Icon up Overzicht

Reactorvoer uit Almelo

Onderwerp: (Duurzame) energie, Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Kernfysica

Kernconflicten en problemen met kernreactoren zijn meestal problemen van ver weg. In Nederland hebben we om exact te zijn één werkende kerncentrale en er is ook geen sprake van een militaire kernwapenwedloop. Wat de meesten echter niet weten, is dat er in het vredige Twente een bedrijf gehuisvest is dat in theorie in staat zou zijn om de brandstof voor kernwapens te produceren.

Gelukkig streeft men in de uraniumverrijkingsfabriek van Urenco vredigere doeleinden na. In de fabriek, gelegen vlak naast de spoorlijn Almelo – Hengelo (zie fig. 1), wordt uranium verrijkt om gebruikt te worden in kernreactoren overal ter wereld. Met studievereniging Arago van de Universiteit Twente zijn wij een middagje op bezoek geweest bij dit bedrijf.

Figuur 1: uraniumverrijkingsfabriek Urenco vanuit de lucht gezien. Het grijze terreintje links is een opslagplaats voor uraniumfluoridetanks. Linksonder de spoorlijn, rechtsboven de N743. Linksboven het wereldstadje Bavinkel.

Nadat we bij het fabrieksterrein aangekomen zijn worden we uitgebreid gecontroleerd voordat we het terrein op mogen. Identiteitsbewijzen worden gecheckt en computerapparatuur moet achterblijven. Na deze procedure krijgen we een inleidend praatje van medewerkster Judith Slijkhuis. Het uranium van Urenco is afkomstig uit mijnen in Canada, Kazachstan en voornamelijk Australië krijgen we te horen. Uranium dat zo uit de grond komt bestaat voor ongeveer 0,7 % uit de isotoop U235, en voor de rest uit U238. De meeste kernreactoren hebben echter uranium nodig met een U235-gehalte van ergens rond de 4 %. Dat is wat er bij Urenco gebeurt: het vergroten van het aandeel U235 in uranium, oftewel verrijken.

Ultracentrifuges

Het verrijken van uranium gebeurt door middel van centrifugeren in zogenaamde ‘ultracentrifuges’ (zie fig. 2). Een klein probleempje daarbij is dat centrifugeren niet zo goed werkt met vaste stoffen. Daarom wordt uranium in de mijnen waar het gewonnen wordt vermengd met fluor. Dat levert uraniumfluoride (UF6) op, een stof die vast is bij kamertemperatuur en gasvormig wordt bij zo’n 60 graden Celsius. De uraniumfluoride wordt, in vaste vorm, in grote tanks naar de verrijkingsfabriek getransporteerd. Aldaar wordt het uraniumfluoride in grote centrifuges gecentrifugeerd, zodat het lichtere U235F6 van het zwaardere U238F6 gescheiden kan worden.

Eén enkele centrifuge verrijkt uranium niet genoeg om het in te zetten als nucleaire brandstof, krijgen we te horen. Daarom zijn er zogenaamde ‘cascades’ gebouwd, groepen van enorme hoeveelheden centrifuges, tot een aantal van rond de duizend. Elke centrifuge brengt een stroom verarmd en een stroom verrijkt uranium voort. Het is echter lang niet zo dat al het U235 aan de binnenkant van de centrifuge weggehaald kan worden terwijl al het zwaardere U238 zich aan de buitenkant verzamelt. Beide stromen bevatten nog genoeg van elke isotoop om opnieuw gecentrifugeerd te worden en voeren dus naar een volgende centrifuge. Zo wordt bij elke centrifuge het verrijkte uranium verder verrijkt en het verarmde uranium verder verarmd, en op deze manier kan uiteindelijk een voorraad uranium verkregen worden met een voldoende groot U235-gehalte.

Figuur 2, links: (zeer) schematische weergave van de eerste drie ultracentrifuges van een cascade. Hoe lichter de pijl, des te rijker het uranium. Rechts: (zeer) schematische weergave van een ultracentrifuge. De cijfers staan voor: 1. toevoer van UF6, 2. afvoer van verrijkt gas, 3. afvoer van verarmd gas, 4. behuizing, 5. rotor, 6.motor [1]

De meeste ultracentrifuges van Urenco zijn gebouwd in de jaren ’70. Ze waren in principe bedoeld om het vijf jaar vol te houden. Bijna alle centrifuges doen het echter nog tot op de dag van vandaag. Nou lijkt dat op zich niet zo vreemd… totdat je te horen krijgt dat ze sindsdien 24 uur per dag, 365 dagen per jaar in bedrijf zijn. Het geheim is een speciaal soort lager die werkt met olie die ervoor zorgt dat de rotor opgetild wordt tijdens het draaien en zo dus minimale wrijving ondervindt.
Maar wat gebeurt er als er toch ooit een centrifuge uitvalt? Want dan zou je de hele cascade toch moeten stilleggen om reparaties uit te voeren…
‘In zo’n geval wordt die centrifuge gewoon overgeslagen. Dat hij niet meer draait wil niet zeggen dat er lekken zijn,’ aldus Judith Slijkhuis. ‘Bij het opstarten van het hele zaakje wil het ook wel eens voorkomen dat een paar centrifuges direct kapotgaan. Dat is dan jammer, die doen gewoon niet mee. Nu de centrifuges een levensduur van meer dan dertig jaar hebben bereikt valt er nu en dan wel eens eentje uit, maar pas als dat hele groepen worden wordt er eens gekeken of het niet zinvoller is om de hele zaak te repareren dan wel te vervangen.’

