Nucleaire Technologie in de 21ste Eeuw - Intro

Zijn onze kerncentrales aangetast? Wat met onze nucleaire afvalstoffen?

Nucleaire Technologie In de Eenentwingtigste Eeuw …

Prof.dr.ir. Walter Bogaerts

Lessen voor de XXI s te Eeuw – Preprint

Nucleaire Technologie in de 21 ste eeuw: Zijn onze kerncentrales aangetast? Wat met onze nucleaire afvalstoffen?

Walter Bogaerts *

1. Inleiding: Radioactiviteit ....................................................................................................................... 2

1.1. Wat, waar?.................................................................................................................................... 2 1.2. De oorsprong van radioactiviteit: atoomopbouw ........................................................................ 3 1.3. Isotopen, radioactiviteit en halveringstijd .................................................................................... 4 1.4. Kernreacties: massa wordt omgezet in energie – Over bindingsenergie, fissie en fusie ............. 5 1.5. Radio-isotopen in geneeskunde, landbouw en techniek.............................................................. 7 1.6. Kernenergie en splijtingsreacties .................................................................................................. 8 2. Kerncentrales en Reactoren.................................................................................................................. 9 2.1. Inleiding......................................................................................................................................... 9 2.2. De Reactor: het hart van de kerncentrale .................................................................................... 9 2.3. De diverse families reactoren van de huidige generatie ............................................................ 11 3. Problematiek van de nucleaire afvalstoffen ....................................................................................... 12 3.1. De splijtstofcyclus en het afval: van erts tot tablet .................................................................... 12 3.2. Voor zo’n drie jaar de reactor in ................................................................................................. 14 3.3. Het probleem: radioactief afval .................................................................................................. 15 4. Problemen met onze verouderende centrales ................................................................................... 17 4.1. Inleiding: ‘Ageing’ ........................................................................................................................ 17 4.2. Constructiematerialen: van stralingsschade tot waterstofproblemen....................................... 18 4.3. Concreet in België: De reactoren Doel 3 en Tihange 2 ............................................................... 19 5. Samenvatting en Conclusie................................................................................................................. 21

* Met uittreksels uit: P. De Meester, “ Kernenergie: nee bedankt, ja graag” (1985); momenteel in herwerking door huidige auteur.

1

1. Inleiding: Radioactiviteit

1.1.

Wat, waar?

“ Radioactiviteit ”, of het uitzenden van zogenaamde ‘ioniserende straling’ door materialen, is van overal en – vooral – van alle tijden. Onze ganse ontstaansgeschiedenis in het universum is gekarakteriseerd door radioactieve processen en verschijnselen.

Eén derde van de chemische elementen die we kennen uit het periodiek stelsel, de fameuze Tabel van Mendeljev, is trouwens radioactief van aard (Figuur 1).

Figuur 1: Periodiek systeem van de chemische elementen of ‘Tabel van Mendeljev”.

Misschien tot ongemak van aanhangers van het rabiate groene gedachtengoed bestaat er zelfs ook zoiets als “natuurlijke radioactiviteit”. Dit laatste is de normale achtergrondstraling die we overal te lande en in alle werelddelen meten... Zo is, bijvoorbeeld, de achtergrondstraling in Leuven ca. 5 milli- Sievert per jaar. In de Belgische Ardennen kan dit oplopen tot 8 à 10, in de Kempen is het slechts 2 à 3. Ook het menselijk lichaam zelf straalt radioactiviteit uit! Misschien minimaal, maar dit is het effect van de aanwezigheid van het isotoop Kalium-40; trouwens ook aanwezig in diverse natuurlijke voedings- stoffen. Een belangrijk deel van de radioactieve straling die een menselijk lichaam meestal in zijn leven zal ontvangen zal bovendien afkomstig zijn van medische diagnostische of curatieve behandelingen. Zo kan één CT-scan tot ca. 8 milliSievert aan stralingsdosis opleveren. Is dit Erg? – Voor de medische behandelingen zal het ons hopelijk enkel maar beter maken. Voor het overige lijken kleine stralingsdosissen, volgens vele wetenschappelijke bronnen, zelfs eerder een algemeen beneficieel dan een nadelig effect te hebben op het dierlijk of menselijk lichaam. Diverse testen op proefdieren hebben voor vele radioactieve isotopen een positief effect getoond van kleine blootstellingswaarden t.o.v. zgn. blanco’s. Ook arbeiders uit de nucleaire sector vertonen een eerder positief gezondheidspatroon vergeleken met andere industriële sectoren, alhoewel hier natuurlijk het “ healthty worker effect “ en de grondige permanente medische opvolging een rol kan spelen.

2

1.2.

De oorsprong van radioactiviteit: atoomopbouw

Een atoom kan simplistisch worden voorgesteld als een bol, die bestaat uit een zeer kleine kern waarin praktisch alle massa van het atoom is verzameld, en daarrond een elektronenwolk (Figuur 2). De buitenste elektronen die rond de kern cirkelen, spelen een belangrijke rol bij de scheikundige reacties zoals b.v. verbranding. Atomen hebben een diameter van zowat 10 -10 m (het tien miljardste deel van een meter); op 1 mm kan men er – netjes op één lijn – enkele miljoenen leggen. De kernen hebben een diameter die 10.000 maal kleiner is. Indien men de doorsnede van een atoom vergelijkt met een voetbalveld, dan is de kern niet groter dan een muntstuk op de middellijn. Op 1 mm zou men enkele tientallen miljarden kernen netjes op één rij kunnen schikken (wat onmogelijk is omdat ze elkaar elektrisch zouden afstoten). Daar praktisch alle massa in de kernen zit, zou bij een hypothetische maar praktisch onmogelijke stapeling, een vingerhoed vol ijzeratoomkernen zowat vijf miljoen ton wegen, wat overeenkomt met het gewicht van een lading ijzererts, aangevoerd door een dertigtal reusachtige ertsschepen. Alle kernen van ons lichaam nemen minder plaats in dan een speldekop.

Figuur 2: Schematische voorstelling atoomopbouw

De eenvoudigste kern, nl. deze van het waterstofatoom , bestaat enkel uit een proton, een uiterst klein kerndeeltje, ongeveer even groot als een elektron maar met een massa die bijna tweeduizend maal zwaarder is. Een proton wordt ook gekenmerkt door één positieve eenheidslading, d.i. de kleinste individuele elektrische lading die men kent. Deze positieve lading wordt geneutraliseerd door het negatieve elektron dat rond de kern draait.

Figuur 3: Voorstelling van atoomopbouw van helium-4 en de isotopen lithium-6 en lithium-7.

