Plutoniumproductie
Het plutonium (Pu) dat wordt gebruikt in kernwapens is afkomstig uit kerncentrales.
Als een brandstofstaaf wordt beschoten met neutronen vindt er naast splijting van uranium-235 ook een ander proces plaats. De kernen van uranium-238 kunnen een neutron invangen. Door dit opnemen van een neutron (n) ontstaat met enkele tussenstappen plutonium-239.
Als een neutron in de kern van uranium-238 wordt geabsorbeerd, ontstaat hierdoor uranium-239. Uranium-239 vervalt onder het uitzenden van een bètadeeltje eerst tot neptunium-239. Daarna vervalt neptunium-239 tot plutonium-239.
Uranium-239 en neptunium-239 hebben zeer instabiele kernen. De halfwaardetijd van uranium-239 is ongeveer 23,5 minuut en die van neptunium-239 ongeveer 2,4 dagen.
Na gebruik heet een brandstofstaaf ‘uitgewerkt’. Uitgewerkte brandstofstaven bevatten naast het overgebleven uranium-235 en uranium-238, dus verschillende splijtingsproducten en transuranen.
De uitgewerkte brandstofstaven zijn enorm heet door de hoeveelheid straling die ze uitzenden. Deze straling is voornamelijk afkomstig van de splijtingsproducten. Voordat transport mogelijk is moet eerst de radioactiviteit en hitte afnemen. Hiervoor worden de brandstofstaven eerst voor 12 tot 18 maanden opgeslagen in waterbassins bij de kerncentrale.
§2 DE OPWERKING VAN PLUTONIUM
Nadat de uitgewerkte brandstofstaven worden verscheept naar een opwerkingsfabriek, worden ze daar weer voor langere tijd opgeslagen in waterbassins. Na ongeveer 8 jaar is de koeling en afname van radioactiviteit zodanig dat ze verwerkt kunnen worden.
Het plutonium uit de uitgewerkte brandstofstaven kan op een chemische manier gescheiden worden van de rest van de brandstofstaaf. Dit zuiveren van een stof uit een mengsel van stoffen heet ‘opwerken’ of ‘opwerking’. Hierdoor kan uiteindelijk het zuivere metaal verkregen kan worden.
De huidige standaardmethode voor het scheiden van plutonium en uranium wordt PUREX (Plutonium en Uranium Recovery by Extraction) genoemd.
Om plutonium uit de brandstofstaaf te verkrijgen wordt deze eerst in stukken gesneden met robots die op afstand worden bestuurd. Daarna worden de stukken brandstofstaaf opgelost in heet salpeterzuur (ongeveer 100°C). Hieraan wordt een organische oplossing toegevoegd (bijvoorbeeld tributylfosfaat (TBP) verdund in kerosine). De waterige zuuroplossing en de organische oplossing mengen niet. De vloeistoffen worden geschud waardoor het uranium en plutonium zich verplaatst naar de organische oplossing. De splijtingsproducten en andere elementen blijven in het salpeterzuur achter. Dit proces van mengen en bezinken wordt meerdere keren herhaald.
Hierna wordt plutonium van uranium gescheiden door het toevoegen van een reductor (bijvoorbeeld hydroxylamine). Hierdoor verandert de valentie van plutonium van 4+ naar 3+, en wordt plutonium in water oplosbaar. Door het toevoegen van salpeterzuur wordt het plutonium gewonnen.
§3 HET MAKEN VAN PLUTONIUMCOMPONENTEN
Het opgeloste plutonium moet worden omgezet in metaal. Daarna kan het in een gieterij worden gevormd tot een vaste of holle bolvorm die geschikt is voor kernwapens. De eerste fases in dit proces zijn chemisch.
Na opwerking met PUREX bevindt het plutonium zich als plutoniumnitraat in oplossing. Eerst wordt plutoniumnitraat door verhitting (calcineren) omgezet in een plutoniumoxide. Daarna zijn er verschillende routes om het oxide in metaal om te zetten. Een veel voorkomende aanpak lijkt op die voor het produceren van uraniummetaal. Plutoniumoxide wordt gecombineerd met fluorwaterstofzuur om plutoniumtetrafluoride te produceren. Door dit te combineren met calcium ontstaat plutoniummetaal.
§4 AFVAL
Hoewel de voorraden plutonium in het verleden zijn geproduceerd, hebben ze dezelfde afvalstromen teweeggebracht als de huidige opwerking voor civiel gebruik.
Opwerking veroorzaakt verschillende stromen van grote hoeveelheden radioactief afval. Het vloeibare afval met de splijtingsproducten is moeilijk op te slaan. Het produceert warmte en is extreem radioactief. Het opwerkingsproces resulteert ook grote voorraden plutonium, tienduizenden vaten met opgewerkt uranium, en veel ander radioactief afval, waaronder slib, harsen en filters.
§5 GEVAAR VOOR WERKNEMERS EN OMGEVING
In een opwerkingsfabriek vindt een combinatie van chemische en een nucleaire processen plaats. Zoals bij elke chemische fabriek zijn er ongelukken, interne branden en explosies mogelijk waardoor gevaarlijke materialen in het milieu terecht kunnen komen. Er is veel documentatie beschikbaar over de opwerkingsfabrieken in Sellafield en La Hague, waarin een te grote blootstelling aan radioactieve stoffen van werknemers en publiek wordt vastgesteld.
De fabrieken lozen alfastralers zoals uranium en transuranen in de zee. Voor opwerkingsfabrieken is dit (in tegenstelling tot kerncentrales) toegestaan. Gasvormige radionucliden zoals koolstof-14, jodium-129, krypton-85 en waterstof-3 (tritium) worden in de lucht uitgestoten.
Een bijzonder gevaar is de mogelijkheid van kritikaliteit: een niet te stoppen kettingreactie met zelfopwarming van radioactief materiaal. In de opwerkingsfabriek van het kerncomplex Majak (Rusland) hebben meerdere van zulke ongevallen plaatsgevonden. Ook in plutoniumgieterijen is kritikaliteit een reëel gevaar.