TB141E - Introductie in Energie (2024)

Uranium is de energiebron voor kernenergie. Zuiver uranium is een zilverwit, radioactief metaal dat buigzaam en vervormbaar is en een zeer hoge dichtheid heeft (18,95 kg per dm$^3$ of kg per liter, dat is 65% dichter dan lood). Zuiver uranium blijft tot een temperatuur van ongeveer 1400 K in vaste toestand en het kookpunt ligt op ongeveer 4400 K. Isotopen zijn atomen van hetzelfde chemische element, en dus met hetzelfde aantal protonen, waarin het aantal neutronen verschilt. De twee belangrijkste uraniumisotopen die op aarde voorkomen zijn $^{238}$U (99,3%) en $^{235}$U (0,7%). Voor kernenergie wordt gebruik gemaakt van $^{235}$U, omdat dit isotoop splijtbaar is door thermische neutronen. Ook $^{238}$U is belangrijk, omdat het vervalt naar $^{239}$Pu, plutonium, de splijtstof voor kweekreactoren. Alle uraniumisotopen zijn radioactief en kunnen in het lichaam genetische schade aanrichten. Uranium en verbindingen waar uranium in voorkomt zijn giftig. Bij blootstelling kunnen organen (o.a. de lever) onherstelbaar beschadigd raken.

Primaire voorraden

Uranium komt niet als zuiver element voor in de natuur, maar alleen chemisch gebonden in uraniumertsen. Het meest gebruikelijke uraniummineraal voor de winning van uranium is het zogenoemde uraniniet, dat voornamelijk uit uraniumdioxide (UO$_2$) bestaat. Uraniumertsen komen verspreid over de aarde voor, echter met grote verschillen in uraniumgehalte en winbaarheid. De belangrijkste bewezen voorraden zijn weergegeven in figuren 1 en 2. Dit overzicht laat zien dat ongeveer de helft van de bewezen mondiale primaire uraniumvoorraad te vinden is in Australië, Kazachstan en Canada. Enkele ertsvoorraden in Canada hebben een zeer hoog percentage U, tot circa 10%. De meeste andere vindplaatsen betreffen echter veel laagwaardiger ertsen. Daarnaast zijn er verschillende locaties waar uranium als bijproduct van koper of goud wordt gewonnen.

Figuur 2. Overzicht van de belangrijkste bewezen uraniumvoorraden (>0,5% van de wereldvoorraad). Bron: Wikipedia 2019^w

Secundaire voorraden

Naast de uraniumertsvoorraden die in de natuur aanwezig zijn, bestaat de beschikbare uraniumvoorraad voor een aanzienlijk deel (ruim 20%) uit secundair uranium, in de vorm van gebruikte splijtstof uit kerncentrales, militaire voorraden en verarmd uranium:

Gebruikt splijtstof

Na het gebruik van uranium als splijtstof in een kernenergiecentrale, resteert er nog bruikbaar (secundair) uranium. Bij de opwerking van gebruikte splijtstaven wordt dit uranium afgescheiden (en daarmee gescheiden van bijv. plutonium dat in de kerncentrale is gevormd), om in nieuwe splijtstaven te kunnen worden (her)gebruikt. Net als bij de verrijking van uranium voor de primaire productie van splijtstaven, ontstaat er ook bij de opwerking van gebruikte splijtstaven radioactief afval. In verband met de bijzondere technologie van opwerking en de stringente veiligheids- en milieu-eisen (onder meer rondom de opslag van hoog radioactief afval), zijn er maar enkele plaatsen in de wereld waar commerciële opwerking van gebruikt uranium plaatsvindt. Dit zijn onder andere Sellafield in het Verenigd Koningrijk en La Haye in Frankrijk.

Militaire voorraden

Een ander deel van de secundaire uraniumvoorraden is afkomstig uit militaire voorraden, die vrijgekomen zijn in het kader van ontwapeningsverdragen tussen onder andere de Verenigde Staten en de voormalige Sovjet-Unie. Dit hoogverrijkte uranium, geschikt voor het maken van kernwapens, moet eerst worden gemengd met verarmd uranium om zo weer tot een geschikt percentage van 2-5% $^{235}$U te komen. In 2006 was nog ongeveer 70.000 ton geschikt uranium beschikbaar. Dit komt overeen met een ruime jaarvoorraad voor alle kerncentrales in de wereld.

Verarmd uranium

Tenslotte zijn er grote voorraden verarmd uranium, die als restproduct bij het maken van verrijkt uranium zijn ontstaan. Hoewel het technologisch mogelijk is uit verarmd uranium nog verrijkt uranium te maken van de vereiste kwaliteit voor een kerncentrale, is dit economisch (nog) niet aantrekkelijk. Bij dit proces ontstaat een nog sterker verarmde kwaliteit uranium als restproduct (tot ongeveer 0,25% $^{235}$U). Deze optie komt pas in beeld als de prijzen van uranium sterk zouden gaan stijgen.

Onbewezen voorraad

Naast de bewezen primaire en secundaire uraniumvoorraden, wordt de nog niet bewezen voorraad uranium in de vorm van winbare ertsen geschat op een totaal van circa 35 miljoen ton uranium. Bij het huidige tempo van exploitatie en eindgebruik (ca. 50.000 ton per jaar), zouden we daarmee nog eeuwen gebruik kunnen maken van uranium als energiebron.

Productie

De meeste winning van uranium gebeurt in Kazachstan, gevolgd door Canada en Namibië, zie figuur 3.