In de kern van het atoom helium zitten twee protonen, maar ook twee neutronen (Figuur 2). De neutronen zijn even zwaar en even groot als de protonen, maar hebben geen lading. Zij zijn echter noodzakelijk om het bestaan van de heliumkern mogelijk te maken. De twee protonen met hun zelfde

3

positieve lading trachten inderdaad elkaar af te stoten. Door de aanwezigheid van twee neutronen (er zijn in totaal dus vier kerndeeltjes of nucleonen) treden ook de zogenaamde korte-afstandkrachten in werking: evenwicht ontstaat doordat de vier zware nucleonen elkaar aantrekken en aldus het afstotingseffect van beide protonen neutraliseren. Het elektrische evenwicht wordt ook hier weer gewaarborgd door de twee negatieve elektronen, die om de kern met zijn twee positieve protonen wentelen. Zo is in principe elk atoom opgebouwd; we moeten enkel aanvullen met protonen, neutronen en elektronen, en we krijgen het ene atoom na het andere (zie Figuur 1). Zoals geïllustreerd in Figuur 3, kan het gebeuren dat voor een gegeven aantal protonen een verschillend aantal neutronen optreedt. Zo kent men voor het derde element uit de tabel van Mendeljev (dat dus 3 protonen bevat) het lithium -atoom met 3 protonen en 3 neutronen (samen 6 kerndeeltjes of nucleonen), maar er bestaat ook een lithiumatoom met 3 protonen en 4 neutronen (dus met een gezamenlijke massa van 7). Dit brengt mee dat de types lithium-6 (symbool 3 6 Li) en lithium-7 (symbool 3 7 Li) in massa iets verschillen, hoewel ze op dezelfde plaats staan in de tabel van Mendeljev. Men noemt ze isotopen van hetzelfde chemische element. Van één atoomsoort kunnen dus verschillende isotopen bestaan. Zo vindt men in de natuur van tin, het element nr. 50, niet minder dan tien isotopen, die alle stabiel zijn. Ook het lichtste element, waterstof of 1 1 H, heeft een stabiele variant, nl. een kern waar naast het proton ook een neutron aanwezig is. Deze kern is dus dubbel zo zwaar als het lichte waterstofisotoop. Het zware waterstofisotoop 1 2 H) noemt men ook Deuterium (en in verbinding met zuurstof kan het i.p.v. H 2 O – water – ook D 2 O, zgn. “zwaar water” vormen). Wanneer men nu alle atomen en al hun isotopen beschouwt, kan men een verhouding opzoeken van het aantal protonen en neutronen dat nodig is om evenwicht en dus stabiliteit van de kern te bereiken. Voor de lichtere elementen (de eerste twintig) zijn er telkens ongeveer evenveel neutronen als protonen nodig om een stabiele kern te realiseren. Naargelang het element echter zwaarder wordt (dat betekent: naargelang er meer van die positieve deeltjes zijn, die elkaar gaan beïnvloeden en afstoten), heeft men relatief meer neutronen nodig om het atoom nog stabiel te houden. Radioactiviteit – Er zijn in de natuur ongeveer 92 elementen die klassiek bekend waren. Door al de fysica-experimenten die men heeft uitgevoerd en waarbij elementen werden bijgemaakt, telt men er nu in totaal 118 (na de officiële erkenning eind 2015/begin 2016 van het fysieke bestaan van 4 nieuwe elementen, nl. deze met nr. 113, 115, 117 en 118; ze vervolledigen de 7 de rij van het periodiek systeem). Van die 118 elementen kent men 276 stabiele kernen en alles samen werden er meer dan 1.200 verschillende kernen gevonden. Er zijn dus inderdaad ongeveer 1.000 kernen die niet stabiel zijn : ze zijn instabiel omdat hun verhouding protonen/neutronen niet perfect is. Ze zetten zich om tot stabielere kernen onder uitzending van stralen of radiatie ; men noemt deze kernen radioactief . Deze radioactieve kernen hebben ofwel teveel neutronen, ofwel teveel protonen. Die isotopen gaan nu eveneens trachten een gunstige verhouding te verwerven, en dat gebeurt door kernreacties. Zijn er teveel neutronen, dan kan een neutron in een proton worden omgezet. Maar zodoende moet een 1.3. Isotopen, radioactiviteit en halveringstijd

4

kerndeeltje zonder lading omgezet worden in een nucleon met een positieve lading. Dit kan gebeuren door een negatieve lading uit te zenden, nl. een elektron. Zo treedt ß-straling ( bèta ) op, één van de radioactieve stralen. Bij die verschillende omzettingen kunnen echter oo k zgn. α -stralen ( alfa ), en γ -stralen ( gamma ) ontstaan. De α -stralen bestaan in essentie uit helium-kernen (met 2 protonen en 2 neutronen). De γ - stralen worden echter niet door deeltjes gevormd, maar zijn een gewone energiestraling – zoals zonnelicht – , zij het dan een zeer sterke. Zij zorgen voor de uitzending van de overtollige energie van de nieuwe kern. Gammastralen zijn elektromagnetische golven, zoals radiogolven, infrarood, licht of ultraviolet, maar met nog kortere golflengte (of hogere frequentie en hogere energie). Halveringstijd – De isotopen die radioactieve straling uitzenden, bestaan in de natuur gewoon door ontwikkeling van jarenoude stoffen die desintegreren. Een specifiek aspect van de radio-isotopen is wel dat ze niet ineens omzetten. Hoewel ze niet stabiel zijn, zullen ze toch niet plots stabiel worden; dit gebeurt volgens statistische beginselen. In plaats van te spreken van een bepaalde kans per seconde om om te zetten, gebruikt men li ever de notie “ halveringstijd ”, wat duidelijker is : het is de tijd waarop de helft van de hoeveelheid radioactieve isotopen wordt omgezet. Die halveringstijd kan zeer uiteenlopende waarden aannemen voor de verschillende isotopen. Het isotoop polonium-216 (één der zware isotopen) heeft een halveringstijd van 0,15 milliseconde; na 0,15 milliseconde is dus de helft omgezet, na 0,30 milliseconde drie kwart, na 0,45 zeven achtste, enz..., zodat na 1 seconde niet veel meer overblijft. Koolstof-14 echter vergt 5.730 jaar om voor de helft om te zetten; men gebruikt dit fenomeen trouwens om de ouderdom van historische artefacten te bepalen. 235 U) heeft een halveringstijd van 710 miljoen jaar. Het is duidelijk dat bij zeer lange halveringstijden de hoeveelheid straling per seconde eerder laag is. Door het zeer langzame verloop van de omzettingen van U-235 vinden we deze isotopen nog in de natuur. Ze werden immers gevormd bij het ontstaan van de aarde, en hoewel ze desintegreren, blijft er nog voldoende van over om te kunnen ontginnen en isoleren. Een ander isotoop van uranium, uranium-238 (symbool 92 238 U) heeft een halveringstijd van 4,5 miljard jaar en dit stemt ongeveer overeen met de ouderdom van de aarde. Uranium-235 (symbool 92

1.4.