Het principe van de centrifuge

Centrifugeren is een manier om twee stoffen van elkaar te scheiden. De techniek berust op het feit dat voor elke cirkelbeweging een kracht nodig is die je steeds naar binnen trekt: de middelpuntzoekende kracht
Een voorwerp dat in beweging is beweegt van nature, volgens de eerste wet van Newton, in een rechte lijn voort. Een voorwerp kan alleen een cirkelbeweging ondergaan als het op een of andere manier vastgehouden wordt: bij een emmer die je boven je hoofd rondslingert doet het touw dat, in een centrifuge is het de buitenwand van de centrifuge. Voorwerpen in een centrifuge worden dus altijd binnenboord gehouden door de normaalkracht van de buitenwand. Dit zie je bijvoorbeeld in een wasmachine: als de trommel draait, gaan alle kleren tegen de wand aan zitten, omdat ze eigenlijk rechtdoor willen bewegen. De kracht die het voorwerp tegenhoudt (dus de spankracht in het touw of de normaalkracht van de wand) heet dan de middelpuntzoekende kracht (ook wel centripetaalkracht). Zodra de centripetaalkracht wegvalt (bijvoorbeeld als het touw aan de emmer breekt), beweegt het voorwerp in een rechte lijn verder, we ervaren dat vaak als ‘naar buiten geslingerd worden’ .
Dit principe kan gebruikt worden om twee stoffen te scheiden, omdat de grootte van de kracht afhangt van de massa van het voorwerp (volgens de tweede wet van Newton: F=ma). Hoe zwaarder het voorwerp, des te groter de benodigde kracht om zijn baan af te buigen. Het resultaat daarvan is dat in een centrifuge de zwaardere deeltjes meer aan de buitenkant gaan zitten dan de lichte deeltjes. Omdat de baan van zware deeltjes moeilijker is af te buigen, zullen die de lichte deeltjes aan de kant duwen in hun poging om hun oude baan vol te houden.
In de volgende animatie is te zien hoe dit werkt. Je ziet zware (blauwe) deeltjes en lichte (rode) deeltjes die in een centrifuge zitten.

Het principe van de centrifuge toegelicht in een animatie

Rondleiding

Na een hoeveelheid informatie verwerkt gekregen te hebben gaan we op pad door de fabriek. We zien de grote tanks waarin de uraniumfluoride wordt aangeleverd, die in een enorme hal bij honderden liggen opgeslagen. Grote hijskraanachtige gevallen transporteren deze wanneer nodig. We nemen een kijkje in een van de hallen waarin de cascades staan opgesteld. Door een raampje mogen we naar binnen kijken. De cascades bestaan uit een enorme hoeveelheid circa drie meter hoge cilinders waar zandzakken aan hangen. Waar zouden die voor zijn?
‘Die zijn voor de stabiliteit’, aldus Geert Pluimers, die ons rondleidt. ‘Om ervoor te zorgen dat een centrifuge nooit gaat wankelen. Dan zou de rotor namelijk tegen de buitenwand aan kunnen komen, zodat de boel gaat slijten. Het is trouwens interessant om te vermelden dat de locatie Almelo destijds is uitgekozen vanwege de grond, die hier van heel Nederland het stevigste is en dus de minste kans heeft op verschuivingen of schokken. Men wilde kiezen tussen Zuid-Limburg, Twente en Groningen, want in die streken was de werkloosheid sterk omhoog gegaan na het inzakken van de zware industrie,’ weet hij nog te melden.
Hoe de centrifuges exact werken krijgen we niet te zien. De precieze techniek is geheim. Of beter gezegd, had dat moeten zijn: ongeveer alle uraniumverrijkingsfabrieken in Noord-Korea, Pakistan en nog wat andere landen zijn gebaseerd op technieken die ontwikkeld zijn bij Urenco, en in de jaren ’70 het land uit gesmokkeld zijn door de Pakistaanse ingenieur Abdul Khan [2].

Veiligheid en milieu

Milieubescherming is natuurlijk altijd een issue als het over kernenergie gaat. Ook Urenco heeft daar het nodige van gemerkt in de vorm van tegenstand van onder andere Greenpeace, dat fel tegen kernenergie is. Toch is de tegenstand in de laatste jaren bijna alleen maar via juridische weg en Urenco heeft tot nog toe alles gewonnen. Wel krijgen we een leuk verhaal te horen van een demonstrant die zich aan de toegangspoort had vastgeketend en door iedereen genegeerd werd, behalve door de portier die hem een kop koffie aanbood.
Verder staat veiligheid natuurlijk altijd voorop in een fabriek als deze. Zo moeten we, net als alle werknemers van het bedrijf aan het eind van een werkdag, op een apparaat gaan staan dat ons vervolgens vertelt dat we niet met straling besmet zijn. We horen dat het zelfs al een keer voorgekomen is dat er iemand echt gecontamineerd was, maar niet met een gevaarlijke dosis. Daarvoor zijn de stralingen waarmee gewerkt wordt niet hoog genoeg. ‘Het ergste dat ons kan gebeuren is volgens mij dat er een vliegtuig neerstort op de opslagplaats voor de uraniumfluoridetanks en zelfs dan is de brand het grootste gevaar,’ zegt Judith Slijkhof. Kijk, dat stelt ons nou gerust.

Medewerkers van Urenco krijgen dagelijks te maken met een scan die controleert of ze stralingsvrij zijn. Een leuke opgave over stralingsbescherming vind je hier.

Bronnen

[1] Robert Bos, Urenco Almelo, van startmotor tot hoogwaardige centrifuge, www.natuurkunde.nl
[2] Abdul Qadir Khan, nl.wikipedia.org