Dialoog over de toekomst van radioactief afval
De brandstof voor klassieke kerncentrales bestaat uit uraniumoxide (UO2) waarin bepaalde uranium-isotopen (o.a. uranium-235) werden aangerijkt ten opzichte van wat er in natuurlijk uranium voorkomt. Door de uraniumbrandstof in een bepaalde configuratie in de kernreactor te laden, kan energie worden geproduceerd door de uranium-235-atomen te doen splitsen.
Bij die splitsing worden lichtere elementen (splijtingsproducten) geproduceerd, waarvan een deel radioactief is. Daarnaast worden zwaardere elementen dan uranium gevormd (plutonium en een reeks andere stoffen, die samen de lagere actiniden genoemd worden – deze zijn steeds radioactief).
Tenslotte zullen ook de structurele elementen waarin de brandstof vervat zit, en onzuiverheden in de uraniumbrandstof zelf geactiveerd worden, wat betekent dat ze radioactief worden hoewel ze dat oorspronkelijk niet waren (activatieproducten). Hetzelfde gebeurt in de kernreactor ook met bepaalde constructie-elementen (zoals bijvoorbeeld metalen of betonstructuren nabij de reactor).
Zo worden dus drie types radioactieve elementen geproduceerd bij kernenergie: splijtingsproducten, activatieproducten en actinides (bestaande uit uranium, plutonium en de lagere actinides).
Vandaag kan er al een vorm van recyclage worden toegepast op verbruikte splijtstof van een nucleaire centrale. Hierbij wordt het nog bruikbare uranium en plutonium uit de verbruikte splijtstof gehaald, waarmee nieuwe brandstofelementen voor kerncentrales worden gemaakt (zogenaamde MOX-brandstof of meng-oxides, een mengsel van uranium- en plutoniumoxide).
De andere elementen (splijtingsproducten, activatieproducten en lagere actinides) worden als afval geconcentreerd en in een glasmatrix gegoten. Dit verglaasd afval wordt dan ultiem afval. Op die manier kan het plutonium één keer hergebruikt worden. De bestraalde MOX-brandstof wordt dus niet meer hergebruikt. Dit noemen we een gedeeltelijk gesloten brandstofcyclus. De verbruikte MOX- brandstof wordt dan beschouwd als een ultieme vorm van afval die geborgen moet worden om de veiligheid op lange termijn te garanderen.
Er wordt momenteel onderzoek gedaan om het uranium en plutonium uit de verbruikte MOX-brandstof nog eenmalig te kunnen recycleren in de huidige reactoren (generatie II/III) of om het steeds opnieuw te recycleren in een gesloten cyclus. Voor dat laatste is een nieuw type kernreactor nodig, de zogenaamde snelle reactoren van generatie IV.
Doordat op die manier geen plutonium geborgen moet worden, zou dit de radiotoxiciteit van het te bergen afval sterk verminderen. De radiotoxiciteit is de schadelijkheid bij directe inname, zoals inslikken of inademen. In de klassieke verbruikte splijtstof is de radiotoxiciteit vooral afkomstig van het plutonium, en in mindere mate van de lagere actiniden. Het is belangrijk te weten dat radiotoxiciteit slechts één van de parameters is van belang voor de veiligheid van een geologische berging.
Bijkomend aan deze gesloten cyclus zouden via partitie en transmutatie (P&T) ook de lagere actiniden gesplitst (getransmuteerd) naar minder radiotoxische radionuclides kunnen worden. De transmutatie kan gebeuren in een snelle reactor of in een specifieke transmutatiereactor. België investeert in dit onderzoek, onder meer via het SCK CEN in Mol en de bouw van de MYRRHA-reactor, ’s werelds eerste onderzoeksreactor die door een deeltjesversneller wordt aangedreven. Om het grootste deel van de lagere actiniden te kunnen splitsen, is eveneens een continue recyclage nodig (dus een gesloten cyclus). Naast onderzoek naar de transmutatiereactor is daarom ook onderzoek lopende naar technieken om de lagere actiniden af te scheiden (‘partitie’) uit de verbruikte brandstof.
Bij de keuze voor een gesloten cyclus moeten we er echter wel rekening mee houden dat dit de industriële uitbouw van verschillende nucleaire installaties gedurende een lange periode — in de grootteorde van 100 jaar — zal vereisen. Dit zal leiden tot de productie van bijkomende hoeveelheden afval, waaronder langlevende splijtingsproducten en activatieproducten.
Ongeacht welke reactortechnologie of brandstofcyclus gebruikt wordt, worden bij de splitsing van atomen zowel energie als splijtingsproducten gevormd. Deze splijtingsproducten (waaronder iodium-129 (met een halveringstijd van 16 miljoen jaar), selenium-79 (356.000 jaar), technecium-99 (214.000 jaar), cesium-135 (2,3 miljoen jaar) …) zijn niet te recycleren en zijn ultiem, langlevend afval waarvoor een oplossing op heel lange termijn nodig is. We komen dan opnieuw uit bij geologische berging. Daarnaast zijn de geavanceerde nucleaire technieken niet praktisch haalbaar op reeds bestaand geconditioneerd afval zoals verglaasd en gebitumineerd afval.