Kernreacties: massa wordt omgezet in energie – Over bindingsenergie, fissie en fusie

De mogelijkheid om energie te leveren door “kernreacties” kan worden verklaard door de kernbouw, en meer speciaal door het verschil in massa's van kernen en van kerndeeltjes. De massa's van nucleonen en elektronen kan men zeer precies berekenen. De massa van één proton, en dus van een waterstofkern, is gelijk aan 1,007276 a.m.e. of atoommassa-eenheden. 1 De huidige meettechnieken voor atoom- en kernmassa's laten toe een kilogram waterstof nauwkeurig te bepalen tot op één tienduizendste van een gram. Nu heeft helium in de kern 2 protonen en 2 neutronen, terwijl rond de kern 2 elektronen

1 Omdat al deze deeltjes zo licht zijn drukt men ze uit in a.m.e.; 1 a.m.e. wordt per definitie gelijkgesteld aan 1/12 van de massa van het isotoop koolstof-12 of 6 12 C. Dit komt ongeveer overeen met 1.66 x 10 -27 kg; in één kg waterstof-atomen zijn er dus 1/1,66x10 -27 of ongeveer 6 x 10 26 atomen. Om zich een idee te vormen van dit onvoorstelbare getal kan men zich inbeelden dat het oppervlak van Vlaanderen volledig bedekt zou worden met lagen glasknikkers van 1 cm diameter; om 6 x 10 26 knikkers te kunnen leggen zouden wij lagen tot een hoogte van 44 miljoen kilometer moeten stapelen.

5

wentelen; maakt men de som van de massa's van deze deeltjes, dan komt men tot 4,033 a.m.e. Meet men echter de massa van een heliumatoom dan vindt men 4,003 a.m.e. Dit verschil van 0,030 a.m.e. noemt men het massadefect of massaverschil , nl. de massa die verdwenen is bij het samenstellen van helium. Dit massaverschil verandert in bindingsenergie , volgens de wet van Einstein. Bij het begin van vorige eeuw heeft Einstein in zijn beroemde relativiteitstheorie aangetoond dat massa en energie in feite gelijkwaardig zijn, verschillende vormen van eenzelfde realiteit. Als men de massa vermenigvuldigt met de snelheid van het licht in het kwadraat bekomt men de overeenkomstige energie ( E = m.c 2 ). Men kan dus de massa omrekenen in energie. 1 H), dat alleen één proton als kern heeft, vertonen alle atomen of isotopen een massadefect. Een gedeelte van hun massa werd bij hun samenstelling onder de vorm van energie uitgestraald; daardoor blijft er niet voldoende massa over opdat de kerndeeltjes afzonderlijk zouden kunnen bestaan; de kern is op die wijze gebonden en kan niet meer uiteenvallen in individuele nucleonen. Bindingsenergie – De verdwenen massa is omgezet in bindingsenergie; hoe groter het massadefect, hoe sterker de bindingsenergie. Deze bindingsenergie kan men voor alle gekende atomen berekenen. Het is logisch dat deze bindingsenergie oploopt met het aantal kerndeeltjes dat in een atoom zit. De zware atomen lood en uranium hebben een veel groter massadefect dan lichte zoals helium of koolstof. Om de atomen onderling te vergelijken, is het interessant om de relatieve bindingsenergie te berekenen door de totale bindingsenergie te delen door het aantal kerndeeltjes. Als men dan de bindingsenergie per kerndeeltje volgt van de lichte tot de zware atomen, dan merkt men een eigenaardig verloop (zie Figuur 4). Eerst stijgt deze specifieke bindingsenergie tot de halfzware elementen (o.a. mangaan, ijzer). Daarna neemt ze terug af naar uranium toe. Relatief zijn de halfzware atomen dus het sterkst gebonden. Behalve lichte waterstof ( 1

Figuur 4: De bindingsenergie per kerndeeltje voor de verschillende atoommassa's.

Fissie en fusie – Uit dit verloop blijkt dat men energie kan winnen op twee manieren: men kan ofwel lichte kernen trachten samen te smelten en daar een zwaardere, sterker gebonden kern van maken ( kernfusie ), ofwel kan men een zeer zware kern splitsen in 2 halfzware, eveneens sterker gebonden kernen ( kernfissie, -splitsing, of -splijting ).

6

Er is in beide gevallen per kerndeeltje een verschil in bindingsenergie; deze bijkomende energie kan worden uitgestraald. Het laatste systeem noemen we de fissie of de splijting. Zij wordt toegepast in een kernreactor op een gecontroleerde wijze en in, bijvoorbeeld, een atoombom op een plotse wijze. Het andere systeem is de fusie , die mogelijk in toekomstige fusiecentrales van de 21 ste eeuw of later zal worden toegepast, en die jammer genoeg ook al verwezenlijkt is in de waterstofbom. Door het samensmelten van waterstof, bij temperaturen rond de 100 miljoen graden Celsius, kan men een enorme hoeveelheid energie opwekken, die nog heviger is dan de splijtingsenergie. Zowel fusie als fissie zijn resultaten van specifieke kernreacties.

1.5.

Radio-isotopen in geneeskunde, landbouw en techniek

Radioactieve isotopen vinden diverse nuttige (of zelfs essentiële) toepassingen in diverse hedendaagse medische, wetenschappelijke, landbouwkundige en technische domeinen.

Kobalt-60 ( 27 60 Co) zet door bèta-uitstraling om in nikkel-60, waarbij ook zeer energetische gamma- straling optreedt; deze straling wordt aangewend bij de behandeling van kankerpatiënten om de kwaadaardige gezwellen te vernietigen. Hetzelfde kobalt-60 wordt ook gebruikt om dikke staallassen radiografisch te controleren op scheurtjes of poriën. In het onderzoeksdomein kunnen, bijvoorbeeld, fosfaatmeststoffen met enkele atomen fosfor die radioactief werden gemaakt, door het meten van de straling worden gevolgd in de verschillende delen van een plant, zodat de kennis over de meststofopname en -omzetting verruimt. Deze volgtechniek of z.g. tracer-techniek wordt ook voor diverse toepassingen in de geneeskunde aangewend. De opname van geneesmiddelen met opsporingsisotopen, de bloedcirculatie, de juiste lokalisatie en afmetingen van organen kunnen precies worden bestudeerd. In de industrie kunnen o.a. het meten van dikten, het opsporen van defecten en het meten van slijtage van diverse technische componenten worden vermeld. Groenten, fruit, garnalen, etc... kunnen met gammastralen worden behandeld om ze voor bederf te vrijwaren, en men kan er eveneens medisch materiaal mee steriliseren. Een specifieke kernreactie is de reactie van uranium-235 met een neutron. Men zou kunnen verwachten dat uranium-235, bij opname van één neutron, zou omzetten tot uranium-236. Het eigenaardige is dat er ook een fenomeen optreedt, met een tamelijk grote fysische kans, waarbij de uraniumkern gaat splitsen in 2 half-zware elementen. Daarbij komen 2 à 3 neutronen vrij, evenals het verschil in bindingsenergie tussen het zeer zware en de twee halfzware elementen, onder de vorm van energie (i.e. warmte; zie Figuur 5).

Figuur 5: Schematische voorstelling van een splijtingsreactie van uranium-235.

7

1.6.