De laatste jaren is de uraniumproductie weer een beetje aan het stijgen, na een periode van stagnatie tussen 1982 en 1993. Op dit moment bedraagt de primaire uraniumproductie 61% van de totale vraag naar uranium voor elektriciteitsproductie.

Winningsmethoden

Voor ertswinning worden in het algemeen drie mijnbouwmethoden gebruikt, te weten oplossingsmijnbouw (in situ leach(ISL)), ondergrondse mijnbouw (underground) en dagbouw (open pit). Rond juli 2013 was de wereldwijde productie als volgt over de typen mijnbouw verdeeld:

Tabel 1. Verdeling van winningsmethoden van uranium. Bron: World Nuclear Association 2022^w

Dagbouw wordt toegepast voor minder rijke en dichter bij het oppervlak liggende ertslagen, ondergrondse mijnbouw voor juist de dieperliggende, rijkere ertslagen (ertslagen met een hoog uraniumgehalte (>1,0%). Oplossingsmijnbouw wordt gebruikt bij armere of kleinere, dieper gelegen ertslagen in poreus gesteente. Overigens wordt uranium ook voor een gedeelte gewonnen als bijproduct van andere metalen. De laatste jaren wordt steeds meer gebruik gemaakt van oplossingsmijnbouw.

Dagbouw en ondergrondse mijnbouw

Als dagbouw of ondergrondse mijnbouw worden toegepast, wordt het uraniumrijke erts bij de mijn van het moedergesteente gescheiden. Het onbruikbare moedergesteente (te laagwaardig om er economisch uranium uit te kunnen extraheren) wordt bij de mijn gestort als 'waste rock'. Het afgescheiden uraniumrijke erts wordt fijn gemalen en opgelost; afhankelijk van het type mineraal gebeurt dat in zwavelzuur of in een oplossing van natrium(bi)carbonaat.

Oplossingsmijnbouw

Bij oplossingsmijnbouw worden een aantal gaten geboord naar de aardlaag waarin zich het uranium bevindt. Door deze boorgaten wordt zwavelzuur of een oplossing van natrium(bi)carbonaat in de ondergrond gepompt. De oplossing wordt opgepompt. Oplossingsmijnbouw wordt voornamelijk toegepast voor de winning van goed oplosbare mineralen, bijvoorbeeld ook voor bepaalde oplosbare ertsen van koper, zink en lood. Het is echter alleen mogelijk wanneer het uranium zich in een waterdoorlatende horizontale laag bevindt en de boven- en onderlaag beide waterafsluitend zijn. Deze mijnbouwtechniek is ook voor relatief arme ertslagen vaak nog economisch rendabel.

Figuur 4 laat zien hoe de oplossingsmijnbouw, in situ leaching, in zijn werk gaat.

Extractie

Het uranium wordt uit de voorgaande mijnbouwmethodes uit de oplossing geëxtraheerd. Bij extractie met natriumcarbonaat, kan het uranium direct vanuit de oplossing worden neergeslagen. De extractie uit zwavelzuur vraagt meerdere stappen, aangezien ook nikkel en arseen uit het erts oplossen in zwavelzuur. Daarnaast komt een vervalproduct van uranium, het edelgas radon, vrij. Om uranium selectief af te scheiden wordt een organisch oplosmiddel gebruikt, waaruit het uranium vervolgens weer geïsoleerd moet worden met gebruikmaking van ionenwisseling. Vervolgens wordt uranium neergeslagen met ammoniak of loog, zodat het in vaste vorm wordt gebracht. Nadat het precipitaat is afgefilterd, gecentrifugeerd en thermisch gedroogd, wordt de zwavelzuuroplossing geneutraliseerd met kalk en barium (om het radioactieve radon te binden) en in het 'tailingsreservoir' gestort.

De tailings, het restproduct van de uraniumextractie, bevatten nog ongeveer 70% van de radioactiviteit van het oorspronkelijke erts. Het gaat dan vooral om de radioactieve elementen thorium, radium en radon. Tijdens het vullen van het tailingsreservoir worden de tailings met een laag water afgedekt, om zo het gasvormige radon niet te laten ontsnappen en verwaaiing van overig radioactief stof naar de omgeving te voorkomen. Na een aantal jaren wordt het reservoir afgedekt met klei en aarde. Om vroegtijdige lekkages op te sporen, wordt door middel van boringen rondom het reservoir de kwaliteit van het grondwater gemeten.

Nadat het uranium uit het erts is geïsoleerd, wordt het vanaf de mijn naar de zogenaamde conversiefabriek getransporteerd. Het transporteren van radioactieve materialen dient uitermate zorgvuldig te gebeuren en er zijn dan ook speciale transportmaatregelen. De ‘International Atomic Energy Agency’ (IAE) heeft internationale regels opgesteld voor het transport van radioactieve stoffen als uranium. Afhankelijk van de soort en hoeveelheid radioactiviteit worden verschillende verpakkingen voorgeschreven. Voor het uraniumertsconcentraat dat bij de mijn is geïsoleerd, wordt vervoer voorgeschreven in verzegelde 200 litervaten in standaard zeecontainers. De verpakkingen voor het uraniumertsconcentraat moeten onder andere bestand zijn tegen een watergordijn, een vrije val en moeten gestapeld kunnen worden.

Bronnen

World Nuclear Association 2022^w,
Wikipedia 2019^w, Geraadpleegd 11 januari 2024
World Nuclear Association 2024^w, Geraadpleegd 11 januari 2024

Laatste wijziging: 15-01-2024

Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.