dr. Frodo Klaassen

Nucleair Materiaal
onschadelijk maken
Frodo Klaassen
Kivi Symposium
24 maart 2014
[email protected]
Inleiding
• Wat is nucleair materiaal?
• Hoeveel materiaal is er op de wereld?
• Afbreken en onschadelijk maken van hoogverrijkt
uranium en plutonium
– Hoogverrijkt uranium omzetten naar laagverrijkt uranium
– Plutonium gebruiken als splijtstof in kerncentrales
– Conversie van onderzoeksreactoren: van HEU naar LEU
2
Wat is nucleair materiaal ?
• Nucleair materialen zijn de ‘grondstoffen’ voor nucleaire splijting:
– Uranium, Plutonium, Thorium
• Voor kernwapens kunnen twee elementen gebruikt worden
– Uranium
• Specifiek: hoog verrijkt uranium (HEU)
Uranium met meer dan 20% U-235 (vaak 90% U-235)
• U-233 kan ook gebruikt worden (uit thorium)
– Plutonium
• Specifiek: weapons-grade plutonium (WG-Pu)
Plutonium met maximaal 7% Pu-240 (~ 93% Pu-239)
• De isotopenverdeling van uranium / plutonium is essentieel  hoge
concentratie van de belangrijkste splijtbare isotoop: U-235 of Pu-239
3
Uranium heeft twee isotopen
• Uranium bestaat uit U-235 en U-238
• Uranium-235 is splijtbaar, Uranium-238 niet
• Natuurlijk uranium bestaat uit:
99.3% U-238
0.7% U-235
U-235
neutron
+ Energie
• Voor nucleaire
toepassingen
2 splijtingsproducten
moet uranium verrijkt worden
 verhogen van de concentratie U-235
4
Productie van verrijkt uranium
• Uranium wordt verrijkt met behulp van ultra-centrifuge
• De lay-out van de centrifuge cascade bepaalt de
uiteindelijke verrijkingsgraad
huis
5
Uranium in kerncentrales en in nucleaire R&D
• Typisch onderscheidt men voor uranium drie verrijkingsgraden:
1.
Verrijkt uranium < 5%
– Electriciteitsproductie
2.
Laag verrijkt uranium LEU < 20%
– Research reactoren (nucleaire R&D)
3.
Hoogverrijkt uranium HEU ~ 93%
– U-235 ~ 93% (HEU) in sommige research
reactoren, die nog niet geconverteerd zijn
– Voor militaire toepassingen: HEU, typisch >90% U-235
6
De grens tussen HEU en LEU
• De grens tussen HEU en LEU van 20% wordt bepaald door twee
factoren
1. Proliferatie risico ten opzichte van plutonium
2. Kritische massa bij gegeven verrijkingsgraad
Pu-239
U-235
Uranium
Proliferation Risk
(no scale)
Proliferatie risico
0%
HEU (90% U-235)
HEU (50% U-235)
HEU (20% U-235)
LEU (10 % U-235)
~20%
Kritische massa
van een bol
53 kg
152 kg
747 kg
3630 kg
100%
Uranium fuel enrichment in U-235
7
Plutonium
• Plutonium heeft vijf belangrijke isotopen: Pu-238 to Pu-242
• Alle isotopen hebben een kleine kritische massa ~ 10 kg
• Maar alleen Plutonium-239 heeft ook de ‘juiste’ fysische eigenschappen
 weapons-grade plutonium (WG-Pu) bevat daarom ~ 93% Pu-239
8
Productie van weapons-grade Pu
• WG Plutonium wordt gemaakt uit natuurlijk uranium met 99.3% U-238
• Hiervoor worden specifieke productie reactoren gebruikt
U-238
Plutonium 239

