Bestraalde kernbrandstof: verschil tussen versies

Bij kernsplijting kunnen dus de isotopen ⁹⁰Kr, ⁹²Kr, ⁹⁴Sr, ¹⁴⁰Xe, ¹⁴²Ba, en ¹⁴³Ba gevormd worden. Maar ook nog vele andere. de meeste splijtingsproducten hebben een massa getal rond de 95 of rond de 140. Nagenoeg al deze splijtingsproducten zijn zeer instabiel en hebben een relatief korte halveringstijd, maar een klein aantal kan nog geruime tijd [[Radioactiviteitradioactiviteit|radioactief]] blijven. In het begin zijn de isotopen die de belangrijkste bijdrage geven de isotopen ¹³⁷Cs en ⁹⁰Sr (beide een [[halveringstijd]] van ongeveer 30 jaar). Na een jaar of 200 zijn deze isotopen voor het grootste gedeelte vervallen. Omdat een relatief klein aantal elementen verantwoordelijk is voor een groot deel van de activiteit, wordt er onderzoek uitgevoerd naar mogelijkheden om deze elementen te verwijderen uit de splijtstof, om zodoende een zeer kleine hoeveelheid zeer hoog radioactief materiaal over te houden dat zorgvuldig wordt opgeslagen. De rest wordt nog steeds zorgvuldig opgeslagen, maar stelt minder eisen aan de opslag (afscherming).

Enkele splijtingsproducten kunnen tijdens een [[opwerking]]sproces gewonnen worden uit bestraalde kernbrandstof en gebruikt worden. De meest bekende is waarschijnlijk het isotoop ⁹⁹Mo van [[Molybdeenmolybdeen]]. Dit radioactieve element vervalt tot ^99mTc (een isotoop van [[Technetiumtechnetium]]), dat veelvuldig wordt gebruikt in de [[radiodiagnostiek]]. (Zie hieronder bij hergebruik.)

Uranium behoord tot de klasse van elementen die met "[[Actinidenactiniden]]" wordtworden aangeduidgenoemd. Dit zijn de elementen met de atoomnummers 89 t/m 103 (element 89 heet [[Actiniumactinium]]). Uranium is het zwaarste element dat nog (in aanmerkelijke hoeveelheden) in de natuur voor komt. Door invangst van neutronen en daaropvolgende kernreacties worden in een kerncentrale uit uranium zwaardere elementen gevormd, die wel als "hogere Actiniden" worden aangeduid. Dit zijn allemaal elementen zonder stabiel isotoop en deze zijn dus alle radioactief. Sommigen hebben echter een zeer lange halveringstijd (van tienduizenden to miljoenen jaren) en vormen het belangrijkste probleem op lange termijn voor de opslag van bestraalde kernbrandstof.

Van de hogere Actinidenactiniden die gevormd worden in kerncentrales staat [[Plutoniumplutonium]] het meest in de belangstelling. Met name de isotoop Plutoniumplutonium-239 omdat deze een belangrijke grondstof voor bepaalde types [[atoombommen]] vormt. De [[Fat Man]] was een Plutoniumplutonium-bom. Het Plutoniumplutonium kan echter ook voor vreedzame doeleinden gebruikt worden door het in kerncentrales als brandstof te gebruiken, bijvoorbeeld gemengd met Uraniumuranium als [[MOX]]-brandstof]]. De productie van Plutoniumplutonium is een van de belangrijkste doelstellingen van een [[kweekreactor]], een bijzonder type kerncentrale die tegelijk energie produceert en tevens nieuwe brandstof (Plutoniumplutonium). Het doel hierbij is om meer brandstof te produceren dan er wordt verbruikt.

Buiten het aanwezige kernmateriaal (Uraniumuranium) kunnen de neutronen ook ingevangen worden door andere materialen die onderdeel uitmaken van een kerncentrale. Zo kan waterstof in het water dat vaak als koelmiddel en [[moderator (kernfysica)|moderator]] aanwezig is, neutronen opvangen en omgezet worden in [[Deuteriumdeuterium]] of [[Tritiumtritium]]. Dit blijft echter in de kerncentrale en daarmee niet relevant voor de verdere verwerking van de kernbrandstof.