Kernenergie en splijtingsreacties

Aan bovenstaande splijtingsreactie, die een enorme hoeveelheid warmte oplevert (die we kunnen gebruiken om b.v. in elektriciteit om te zetten), zitten ook diverse nevenaspecten vast, zoals splijtingsproducten en neutronen. Wij gaan hier even verder op in. Radioactieve splijtingsproducten – De splijtingsproducten kunnen van allerlei aard zijn, maar t.o.v. de stabiele halfzware elementen hebben ze alle teveel neutronen; ze zijn dus radioactief (bèta- en gammastralers). Vandaar dat in een kernenergiecentrale, waar splijtingsreacties optreden, ook radioactieve splijtingsproducten ontstaan. Die splijtingsproducten gaan op hun beurt omzetten, weer volgens hun eigen halveringstijd, tot stabiele elementen. Ondertussen zenden deze radioactieve producten echter gevaarlijke stralen uit, waarmee men rekening moet houden. Niet alleen in de reactor van de kerncentrale, maar nog zeer lang nadien, gaan deze omzettingen met straling verder (cfr. infra: problematiek van radioactieve afvalstoffen). Neutronenproductie – Een tweede aspect vormen de neutronen: er ontstaan bij een splijtingsreactie gemiddeld 2 á 3 neutronen, die op hun beurt nieuwe kernen kunnen splijten. De neutronen die daar weer uit ontstaan, zullen op hun beurt kernen splijten, enz. Dit noemt men de kettingreactie . De neutronen die ontstaan, hebben een hoge energie en zijn dus zeer snelle neutronen. Zij bezitten een snelheid van 20.000 km/s, waarmee ze in twee seconden rond de aarde zouden kunnen vliegen. Om de kans op verdere splijtingen te verhogen, is het beter ze af te remmen. Men verwezenlijkt dit door ze te laten botsen tegen lichtere elementen, die men moderator noemt (b.v. koolstof in de vorm van grafiet, waterstof in water of deuterium in zwaar water). Net zoals een biljartbal afgeremd wordt door botsing met een even zware biljartbal en bijna niet door botsing met de veel zwaardere band en tafel, kunnen neutronen hun hoge snelheidsenergie afgeven door botsing met zeer lichte elementen. Bij kamertemperatuur kunnen neutronen worden vertraagd tot zowat twee kilometer per seconde, hetgeen overeenkomt met de gemiddelde snelheid van even lichte gasatomen bij dezelfde temperatuur. Deze 'trage' neutronen noemt men daarom ook thermische neutronen. De neutronen die een kettingreactie mogelijk maken kunnen het aantal splijtingen per seconde sterk doen oplopen. De tijdsspanne tussen het ontstaan van een neutron bij een splijting, de afremming ervan en de daaropvolgende splijting, is nauwelijks een duizendste van een seconde. Op één seconde zijn er dus d uizend generaties (“ voortbrengingen ” ). Indien bij elke generatie slechts 1 % meer neutronen zouden ontstaan, zouden er na één seconde reeds twintigduizend maal meer zijn. In een bepaalde werksituatie, zoals in een nucleaire reactor voor energieproductie, is het echter nodig dat telkens hetzelfde aantal splijtingen per tijdseenheid blijft bestaan: indien het te erg zou oplopen, zou de reactie niet meer te controleren zijn. Het aantal splijtingsneutronen mag ook niet te laag zijn, want anders zou de kettingreactie stilvallen. Dat moet bijgevolg perfect worden geregeld.

Een belangrijke bemerking is tenslotte dat neutronen zijn ook zéér doordringend zijn. Zij kunnen door kernreacties stabiele isotopen radioactief maken en ook levende cellen vernietigen. Men moet er dus

8

uiterst voorzichtig mee omspringen en afschermingen voorzien, bestaande uit isotopen die sterk neutronen absorberen (zgn. hoge werkzame doorsnede voor absorptie), zoals boor of cadmium.

Energieproductie – Tenslotte is er het aspect energie, of 'warmte', wat essentieel is in alle nucleaire of “ kerncentrales ” . Door het feit dat de energieproductie in de kernen gebeurt, is ze uiterst geconcentreerd; veel meer dan in alle traditionele ontploffings- of verbrandingsmotoren. Men kan berekenen dat voor eenzelfde gewicht in splijtstof ca. 5 miljoen maal meer energie zou kunnen vrijkomen (theoretisch; niet helemaal te verwezenlijken) dan in een springstofmiddel zoals TNT. Vandaar ook dat kernenergie zo'n enorm geconcentreerde energieproductie mogelijk maakt. Er zitten echter duidelijk gevaarlijke aspecten aan vast en deze moeten onschadelijk worden gemaakt en tot een aanvaardbaar veiligheidspeil worden gebracht. Dat is één van de opgaven bij het ontwerp en bij de constructie van een kernreactor.

2. Kerncentrales en Reactoren

2.1.

Inleiding

Nucleaire elektriciteitsproductie verschilt niet zo sterk van de klassieke elektriciteitsproductie. Enkel de warmtebron verschilt: i.p.v. een ketel waarin water wordt gekookt en de damp verder verwarmd door verbranding van steenkool of aardolieproducten, treft men in een kerncentrale een reactorvat aan waarin de kettingreactie van atoomsplijtingen een intense warmte afgeeft. In het eerste geval zullen bij de verbranding atomen koolstof (C) een verbinding aangaan met atomen zuurstof (O), en zo moleculen koolstofdioxide (CO 2 ) vormen, waarbij er warmte vrijkomt; dit is een exotherme chemische reactie. Bij de splijtingsreactie zullen de kernen van atomen uranium (U) in twee stukken uiteenvallen die daardoor nieuwe lichtere kernen van nieuwe atomen vormen; deze kernreactie gaat gepaard met een warmte- productie die miljoenen maal hoger ligt dan bij de chemische reacties. Het hart van de kerncentrale is de reactor waarin men een kettingreactie realiseert (het schema van een kernreactor wordt gegeven in Figuur 6). Hiertoe moet men een hoeveelheid splijtstof hebben (uranium of plutonium). De warmte die bij de splijting zal vrijkomen moet men opvangen door een koelmiddel (bv. water). Dit koelmiddel stroomt langs de splijtstof en zal daarna de opgenomen warmte in een warmtewisselaar afgeven. Om de splijtstof niet chemisch aan te tasten en vooral om de radioactieve splijtingsproducten niet te laten ontsnappen, wordt de splijtstof aangebracht in een sterke en hermetische bescherming, de huls of de splijtstofbekleding. 2.2. De Reactor: het hart van de kerncentrale

9

Figuur 6: Principeschema van een kernreactor (bron: European Nuclear Society).