Neutron
Windscale piles (UK)
9
• WG-Pu wordt in speciale
productie reactoren
gemaakt
concentratie 
Productie van weapons-grade Pu
• Het uranium wordt na een
korte bestralingstijd opgewerkt
en het plutonium eruit gehaald
• Splijtstof in kerncentrales wordt
3-4 jaar gebruikt en bevat
uiteindelijk slechts
~ 50-55% Pu-239
~ tijd 
J. Carson Mark, Science &
Global Security 4 (1993), 111-128
10
Het opwerken van splijtstof vindt plaats in grote
fabrieken
11
Significante hoeveelheid (SQ)
• De IAEA definitie van een significante hoeveelheid
(Significant Quantity, S.Q.):
“the minimum amount of fissile material which, if diverted from
peaceful nuclear activities, could be used “directly” (without
further chemical separation or enrichment) to manufacture a
nuclear explosive device.”
• Het IAEA hanteert de volgende massa’s voor S.Q.:
Plutonium = 8 kg
Hoog Verrijkt Uranium = 25 kg U-235
Voorbeeld: in HEU met een verrijking van 36%:
1. S.Q. = 25 kg/0.36 = 70 kg
12
Voorraden hoogverrijkt uranium
1200
Opgeruimd
Overtollig
Civiel
Onderzeeers
Militair
1000
488
800
29
20
30
600
141
63
20
400
252
616
200
10.000
kernwapens
260
0
16
4.7
26
China
Frankrijk
1.4
5.7
India, Pakistan,
Israel
Rusland
8.1
15
11.7
Verenigd
Koninkrijk
Verenigde
Staten
NNW states
13
Voorraden weapons-grade plutonium
140
Opgeruimd
Overtollig
120
34
Additioneel
strategisch
Militair
100
6
4.4
80
49.3
60
88
40
20
0
10.000
kernwapens
38.3
1.8
6
China
Frankrijk
4.7
3.2
1.56
India, Pakistan,
Israel, N-Korea
Rusland
Verenigd
Koninkrijk
Verenigde Staten
14
Voorraden HEU in de civiele sector
25
Civiel HEU
civiele HEU voorraad (ton)
20
15
10
5
40-50 kg
HEU voor
medische
isotopen
0
China
Frankrijk
Rusland
Verenigd
Koninkrijk
Verenigde
Staten
NNW staten
15
HEU en WG-Plutonium onschadelijk maken
• Er zijn grote voorraden militair uranium en plutonium, deels
overtollig verklaard
• Verschillende programma’s proberen deze hoeveelheden terug te
dringen:
• Voor hoogverrijkt uranium:
Megatons to Megawatts programma
• Voor plutonium:
MOX initiatief om 34 ton weapons-grade plutonium
onschadelijk te maken
• Voor civiel hoogverrijkt uranium: GTRI
• GTRI = Global Threat Reduction Initiative
• Conversie van research reactoren van HEU naar LEU
• Transport van US-origin HEU naar de VS
(+ Russiche HEU naar Rusland)
16
Hoog Verrijkt Uranium
• Bestaande voorraden HEU kunnen verkleind worden door ‘downblenden’ en fabricage van splijtstof voor gebruik in kerncentrales
– Direct vermengen met opgewerkt uranium van gebruikte
splijtstof
– Ook natuurlijk of verarmd uranium kan gebruikt worden
– Hieruit krijgen we UO2 splijtstof met lage verrijking (3-5 %)
• Dat was de basis voor het Megatons to Megawatts programme
(1993 - 2013) om overtollig HEU om te zetten in fuel voor
kerncentrales
17
Megatons to Megawatts programma
• 500 ton Russisch HEU (90% U-235) is omgezet in reactor splijtstof
met een verrijking van ~ 4.4% U-235
– Dit geeft 15500 ton laag verrijkt uranium
– Met het huidig gebruik wordt hier zo’n ~ 6200 TWhe mee
gemaakt worden (= meer dan 50 jaar NL elektriciteitsverbruik)
• De Verenigde Staten hebben zo’n 209 ton HEU als overtollig
aangemerkt
– 175 ton HEU hiervan wordt gedownblend
– Tot 2013 is zo’n 141 ton HEU al verwerkt
• 15% van de wereld uranium markt werd gedekt door het
Russische HEU van 1993 - 2013
• Helaas wordt het programma niet voortgezet
www.megatonstomegawatts.com
18
Mox disposition programma
• De VS en Rusland hebben afgesproken, ieder 34 ton
overtollig wapen-plutonium onschadelijk te maken
• MOX = Mixed OXide, een mengsel van uranium en
plutonium oxide
• MOX kan gebruikt worden in
kerncentrales, ook met
weapons-grade plutonium
• Het wordt dan vermengd met
verarmd uranium
19
Mox disposition programma
• De VS en Rusland hebben afgesproken, ieder 34 ton
overtollig wapen-plutonium onschadelijk te maken
• Status van het programma:
– Rusland gebruikt de MOX voor snelle reactoren
– Eerste ‘lead test assemblies’
worden gebruikt in
Amerikaanse kerncentrales
– 4.4 ton WG-Pu is in de VS
opgeruimd door mengen met
keramische mineralen
– Financiering MOX fabriek
staat op hold (budget cuts)
20
Global Threat Reduction Initiative (GTRI)
Presented at:
21
GTRI: shipments van HEU / LEU
• HEU / LEU
Return naar
VS:
• 32 landen
• 9563 fuel
assemblies
• 1.3 ton HEU
• 3.6 ton LEU
22
Conversie van Research Reactoren
• NRG heeft de brandstof van de Hoge Flux Reactor geconverteerd van
HEU naar LEU in 2005 – 2006
• Als één van de eerste grote research reactoren in de wereld
• uranium-aluminium met 93% verrijking 
uranium-silicide met 19.7% verrijking
• De meeste research reactoren
in Europa zijn inmiddels
geconverteerd
• Bij de meest veeleisende
reactoren in Europa (Duitsland,
Frankrijk, België) lukt het niet
om de fuel te kwalificeren
23
Conclusies
• Er zijn nog steeds heel grote voorraden hoogverrijkt uranium en
weapons-grade plutonium
• Het meeste materiaal heeft nog steeds een militair label
– Megatons to Megawatts programma heeft heel veel HEU
onschadelijk gemaakt
– MOX disposition programma wordt geplaagd door (financiële)
tegenslag en vertraging
– Verdere programma’s zijn vooralsnog niet voorzien
• Veel research reactoren zijn of worden geconverteerd van HEU naar LEU
– Hoge Flux Reactor in Petten gebruikt al LEU sinds 2006
– Conversie van ‘veeleisende’ research reactoren is technisch (nog)
niet mogelijk
24

Download Report