ENGINEERINGNET.BE - Die smeltoven moet het mogelijk maken staal met een beperkte radioactiviteit uit de kerncentrales te recycleren.
De Belgische overheid heeft voor dit SMELD-project (State-of-the-art MEtal MElting Limiting waste during D&D) in het kader van het Belgische herstel- en veerkrachtplan 13,5 miljoen euro uitgetrokken. Ze rekent erop dat de projectpartners zo bijdragen aan de ontwikkeling van de circulaire economie en tegelijk innovatie stimuleren voor Belgische industriële spelers. De investering moet ook zorgen voor lokale werkgelegenheid in de belangrijke sector van de ontmanteling van de stilgelegde kerncentrales.
Momenteel zijn er twee laboratoriumovens in dienst, één voor onderzoek naar het smelten van niet-radioactieve en de andere voor radioactieve metalen. De niet-radioactieve oven is getest en goedgekeurd, en zijn tegenhanger voor radioactieve tests is vrijgegeven voor gebruik. Er lopen proefdraaiingen om verschillende mogelijke procesroutes te onderzoeken.
Stalen afvalstromen nemen toe
"In de stalen delen van kernreactoren ontstaan radioactieve isotopen van onder meer ijzer, kobalt, nikkel en cesium," legt projectleider Nenad Milenkovic uit. "De halveringstijden van deze isotopen variëren van enkele maanden tot enkele honderden jaren. Als we ze grotendeels kunnen verwijderen, wordt het mogelijk om het staal opnieuw te gebruiken in nucleaire toepassingen." Het economische belang van zulke procedés zal de komende jaren toenemen. Vijf van de zeven Belgische commerciële kernreactoren worden immers ontmanteld. Daardoor zal de hoeveelheid radioactief staal dat nog een tweede leven kan hebben, aanzienlijk toenemen. "Daarnaast kunnen we deze technologie ook toepassen op andere nucleaire staalstromen, zoals afkomstig van buiten dienst gestelde cyclotrons."
Een traditionele smeltoven. (foto Romain Logist / CRM)
Van gas naar vloeibaar
Geactiveerde metalen komen wijdverspreid voor in nucleaire installaties, van reactoronderdelen tot structurele componenten. Er bestaan al technieken om radioactieve isotopen te scheiden, vooral gericht op de verwijdering van kobalt-60.
"Die traditionele methoden zijn echter duur en vergen veel hulpbronnen," aldus Milenkovic. "Ze werken met moleculen in gasvorm en maken gebruik van industriële inductie, wat zeer hoge temperaturen vereist." Het nieuwe proces kiest een andere aanpak: behandeling van geoxideerd materiaal in vloeibare toestand, bij een temperatuur van ongeveer 1.600 °C. "Momenteel ligt het hergebruikpercentage van de radioactieve metalen uit kerncentrales rond 35%. Ons doel is om dit op te trekken tot 50%. Daarmee kunnen we de hoeveelheid radioactief afval die op lange termijn veilig moet worden opgeslagen aanzienlijk verminderen. Dat is zowel financieel als maatschappelijk heel relevant. Bovendien anticiperen we hiermee op mogelijke toekomstige Europese regelgeving."
Monsters van niet-radioactieve metalen vóór en na het smelten in de geïnstalleerde laboratoriumoven, bij een temperatuur van 1600°C. (foto Klaas De Buysser)
Thermodynamica
De kern van het onderzoek betreft de thermodynamica. "De samenstelling van het staal en de distributie van de radioactieve isotopen verschillen sterk per toepassing per type reactor en zelfs per onderdeel. We verzamelen nu op Europese schaal informatie en stellen een inventaris op, die we analyseren om per type monster de ideale temperatuur en andere parameters te bepalen om de ovens en de smeltprocessen af te stemmen. Dit houdt in dat we de monsters zowel voor als na het smeltproces moeten analyseren. Wellicht zal de oven, om een optimaal resultaat te bereiken, anders moeten worden afgesteld, naargelang de herkomst van het radioactief staal."