De splijtstof wordt ruimtelijk verdeeld, zodat tussenin een moderator kan worden aangebracht. Deze zal ervoor zorgen dat de snelle splijtingsneutronen worden vertraagd, waardoor de kans op een daaropvolgende splijting verhoogt. Om het totaal aantal neutronen over de opeenvolgende generaties op peil te houden, moet een regeling worden aangebracht; regelstaven uit materiaal dat sterk neutronenabsorberend is (zgn. hoge werkzame doorsnede voor absorptie van neutronen) kunnen bij inschuiven in het reactorgeheel de overtollige neutronen opslorpen en kunnen bij neutronentekort weer worden uitgetrokken. Naast de reactor onderscheidt men in een kerncentrale nog verscheidene grote apparaten en machines, waarover verder wordt gehandeld. Vele andere apparaten, leidingen, meet- en controletoestellen worden ter vereenvoudiging niet vermeld. In Figuur 7 worden het principeschema en een doorsnede van een kerncentrale getoond voor het geval van een zgn. PWR of drukwaterreactor. De warmte die door het koelmiddel naar de warmtewisselaar wordt gebracht, kan het water van een tweede koelkringloop (‘secundaire kring’) tot koken en zelfs tot oververhitting brengen. De aldus ontstane stoom kan dan een turbine aandrijven. Op dezelfde as van de turbine zit een alternator, die mee aan het draaien wordt gebracht en elektrische wisselstroom opwekt. De werking van de alternator is vergelijkbaar met die van een fietsdynamo, maar op extreem veel grotere schaal. Deze stroom wordt via hoogspanningslijnen, transformatieposten en laagspanningskabels tot bij de verbruiker gebracht. De turbine draait slechts goed wanneer de uitgeputte stoom wordt gecondenseerd (terug tot vloeibaar water gebracht) in een condersor, die zelf met rivierwater, zeewater of water uit een koeltoren wordt gekoeld. Door de condensatie van de stoom ontstaat een zeer lage druk, met als gevolg een aanzuigeffect op de stoom in de turbine. Het water op zeer lage druk, dat ontstaat uit de condensatie van de afgewerkte stoom, wordt uit de condensor afgevoerd en via pompen opnieuw op hoge druk gebracht. Dit water op hogere druk kan dan weer in de warmtewisselaar warmte van de primaire reactorkring opnemen. Het water van de secundaire kring doorloopt dus een cyclus.

10

De hoeveelheid elektriciteit die men kan opwekken voor een bepaalde hoeveelheid warmte hangt af van het temperatuurverschil tussen de zgn. warme en koude bronnen van de cyclus of van het kringproces. Hoe hoger de temperatuur in de warmtewisselaar (gevoed door de primaire koelkring, die zijn warmte uit de reactor haalt) en hoe lager de temperatuur in de condensor, hoe beter voor de elektriciteitsproductie, of hoe hoger het rendement. Dit geldt natuurlijk ook voor een klassieke centrale met steenkool of aardolie, waarin echter i.p.v. een primaire kring met reactor en warmtewisselaar gewoon een verbrandingsketel staat. In beide gevallen zal echter een belangrijk deel van de geproduceerde warmte op lage temperatuur worden afgegeven aan het rivier- of zeewater van de condensorkringloop. Zoals in de thermodynamica door Carnot (1796-1832) werd aangetoond, kan men nooit alle warmte in mechanische arbeid of elektriciteit omzetten. In de praktijk komt men zelfs meestal niet aan de helft. De afgevoerde warmte is niet alleen een economisch verlies maar kan ook milieuproblemen veroorzaken door de opwarming van waterlopen.

Figuur 7: Schematische voorstelling drukwaterreactor – PWR (bron: www.kernenergieduurzameenergie.nl).

2.3.

De diverse families reactoren van de huidige generatie

Er bestaan verschillende soorten kernreactoren. De oudste, van het oorspronkelijke Fermi-type afgeleid, gebruiken natuurlijk uraniummetaal of een legering in een aluminiumbekleding, verspreid in een groot grafietblok, waardoor lucht of koolzuurgas (CO 2 ) als koelmiddel stroomt: het zijn de gasgekoelde reacto- ren . De combinatie van een grafietmoderator en een gaskoeling kan worden vervangen door zgn. “ zwaar water ” (i.e. water waarin het normale waterstofatoom vervangen is door deuterium: D 2 O) dat zowel modereert als koelt. Zwaar water is echter erg duur en is moeilijk zuiver te houden. In Canada, waar

11

men dank zij de hydraulische energie in het verre Noorden relatief goedkoop zwaar water kan afscheiden, wordt dit type reactor wel gebruikt; men noemt het soms de CANDU-reactor (naar CANada- Deuterium-Uranium). Men kan ook gewoon water (H 2 O) als moderator en koelmiddel gebruiken, maar uit berekeningen en proeven blijkt dat de gewone waterstofkernen teveel neutronen absorberen om met natuurlijk uranium tot een kettingreactie te komen. Bij een verhoogd aandeel uranium-235 (b.v. 3 % i.p.v. 0,7 % in natuurlijk uranium) is de kettingreactie wel te verwezenlijken. Het uranium dat verrijkt is in het isotoop 235, wordt bereid in verrijkingsinstallaties volgens diverse procédés, zoals gasdiffusie of ultracentrifuge. In bepaalde onderzoeksreactoren (en ook in kernwapens) gebruikt men hoogverrijkt uranium, in kern- centrales of vermogenreactoren slechts licht verrijkt uranium (zowat 2 à 6 % U-235). De combinatie gewoon of licht water met weinig verrijkte splijtstof is in zeer veel omstandigheden de meest economische oplossing. Om hogere rendementen te bereiken en dus een warme bron op hoge temperatuur te verwezenlijken, gaat men het water in de reactor onder druk zetten. Bij normale druk kookt het water immers reeds bij 100° C, maar onder verhoogde druk kan men het kookpunt opdrijven. Er is wel een uiterste limiet, want hoe hoog men de druk ook opdrijft, boven 374° C kan men geen water in vloeibare vorm meer hebben. Er zijn nu twee varianten bij de licht-water-reactoren (LWR). Men heeft het type waarbij men het water in de reactor laat koken bij zowat 300° C onder een druk van zeven miljoen pascal (of 70 maal hoger dan atmosferische druk, 70 bar). De geproduceerde waterdamp wordt dan rechtstreeks naar de turbine ge- leid, om na volledige condensatie (bij lage druk) via een pomp opnieuw op 70 bar te worden gebracht en dan in de reactor gevoerd. Dit is het kokend-water-reactortype of BWR (naar Boiling Water Reactor). In de andere variant legt men nog hogere drukken op en vermijdt men dat het water zou koken; het is de drukwaterreactor of PWR (naar Pressurized Water Reactor) (zie Figuur 7). De grote meerderheid reactoren in de wereld is van dit type; het is economisch, relatief veilig en bedrijfszeker. Alle reactoren in België zijn van het PWR-type.

3. Problematiek van de nucleaire afvalstoffen

3.1.

De splijtstofcyclus en het afval: van erts tot tablet

Terwijl de verbranding van fossiele brandstoffen zoals steenkool en aardolie “ alleen ” (sic) maar as en rookgassen achterlaat (incl. voornamelijk CO 2 en andere broeistofgassen), moet bij de aanwending van kernenergie in werkelijkheid de volledige splijtstofcyclus worden beschouwd om het ecologisch effect te bekijken (zie Figuur 8). Uranium haalt men uit uraniumerts. Uraniumertsen vindt men in een reeks landen die tot verschillende regimes behoren, zodat de bevoorrading niet zo kritisch is.

