managing21.be

Een herwinning van tritium uit kernafval kan een belangrijke brandstof voor de toekomstige nucleaire reactoren worden. Dat blijkt uit een studie van Terence Tarnowsky, fysicus bij het Los Alamos National Laboratory (LANL) in de Verenigde Staten. De oplossing moet een grote hoeveelheid energie op een veilige manier kunnen aanbieden.

“De technologieën die momenteel dagelijks worden gebruikt – zoals elektrische wagens of artificiële intelligentie – vragen steeds meer elektriciteit”, benadrukt Terence Tarnowsky. “In theorie kan kernfusie – een proces waarbij atomen samensmelten en warmte vrijgeven die generatoren aandrijft – enorme hoeveelheden energie leveren met minimale uitstoot. Het is echter een dure optie, omdat tritium – een van de belangrijkste componenten van dat proces – bijzonder schaars is. Het kan in de toekomst echter mogelijk worden om tritium uit kernafval te recupereren.”

Huidige kerncentrales wekken energie op met behulp van kernsplijting. Hierbij wordt een atoom plutonium of uranium gesplitst, waarbij energie en neutronen vrijkomen die op hun beurt andere atomen splijten. Deze kettingreactie levert een constante stroom energie, maar produceert ook langdurig radioactief afval. Bij een kernfusie zouden energiecentrales daarentegen werken door atoomkernen te combineren. Daarbij smelten deuterium en tritium tot zwaardere atomen samen. Dit proces levert veel energie en produceert nauwelijks radioactief afval.

Hoewel deuterium ruim beschikbaar is, ontbreekt het de Verenigde Staten momenteel aan een betrouwbare aanvoer van tritium. “De commerciële waarde van tritium ligt nu rond de 33 miljoen dollar per kilogram en de Verenigde Staten kunnen de grondstof niet zelf produceren”, zegt Tarnowsky. “We hebben dus een tekort aan tritium.”

Tritium komt van nature voor in de bovenste lagen van de atmosfeer, onder meer door interacties van kosmische straling met stikstof. Maar deze natuurlijke hoeveelheden zijn extreem klein en niet praktisch bruikbaar voor commerciële doeleinden of kernfusie. De belangrijkste commerciële bron van tritium zijn momenteel de reactoren voor kernsplijting in Canada. Daar wordt tritium als bijproduct van het splijtingsproces geproduceerd.

Waardevol afval

“De wereld heeft momenteel een voorraad tritium van ongeveer 25 kilogram”, beklemtoont Tarnowsky. “Die schatting is echter niet accuraat. Er wordt gewag gemaakt van een minimum van 11 kilogram en een maximum van 19 kilogram. Met vijfentwintig kilogram kan men meer dan 500.000 huishoudens zes maanden van energie voorzien.”

In tegenstelling tot de beperkte aanvoer van tritium, beschikken de Verenigde Staten daarentegen over duizenden tonnen kernafval uit commerciële kerncentrales. Dit afval bevat bijzonder radioactieve stoffen die – onder meer uit veiligheidsredenen – een dure opslag vereisen. Stralingslekken kunnen daarbij planten, dieren of mensen schaden.

Tarnowsky zag in deze problematiek een kans om te onderzoeken of er nog radioactief kernafval gebruikt kan worden om waardevol tritium te produceren. Daarbij maakte de wetenschapper gebruik van computermodellen van potentiële tritium-reactoren. Daarbij wordt een deeltjesversneller ingezet om een kernsplijting op gang gang te brengen. Het splijten van de atomen produceert neutronen, die uiteindelijk via een reeks transities tritium vormen. De versneller kan deze reacties ook weer uitschakelen en is daarmee veiliger dan de kettingreacties in een conventionele kerncentrale. 

Volgens zijn schatting kan dit theoretische systeem ongeveer 2 kilogram tritium per jaar produceren. Dit komt overeen met de totale jaarlijkse productie van alle Canadese reactoren. “Een belangrijk voordeel is de efficiëntie”, verduidelijkt Tarnowsky. “Dit systeem is in staat ruimschoots tien keer meer tritium te produceren dan een fusiecentrale met hetzelfde thermisch vermogen. Tarnowsky werkt onder meer nog aan een model waarin het kernafval door gesmolten lithiumzout – een beproefd, maar tot nu toe experimenteel reactorontwerp – omgeven wordt. Het zout koelt het systeem en maakt het moeilijk om afval voor wapens te gebruiken.

“Deze aanpak biedt een manier om met bestaande technologie de kosten te verlagen”, benadrukt Tarnowsky. “Energietransities zijn bijzonder duur en er moet dan ook zoveel mogelijk van haalbare alternatieve oplossingen gebruik worden gemaakt.”