De Venusreactor van SCK CEN is vitaal voor de ontwikkeling van klleine, loodgekoelde reactoren. (foto Klaas De Buysser)
En daarna?
"SCK CEN en CRM Group zijn onderzoeksinstellingen. Ons hele team telt een veertigtal mensen, inbegrepen enkele onderzoekers van Vrije Universiteit Brussel, die aan dit project hun doctoraatsverhandeling wijden. Het is de bedoeling om na afronding van het SMELD-project Belgische industriële partners te vinden om een pilootinstallatie uit te baten. Dat moet de positie van België in de sector verder versterken."
Heropwerking nucleaire brandstoffen on hold
Een ander project om een nucleaire afvalstroom te herwaarderen stierf jaren geleden een stille dood: de heropwerking van gebruikte splijtstoffen tot nieuwe nucleaire brandstof.
"De benodigde technologie ervoor was grotendeels in België ontwikkeld, door SCK CEN en het bedrijf Belgonucleaire," zegt Christophe Bruggeman, adjunct-directeur van SCK CEN. "Uraniumstaven voor kernreactoren bestaan voor slechts 4% uit de voor kernreacties geschikte isotoop U235. De rest bestaat uit de radio-isotoop U238. Na achttien maanden gebruik in een reactor blijft nog 94% van het originele uranium over. Het verdwenen uranium is deels omgezet in plutonium en hogere actiniden en deels in overwegend kortlevende splijtingsproducten, zoals isotopen van cesium en strontium."
In de jaren zestig en begin jaren zeventig stond in Dessel, nabij Mol Eurochimic, een pilootheropwerkingsfabriek om uranium en plutonium te recupereren. "Maar die werd zowat tien jaar later uit gebruik genomen. Frankrijk en het Verenigd Koninkrijk hebben wel verdere stappen gezet. In totaal is ongeveer 600 ton Belgische gebruikte nucleaire brandstof heropgewerkt, voornamelijk in de Franse installatie in La Hague. Na de ramp in Tsjernobyl en parlementaire debatten over de toekomst van kernenergie zijn er echter geen nieuwe commerciële contracten meer afgesloten. Vandaag wordt alleen brandstof uit onze onderzoeksreactoren nog naar Frankrijk gestuurd. De gebruikte brandstof van commerciële kerncentrales wordt sindsdien opgeslagen op de sites in Doel en Tihange. Het totale volume bedraagt intussen zo’n 5.000 ton. In oktober 2022 nam de Belgische regering een principebeslissing om het hoogradioactief en langlevend afval diep ondergronds te bergen. Het is belangrijk dat we in de toekomst ook beslissen wat we precies willen doen met de gebruikte brandstof: opwerken of rechtstreeks bergen."
Ook economische factoren speelden een rol bij het stopzetten van de heropwerkingscontracten. “In vergelijking met nieuw verrijkt uranium was heropgewerkt uranium relatief duur,” aldus Bruggeman. “Bovendien is recyclage niet onbeperkt mogelijk, omdat bij elke cyclus het aandeel hogere actiniden toeneemt. Toch kan heropwerking opnieuw relevant worden, gezien de stijgende uraniumprijzen en geopolitieke spanningen in bepaalde producerende landen. Bovendien zal het met de nieuwe, loodgekoelde reactoren in ontwikkeling wél mogelijk worden om veelvuldig te recycleren. Het nucleaire onderzoekscentrum SCK CEN ontwikkelt samen met Europese partners Eagles-300, een loodgekoelde kleine modulaire reactor. Het eerste demonstratiemodel wordt geplaatst op de terreinen van SCK CEN.
Op de foto boven: deze droogkolommen zijn een onderdeel van de nieuwe oven: ze houden controle over de ovenatmosfeer en toegevoerde gassen – zoals zuurstof voor chemische reacties in het gesmolten metaal.