12

Figuur 8: Schematische voorstelling van de splijtstofcyclus (bron: Synatom).

De gekende en vermoede reserves nemen nog voortdurend toe en de exploitatie ervan hangt Vooral af van de marktprijs van het erts. Bij intensief geologische prospectie zou er volgens het NEA (Nuclear Energy Agency, een onderafdeling van de OESO – Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling) in de westerse wereld een voorraad van 10 à 20 miljoen ton bestaan. Bij sterke stijging van de uraniumprijzen kan men er zelfs in de verre toekomst aan denken op economische wijze de enorme maar sterk verdunde uraniumertsvoorraden uit zeewater te ontginnen (ongeveer 4 miljard ton). Dit zou volstaan voor meer dan duizend jaar. Wegens het natuurlijke verval van uranium-238 en uranium-235 treft men in de ertsen een hele reeks radioactieve producten met kortere halveringstijden aan, zoals polonium, radium en radon. Dit laatste is een edelgas met een halveringstijd van drie à vier dagen. In het ganggesteente van het erts is de diffusietijd (de tijd die nodig is om in de omgeving te komen) zo lang, dat de radioactiviteit dan reeds verwaarloosbaar is. Uit het ontgonnen erts echter komt radon veel vlugger vrij. Alle mijnafval zou dus moeten worden afgeschermd ofwel terug in de mijn worden vastgezet. De ontginning van uranium- mijnen moet daarom zeer omzichtig gebeuren, met met alle nodige beveiliging en bescherming van het personeel. Om het uranium vervolgens uit het erts te winnen bestaan verscheidene chemische procédés, die alle vloeibaar afval en ganggesteenten met enige radioactiviteit bevatten. Deze overblijvende radioactiviteit is eveneens lager dan die van het oorspronkelijke erts, maar komt ook hier gemakkelijker vrij. Na het bereiken van een zuivere uraniumverbinding kan een verrijking worden uitgevoerd. Voor alle reactortypes met natuurlijk water (PWR en BWR) heeft men verrijkt uranium nodig: het natuurlijke gehalte van 0,7 % U-235 wordt met enkele procenten (meestal tussen 2 en 7 %) opgevoerd. Van de ver-

13

schillende verrijkingstechnieken zijn vooral de gasdiffusiemethode (zoals in de installaties van EURODIF in Frankrijk, met Belgische participatie) en in mindere mate de ultracentrifuge-methode (zoals het URENCO-bedrijf van Nederland, Duitsland en het Verenigd Koninkrijk) belangrijk. Alle verrijkingsprocédés laten een afvalproduct achter, de `tailings' of het staartproduct dat uit verarmd uranium bestaat (meestal ongeveer 0,25 U-235); wegens de — zij het relatief lage — radioactiviteit van deze grote hoeveelheden staartproducten moeten ze met de nodige veiligheid en zorg voor personeel, bevolking en milieu worden opgeslagen. Van de zuivere uranium-verbinding maakt men zuiver uraniummetaal of -oxide (UO 2 ). Tegenwoordig gebruikt men praktisch alleen tabletten uraniumoxide, die men geperst en gesinterd heeft. Sinteren is een proces waarbij op hoge temperatuur poeders samenkitten. Deze fabricage verloop relatief zuiver omdat alle afval, afgekeurde tabletten en stof zorgvuldig worden verzameld en terug in het productieproces gebracht. De uiteindelijke tabletten zijn porseleinachtige cilindertjes (‘pellets’) van bv. 10 mm hoog en 8 mm diameter. Deze worden geassembleerd in zgn. splijtstofbundels (Figuur 9), die de kern van de reactor vormen.

Figuur 9: Individuele ‘pellets’ en geassembleerde splijtstofbundel.

3.2.

Voor zo’n drie jaar de reactor in

De tabletten, opgeslagen in splijtstofbundels, worden in een reactor geladen. Tussen deze splijtstof- bundels stroomt er water, dat tegelijkertijd moderator en koelmiddel is. Dat alles steekt dan als het ware in een vat, waarop een deksel gaat dat volledig wordt dichtgeschroefd en alles hermetisch afschermt. In dit reactorvat kan dan de kettingreactie optreden. Slechts een deel van het uranium wordt verspleten, want na een bepaalde versplijtingsperiode kan de kettingreactie niet meer doorgaan omdat er nog onvoldoende splijtstof is voor de kettingreactie: de kritische splijtstofmassa wordt niet meer bereikt. De splijtstofelementen die na drie jaar uit de reactor worden verwijderd, bevatten dus nog heel wat bruikbare splijtstof. Ze worden een tijd gekoeld (drie maanden tot meer dan een jaar). De radioactiviteit neemt ondertussen op natuurlijke wijze af volgens de halveringstijd van de splijtingsproducten.

14

Daarna brengt men de bestraalde splijtstofelementen eventeel naar een “ opwerkingsfabriek ” , waar men de schadelijke stoffen van het nog goede uranium scheidt. Dit gerecupereerde uranium kan, zoals het plutonium dat in de reactor door bestraling van U-238 werd gevormd, weer in een splijtstofelement worden gebracht, waar het met vers uranium wordt aangevuld (zgn. “MOX” -brandstof). Ondertussen hebben vorige Belgische regeringen echter beslist (voorlopig) geen opwerking meer toe te laten. De verbruikte brandstofelementen liggen nu opgeslagen op de nucleaire sites van Doel en Tihange. In een opwerkingsfabriek, waarvan het eerste internationale prototype in België stond (de zgn. Eurochemic fabriek op de site van Belgoprocess te Dessel), zal men ook de sterk radioactieve splijtingsproducten afscheiden, waarna dit afval wordt verwerkt tot onoplosbare stoffen, die echter nog steeds sterk radioactief zijn. Bij de opwerking bestaat het gevaar dat vluchtige splijtingsproducten zouden ontsnappen of dat tanks met vloeibare oplossingen van splijtingsproducten kunnen lekken. Ondanks uitvoeringen met dubbele bodem en regelmatige controles, werden er, bijvoorbeeld, in de opwerkingsinstallaties van Hanford lekken gesignaleerd. Het grote gevaar van deze lekken is dat radioactieve producten het grondwater zouden bereiken. Het afval van de opwerkingsfabriek wordt op vele plaatsen onder toezicht bewaard, maar de uiteindelijke bedoeling is om het te stabiliseren; b.v. door een verglazingsproces (ook een Belgische ontwikkeling), waarna het definitief kan worden opgeslagen (“geborgen”) . 3.3. Het probleem: radioactief afval

Het meest delicate aspect van de kernenergie is zeker de eindbehandeling en de definitieve opberging van de radioactieve afvalstoffen; cfr. Figuur 10.

Figuur 10: Algemeen behandelings- en beheersconcept radioactieve afvalstoffen – bron: Niras (Nationale Instelling voor Radioactief Afval en verrijkte Splijtstoffen).

