt daarvoor instabiel en splijt in twee kleinere atoomkernen. Daarbij schieten er twee tot drie extra neutronen met hoge energie weg. Die kunnen op hun beurt andere uraniumatomen raken. Zo herhaalt het proces zich keer op keer, vandaar de term ‘kettingreactie’.
Bij kernsplijting komt energie vrij. De vrijgekomen energie wordt afgevoerd door het koelmiddel in de reactor om stoom te genereren. Die stoom drijft een turbine aan, die op zijn beurt met een alternator verbonden is. Het is de alternator die elektriciteit opwekt.
Wist je dat laagverrijkt uranium ter grootte van een kippenei 1,1 kilogram weegt? Daarmee kunnen we evenveel elektriciteit produceren als 88 ton steenkool. De energieproductie van dat ene ‘uranium-ei’ staat gelijk aan 80.000 ‘steenkool-eieren’.
Uranium verrijken
Niet elke variant – ‘isotoop’, weet je nog? – van uranium is geschikt om te splijten. Uranium-235 laat zich het makkelijkst van de kaart brengen door een neutron. Het liefst vangt het trage neutronen, maar eigenlijk is eender welk neutron – traag of snel – goed. Voor uranium-238 liggen de kaarten anders: het wil enkel met snelle neutronen ‘een dansje doen’.
Wist je dat het water in kernreactoren neutronen vertraagt?
Dat betekent dat onze watergekoelde reactoren uranium-235 nodig hebben om een kettingreactie te kunnen onderhouden. Helaas bestaat natuurlijk uranium voor 99,3% uit uranium-238 en slechts voor 0,70% uit uranium-235.[1] Dat is te weinig om het gros van de kernreactoren te laten draaien. Daarom gaan we kunstmatig de hoeveelheid uranium-235 verhogen. Dat proces noemen we ‘verrijking’.
---------------------------------------
[1]En het derde element, uranium-234? Die aanwezigheid is met 0.0054% verwaarloosbaar.
Met verrijking kan het percentage verhoogd worden tot …
-
minder dan 19,75%
Laagverrijkt uranium
Uranium dat tot 19,75% – of 20% in de volksmond – verrijkt is, valt onder de categorie ‘laagverrijkt uranium’. Kerncentrales als Doel en Tihange werken typisch met een verrijkingsgraad tot 4,5%. Dat is voor ons type reactoren een ideale concentratie om een kettingreactie in stand te houden.
-
meer dan 20%
Hoogverrijkt uranium
Uranium dat meer dan 19,75% verrijkt is, heet hoogverrijkt uranium. Wereldwijd worden er veel inspanningen geleverd om het gebruik hiervan zo veel mogelijk te beperken, omdat het – boven een verrijkingsgraad van 85% – mogelijk een bestanddeel van kernwapens kan vormen. Momenteel draait nog een tiental onderzoeksreactoren op hoogverrijkt uranium.
Veiligere wereld
Ook onze BR2 onderzoeksreactor werkt sinds de jaren ‘60 op hoogverrijkt uranium. Die keuze werd bij de bouw gemaakt, opdat de reactor hoge technische prestaties voor materiaaltesten en productie van medische radio-isotopen kan leveren. Maar dat is niet voor lang meer! We plannen om onze splijtstof te vervangen door een laagverrijkte variant. Die omschakeling staat op onze kalender in 2026. Als alles volgens plan verloopt, zullen we dan opnieuw geschiedenis schrijven. BR2 zou dan ’s werelds eerste onderzoeksreactor met hoogperformante splijtstof zijn die de overstap heeft gemaakt.
Die omschakeling is een lang proces: er gaan jaren van ontwikkeling, intensief testen en een uitgebreid veiligheidsdossier aan vooraf. We moeten immers aan het Federaal Agentschap voor Nucleaire Controle (FANC) – de nucleaire, regelgevende autoriteit in België – bewijzen dat het nieuwe splijtstoftype even veilig als de huidige splijtstof is. Daarbij komt dat de onderzoeksreactor ook met de nieuwe splijtstof dezelfde technische prestaties moet leveren. En die prestaties zijn niet niets: BR2 is een van de krachtigste onderzoeksreactoren in de wereld. De medische en wetenschappelijke sector rekenen op hem. Hij speelt wereldwijd immers een vitale rol in de productie van medische radio-isotopen en het testen van nieuwe materialen en splijtstoffen voor de nucleaire industrie.
In 2023 vinkten we een belangrijke mijlpaal in dit omschakelingsproces af. Voor het eerst deden drie laagverrijkte testsplijtstofelementen – net als hun hoogverrijkte broertjes – dienst als echte splijtstof voor de Belgische onderzoeksreactor. De Amerikaanse ambassadeur Michael M. Adler prees ons nog voor deze mijlpaal [zie video hieronder].
Wil je weten hoe die testsplijtstofelementen de test doorstonden?
Duurzame kernenergie
Onze huidige kernreactoren werken op de splijting van uranium-235, en dat is maar een klein deel van de natuurlijke uraniumkoek. Wat als … we ook energie zouden kunnen putten uit uranium-238? Wat als … we met andere woorden ook aanspraak kunnen maken op die 99,3% in natuurlijk uranium? Dan zouden we meer energie uit dezelfde hoeveelheid uranium kunnen halen en springen we efficiënter om met onze natuurlijke grondstoffen. Wij behandelen dit vraagstuk – in opdracht van de Belgische regering – met onderzoek en ontwikkeling van onze loodgekoelde Small Modular Reactor (SMR).
Uranium-238 wil enkel splijten wanneer het botst met snelle neutronen. Om neutronen snel te houden, moeten we ze laten botsen met een koelmiddel bestaande uit zware atomen. De atomen in water zijn ‘te licht’, en dus kozen we bij deze reactor voor lood. Het vloeibare metaal laat toe om grondstoffen efficiënter te gebruiken, maar heeft ook andere voordelen. Dit reactortype zal bijdragen tot een veiligere en meer duurzame vorm van kernenergie.
Wil je in die voordelen duiken?
Nucleaire recyclage
Onze loodgekoelde SMR zal niet enkel grondstoffen efficiënter benutten. De reactor zal dankzij zijn werking met snelle neutronen ook het potentieel hebben om in een gesloten splijtstofcyclus te werken en MOX als splijtstof te gebruiken. MOX staat voor mengoxide: dat bestaat uit oxide van uranium en plutonium. Het kan gemaakt worden door recyclage van gebruikte splijtstof van onze huidige centrales enerzijds of – in de toekomst – door recyclage van eigen splijtstof. We kunnen tot 96% van verbruikte splijtstof opnieuw recycleren! Dit kan de manier waarop we vandaag gebruikte splijtstof van onze huidige kerncentrales behandelen, sterk beïnvloeden.
Wil je weten hoe dat kan?