Waar nog wel rekening mee moet worden gehouden zijn de activeringsproducten in de constructie-onderdelen van de splijtstofelementen. Meestal worden deze omgeven door een bekleding van staal of een [[Zirkoniumzirkonium]]-legering. Deze legeringen zijn zodanig gekozen om het aantal activeringsproducten te minimaliseren, maar toch zullen daar door [[neutronenvangst]] isotopen als ⁶⁰[[Cobalt|Co]] en ⁵⁵[[IJzer (element)|Fe]] worden gevormd. Met name het ⁶⁰Co is daarbij vervelend, vanwege de hoog energetische fotonen dat door dat isotoop worden uitgezonden.

Een deel van het materiaal dat overblijft in de brandstofstaven, nadat deze definitief verwijderd worden, kan worden hergebruikt. Of dit ook daadwerkelijk gedaan wordt hangt van veel factoren af. In deze paragraaf worden een aantal technische mogelijkheden aangegeven, of deze ook daadwerkelijk worden toegepast hangt onder meer af van de vraag of het commercieel interessant genoeg is. Bovendien is het in bijvoorbeeld [[Verenigde Staten|Amerika]] niet toegestaan om [[Plutoniumplutonium]] te winnen uit bestraalde kernbrandstof, omdat gevreesd wordt dat dit in verkeerde handen zou kunnen vallen.

Van de bestraalde kernbrandstof is het grootste aandeel (95%) nog steeds Uraniumuranium. Hiervan is het grootste gedeelte het niet(-direct) splijtbare ²³⁸U dat gebruikt kan worden in een [[kweekreactor]]. Een gedeelte van het ²³⁵U is ook nog aanwezig en kan na [[verrijking]] weer gebruikt worden in de meeste andere [[kernreactor]]en.

Van de gevormde [[Actinidenactiniden]] is ook een gedeelte geschikt voor hergebruik. Het isotoop ²³⁹[[Plutonium|Pu]] kan zoals boven vermeld ingezet worden als [[MOX]]-brandstof]]. ²³⁸Pu wordt gebruikt als energiebron in ruimtevaartuigen. Na gebruik in een kerncentrale bestaat de brandstof voor ongeveer 1% uit Plutoniumplutonium. De overige Actinidenactiniden zijn in nog veel kleinere hoeveelheden aanwezig.

Het aanwezige [[Neptuniumneptunium]] bevat ook een splijtbaar isotoop: ²³⁷Np dat als brandstof ingezet kan worden. Van de overige isotopen heeft alleen ²³⁶Np een [[halveringstijd]] die lang genoeg is om dit aan te treffen. ²⁴¹[[Americium|Am]] werd veelvuldig toegepast in rookmelders, hoewel dat tegenwoordig niet meer is toegestaan. Andere isotopen van [[Americiumamericium]] worden in de medische wetenschap toegepast. De overige [[Actiniden]]actiniden worden nagenoeg uitsluitend gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek, hoewel ²⁵² nog toepassing vindt als calibratiebron voor [[neutronendetectoren]]. Van alle actiniden heeft ²⁴¹Am de grootste bijdrage aan de activiteit van het afval.

In andere typen kerncentrales die nog in ontwikkeling zijn, kunnen alle actiniden zwaarder dan [[Plutonium]]plutonium gebruikt worden om energie op te wekken. Als deze typen centrales eenmaal op commerciële basis kunnen worden ingezet, is het mogelijk om deze lang-levende isotopen kwijt te raken en er bovendien nog energie uit te halen. Hiermee kan de brandstofcyclus worden "gesloten", dat wil zeggen er wordt voor gezorgd dat er alleen nog maar (relatief) kort-levende splijtingsproducten overblijven.

Van deze splijtingsproducten is het de vraag hoe zinvol het is om deze uit de kernbrandstof terug te winnen, in plaats van deze gewoon op te slaan. Met name het feit dat deze producten vaak een korte halveringstijd hebben, maken het niet interessant om te wachten tot de kern is opgebrand en deze er dan uit te halen. In de [[kerncentraleKernreactoren Petten|hogefluxreactor van Petten]] worden diverse radio-isotopen geproduceerd door aparte uranium plaatjes een tijdlang met neutronen uit de kerncentrale te beschieten om een gedeelte van het uranium te splijten. Nadat er voldoende van de benodigde isotopen gevormd zijn, wordt het plaatje verwijderd en worden de isotopen "geoogst". Op deze manier wordt veel efficiënter gebruikgemaaktgebruik gemaakt van het uranium, voor de productie van deze isotopen.