15

In de nucleaire sector onderscheidt men laagactief afval (b.v. speciale beschermkledij, radioactieve vloeistoffen uit ziekenhuizen), middelactief afval (b.v. een defecte en vervangen pomp of klep, uitgeputte harsen of andere producten uit de waterzuivering), en hoogactief afval (splijtingsproducten uit versleten splijtstofelementen). Een klassieke kerncentrale van 1.000 MW levert per jaar gemiddeld 540 m 3 afvalstoffen, waarvan 480 m 3 laagactief afval, 57 m 3 middelactief afval dat geen koeling vergt en 3 m 3 hoogactief afval dat verder moet worden gekoeld. Verder maakt men onderscheid tussen kortlevend (halveringstijd < 30 jaar) en langlevend afval. Laagactief kortlevend radioactief afval (zgn. “ type A afval ”) is vrij onschuldig en kan relatief makkelijk worden verwerkt, bv. door verbranding of supercompactie (Figuur 11 ). Na maximaal zo’n 100 jaar zullen de reststoffen het meeste van hun activiteit verloren hebben. Daarom is tijdelijke opslag en zgn. “oppervlakteberging” in bovengrondse bunkers – eventueel omgevormd tot ‘tumili’ in het landschap – verdedigbaar (Figuur 12).

(a)

(b)

Figuur 11: Illustratie diverse types onverwerkt laag-radioactief afval (a) en controlekamer verbrandingsinstallatie (b) – bron: Belgoprocess.

Figuur 12: Oorspronkelijk Niras-ontwerp oppervlaktebergings- site ‘Categorie - A’ afval te Dessel.

Omtrent de berging van langlevend en middelactief of hoogactief afval (“ type B & C afval ”) is echter heel wat meer debat. Op dit terrein – vooral dat van de definitieve bergingsmethoden – wordt er over de hele wereld intensief onderzoek verricht.

16

Chemische processen beogen eerst het hoogactief afval vast en niet-uitloogbaar (onoplosbaar voor zuren of andere vloeistoffen) te maken: verglazing, steenvorming door hogedruk- en temperatuurpersen, vastleggen in keramisch gesteente, enz. Het voorbereide afval kan in hermetische vaten worden opgeslagen in ondergrondse galerijen, uitgekozen voor hun geologische stabiliteit (graniet- en basaltlagen, zoutformaties of kleilagen).

Figuur 13: (a) Behandeling hoogactief of alfa-houdend afval bij Belgoprocess te Dessel; (b) opslagruimtes voor geconditioneerd laag-radioactief afval.

Onderzoek op de ondergrondse kleilagen te Mol (de zgn. “Boomse klei”) levert veelbelovende resultaten voor wat betreft de uiteindelijke veiligheid van dergelijke berging, alhoewel vragen kunnen worden gesteld omtrent de voldoende dikte en diepte van de beoogde kleiformaties in Mol. Een alternatief in België zou de zgn. Ieperse kleiformatie kunnen zijn, alhoewel deze nog weinig is onderzocht. Betere alternatieven situeren zich misschien internationaal, alhoewel op lange termijn meer investeringen in R&D ron d ‘scheiding en transmutatie’ (zgn. “P&T”, Parti tioning & Transmutation) van de hoogactieve afvalstoffen waarschijnlijk de enige ethische en duurzame uitweg is. Misschien moet er zelfs opnieuw gedacht worden aan een gans nieuwe nucleaire cyclus, gebaseerd op Thorium- grondstoffen i.p.v. Uranium. Een ‘gesloten cyclus’ (cfr. Figuur 8) zou het einddoel moeten zijn.

4. Problemen met onze verouderende centrales

4.1.

Inleiding : ‘Ageing’

‘Ageing’ of veroudering van industriële installaties begint een endemisch probleem te worden in onze technologische maatschappij. Veel van onze industriële infrastruuctuur (chemische bedrijven, olie- raffinaderijen, moderne staalindustrie, bruggen, wegen, ...) dateert van de ‘boomende’ jaren ’60, ’70 of ‘80. Zo ook onze nucleaire centrales, die in die periode ontworpen of gebouwd zijn.

Dit betekent dat veel van deze infrastructuur momenteel 30 à 50 jaar oud is, daar waar de oorspronkelijk voorziene afschrijvingstermijn (levensduur) vaak slechts 20 jaar of iets meer bedroeg. Dit

17

is een gigantisch probleem, dat zelfs aanleiding heeft gegeven tot het ontstaan van een nieuw onderzoeksdomein rond ‘ ageing’ van procesinstallaties: hoe lang kan men deze nog veilig bedrijven? Wanneer is het punt van ‘end of life’ definitief aangebroken? Wat zijn de risico’s? Reparat ies, ontmanteling of nieuwbouw? Etc...

Ook de nucleaire sector ontsnapt niet aan dit dilemma. De recente situaties rond de kerncentrales van Doel en Tihange hebben dit duidelijk aangetoond.

4.2. Constructiematerialen: van stralingsschade tot waterstofproblemen

Nucleaire centrales worden continu onderhouden en, waar nodig, worden tijdige vervangingen doorgevoerd ( preventief i.p.v. curatief onderhoud). Een typisch, grootschalig, voorbeeld is de vervanging van stoomgeneratoren in PWR-centrales (cfr. Figuur 7). Stoomgeneratoren zijn een essentieel onderdeel van de centrale, doch zijn permanent onderhevig aan diverse corrosiereacties van de constructiematerialen, zelfs al zijn deze vervaardigd uit hoogwaardige nikkellegeringen (Inconel 600, Inconel 690,...). Het contact met het hoge-temperatuur water van de primaire en de secundaire kringloop veroorzaakt diverse corrosiefenomen of materiaaldegradatie- verschijnselen (putcorrosie, spanningscorrosiescheuren, intergranulaire corrosie, etc.). Vaak worden deze veroorzaakt door de insijpeling van onzuiverheden in het water of door een niet-optimale waterchemie. Vaak zijn ze ook quasi niet te vermijden... Het belangrijkste probleem situeert zich bij de permanente aanwezigheid van (al dan niet) hoge stralingsniveaus, waaraan sommige componenten onderhevig zijn. Dit is niet zozeer het geval voor bovengenoemde stoomgeneratoren, doch des te meer voor het centrale reactorvat of RPV (Reactor Pressure Vessel, cfr. Figuur 7). Dit is het echte hart van de reactor en is niet alleen onderhevig aan blootstelling aan het primaire reactorwater, maar eveneens aan intense straling. Deze straling veroorzaakt fysische verbrossing van het constructiestaal, door beïnvloeding van de micro- structuur van het materiaal, wat uiteindelijk de mogelijke levensduur van het stalen vat gaat beperken. Vroegere studies en berekeningen gingen uit van een mogelijke levensduur van 40 jaar, maar nieuwe experimenten hebben trachten aan te tonen dat levensduurverlengingen tot 60 (of mogelijk zelfs 80) jaar mogelijk zouden moeten mogelijk zijn. Hierbij is echter weinig rekening gehouden met de chemische belasting die de wand van het reactorvat ondergaat. Deze is permanent blootgesteld aan het primaire reactorwater, dat (o.w.v. chemische redenen) niet alleen grote hoeveelheden geïnjecteerde waterstof bevat, maar waarbij het water door de straling ook nog eens gaat ontbinden (radiolyse) met de vrijzetting van waterstofatomen, en daarnaast ook nog eens corrosiereacties kan teweegbrengen, waarbij als nevenproduct opnieuw waterstofatomen kunnen ontstaan... Een gedeelte van de ontstane waterstofatomen (H) zullen combineren tot waterstofmoleculen (H 2 ) en zullen als gas kunnen ontwijken in het reactorwater. Een ander deel zal echter gaan diffunderen in het metaal van de reactorwand en – belangrijk – een bijkomend verbrossingseffect van het metaal kunnen veroorzaken. Dit fenomeen is voor RPV’s nog (relatief) weinig onderzocht, alhoewel het fenomeen van