Meer dan veertig jaar onderzoek heeft aangetoond dat in de verwachte evolutie van het bergingssysteem enkel langlevende radionucliden uiteindelijk de biosfeer bereiken. De radionucliden die op termijn uit het afval vrijkomen, kunnen namelijk enkel door een heel traag transportproces (diffusie) doorheen de geologische laag bewegen. De kortlevende radionucliden zullen dus al lang vervallen zijn vooraleer ze de biosfeer bereiken.
Voor de langlevende radionucliden hangt het vrijkomen in de biosfeer af van hoe sterk ze vastgehouden worden in het bergingssysteem (de verpakking en de bergingsinstallatie, en de geologische laag waarin de berging is ondergebracht).
In het geval van geologische berging in bijvoorbeeld weinig verharde klei worden de actiniden sterk vastgehouden omdat het hier over zware metalen gaat die als het ware kleven aan de kleipartikels (klei wordt trouwens ook in de medische sector gebruikt in geval van vergiftiging met zware metalen). Ook een deel van de splijtings- en activatieproducten worden sterk vastgehouden. Het vrijkomen in de biosfeer van de splijtings- en activatieproducten die weinig of niet blijven kleven (bijvoorbeeld iodium-129 (met een halveringstijd van 16 miljoen jaar), selenium-79 (356.000 jaar), technetium-99 (214.000 jaar), cesium-135 (2,3 miljoen jaar) …), wordt door de traagheid van het proces van diffusie gespreid over lange tijdspannes. Dit resulteert in een blootstelling voor mens en milieu die significant lager is dan de opgelegde limieten en veel lager is dan de blootstelling ten gevolge van natuurlijke radioactiviteit.
Voor de veiligheid van een geologische berging is de totale radiotoxiciteit van het afval in die context enkel van belang in het geval van een scenario van menselijke intrusie, of nog dat mensen in de toekomst zich bewust of onbewust een weg zullen verschaffen naar de berging. Dit zou resulteren in een hoge radioactieve dosis voor de indringers en/of een radioactieve dosis voor de omwonenden.
Deze scenario’s, waarbij de mens actief binnendringt in het bergingssysteem, worden echter als niet erg waarschijnlijk beschouwd indien de berging op een voldoende grote diepte gebouwd wordt, op een plaats met weinig natuurlijke rijkdommen …
In die optiek en met al het bovenstaande in het achterhoofd zouden geavanceerde nucleaire technologieën dus weinig tot geen effect hebben op de radiologische impact van de berging in het geval van een normaal verwachte evolutie van het bergingssysteem. Bij het normale evolutiescenario blijft de dosis waaraan de biosfeer ooit komt bloot te staan dezelfde.
Daarnaast is het wel zo dat voor een bepaald gastgesteente de voetafdruk (grootte) van de berging bepaald zal worden door het finale volume én het warmtevermogen van het geborgen afval. Geavanceerde nucleaire technologieën kunnen het warmtevermogen verminderen, zodat de bergingsgalerijen dichter bij elkaar geplaatst kunnen worden. Dit zou de voetafdruk (grootte) en de kostprijs van een geologische berging kunnen verlagen.
In een expertenrapport stelt het Nuclear Energy Agency (NEA) van de OECD/OESO dat een belangrijk effect van partitie en transmutatie zou zijn dat het warmtevermogen van het hoogradioactief afval sterk wordt gereduceerd zodat een eventuele bergingsinstallatie een kleinere voetafdruk heeft en dat de risico’s als gevolg van de radiotoxiciteit bij een hypothetische intrusie (indringing door de mens) van de berging in de toekomst lager zullen zijn.
In hun gemeenschappelijke positietekst concluderen ook NIRAS en SCK CEN dat een gesloten brandstofcyclus met of zonder partitionering en transmutatie van verbruikte splijtstof voordelen zou kunnen bieden voor een geologische berging door de radiotoxiciteit en/of het warmtevermogen van het afval te verminderen.
De vermindering van het warmtevermogen kan toelaten de bergingsgalerijen dichter bij elkaar te plaatsen en kan dus de voetafdruk (grootte) en de kostprijs van een geologische berging verlagen.
De vermindering van de radiotoxiciteit verkleint de dosisimpact enkel in geval van menselijke indringing in de berging. Dit scenario wordt als weinig waarschijnlijk beschouwd indien de berging op voldoende grote diepte gebouwd wordt en op een plaats met weinig natuurlijke rijkdommen.
Een geologische berging is sowieso nodig: ook na partitioning en transmutatie blijft langlevend afval bestaan dat gedurende vele honderdduizenden jaren afgeschermd moet worden van mens en milieu. Bovendien kan P&T ook niet toegepast worden op reeds bestaand (langlevend) afval zoals verglaasd en gebitumineerd afval.
Deze standpunten worden ook onderschreven door onder meer het FANC en de Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN) in Frankrijk in haar advies 2013-AV-0187.
MYRRHA, Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications.
Nuclear Energy Agency (NEA/OECD). Potential Benefits and Impacts of Advanced Nuclear Fuel Cycles with Actinide Partitioning and Transmutation.
NIRAS en SCK CEN. Gemeenschappelijke Scientific Position Paper. Scheiding en transmutatie als mogelijke aanvulling op geologische berging voor een veilig langetermijnbeheer van hoogactief en langlevend radioactief afval.
FANC. Alternatives to the direct disposal of spent fuel in a geological facility: routes derived from spent fuel reprocessing. 2022-07-19-KGOV-5-4-1-EN
Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN). Avis n° 2013-AV-0187 du 4 juillet 2013 sur la transmutation des éléments radioactifs à vie longue.