18

waterstofverbrossing – of andere waterstofproblemen – genoegzaam bekend is in andere sectoren, zoals o.a. de petrochemie, en het ook in de vroege dagen van de nucleaire industrie beschouwd werd als een belangrijk potentieel probleem.

4.3.

Concreet in België: De reactoren Doel 3 en Tihange 2

De problematiek van de reactoren Doel 3 en Tihange 2 in België (de zgn. “scheurtjesreactoren”) is een relatief complex verhaal geworden, dat al aansleept sinds midden 2012 en waarin slechts eind 2015 van overheidswege werd beslist tot een heropstart van de centrales. Wat is het verhaal ? – In juni 2012 wordt de reactorkuip van Doel 3 onderworpen aan een nieuwe inspectie met behulp van een ultrasoontechniek (UST). Het doel van de inspectie bestaat erin om de reactorkuip te controleren op de aanwezigheid van eventuele ‘under -clad defects' (openingen tussen de 20 cm dikke stalen wand van het reactorvat en zijn roestvaststalen binnenbekleding die een afscherming geeft t.a.v. het primaire reactorwater – Figuur 7), zoals o.m. in Frankrijk was vastgesteld. Dergelijke ‘under -clad defects' worden niet gevonden, maar de ultrasooninspectie brengt wel aan het licht dat binnenin de stalen wand van de reactorkuip andere ongeïdentificeerde fouten aanwezig zijn, zelfs enkele duizenden. Daarop wordt beslist dat de reactor Doel 3 niet opnieuw mag worden opgestart voordat er duidelijkheid is over de aard en de oorsprong van deze UST-foutindicaties. In september 2012 wordt ook de reactorkuip van Tihange 2, die vervaardigd werd door dezelfde fabrikant (i.e. Rotterdamsche Droogdokmaatschappij), onderworpen aan hetzelfde ultrasoononderzoek. Daaruit blijkt dat de reactorkuip van Tihange 2 vergelijkbare foutindicaties vertoont als Doel 3, zij het in mindere mate.

Na enig onderzoek worden de ontdekte fouten geïdentificeerd als zgn. ‘ hydrogen flakes ’, ‘hydrogen flaws’ of ‘shatter cracks’ , maar in vele berichtgevingen eufemistisch omgedoopt tot “waterstofvlokken”.

(a) (b) Figuur 14: (a) Opbouw van RPV, bestaande uit verschillende gesmede stalen ringen die worden samengelast; (b) montage van RPV in reactorgebouw (bronnen: FANC, Areva).

Bij de productie van stalen stukken kan het gebeuren dat er op het moment van het afkoelen en uitharden nog te veel waterstof aanwezig is in het gesmede stuk. Dit kan leiden tot de vorming van kleine belletjes in het staal. In dit geval zijn die belletjes bij het smeden van de ringen, die later samen de

19

reactorkuip zullen vormen (Figuur 14) , platgedrukt tot “waterstofvlokken” met een gemiddelde lengte van 12 tot 16 mm en “ de dikte van een sigarettenblaadje ” (cfr. www.fanc.fgov.be ). Dit laatste is eigenlijk irrelevant daar de mechanische sterkte hoedanook is aangetast, maar gelukkig blijken in dit geval de geïnduceerde scheuren/scheurtjes grosso modo laminair georiënteerd, waarbij ze quasi evenwijdig met de kromming van de wand van het reactorvat lopen. Het optreden van ‘hydrogen flakes’ (of ‘shatter cracks’) in stalen constructies is een historisch welbekend en uitgebreid bestudeerd fenomeen in de metallurgie. Het zijn in feite kleine – door waterstof geïnduceerde – brosse metaalbreuken(-jes), vooral rond insluitsels of onzuiverheden in het staal. Het is echter de eerste keer dat dit fenomeen ook wordt vastgesteld in de wanden van de reactorkuip van een werkende nucleaire centrale (illustratie: zie Figuur 15).

Figuur 15: Waterstofscheuren van RPV-staal (H. Pircher, J. Nuclear Engineering & Design, 1991) en microscopisch aanzicht breukoppervlak.

Naar aanleiding van deze ontdekking beslist het FANC, het Federaal Agentschap voor Nucleaire Controle, dat de kernreactoren van Doel 3 en Tihange 2 niet opnieuw mogen worden opgestart tot de exploitant Electrabel heeft kunnen aantonen dat de aanwezigheid van de fouten geen impact heeft op de integriteit en dus op de veiligheid van de reactorkuipen. Na het neerleggen van een eerste veiligheidsrapport beslist het FANC in mei 2013 dat beide reactoren terug mogen worden opgestart, hetgeen ook prompt gebeurt. In maart 2014 leveren echter bijkomende breuktaaiheidstesten van analoge reactormaterialen onverwacht negatieve resultaten op. De reactoren gaan terug dicht. In februari 2015 worden bovendien resultaten vrijgegeven van nieuwe UST-metingen die niet alleen aantonen dat er grotere scheuren zijn dan aanvankelijk aangenomen (tot 17,9 bij 7,2 cm), maar dat er ook veel meer zijn (13.047 in Doel 3 en 3.149 in Tihange 2). Tegelijkertijd rijst twijfel over een aantal hypotheses en verklaringen. Scheuren gegroeid of niet gegroeid ? – De grote vraag is of dergelijke grote scheuren (alsook dergelijk groot aantal) niet zou gedetecteerd geweest zijn bij de acceptatietesten na het vervaardigen van de reactorvaten, en dus: of het wel plausibel is aan te nemen dat al die scheuren al bestonden van bij het begin en niet zouden zijn gegroeid (of bijkomend ontstaan) tijdens de 30-jarige operatie van de reactor. Dit is steeds in twijfel getrokken door een aantal deskundigen en auteurs (waaronder de huidige) en mogelijke scheurgroei zou, bijvoorbeeld, kunnen ontstaan door de productie van nieuwe waterstof als kathodisch nevenproduct van corrosiereacties, als radiolyseproduct van het reactorwater, of nog via

20