Natuurwetenschappen

Zo sloop je een kerncentrale

Op 1 oktober 2022 stopt de stroomproductie in kernreactor Doel 3. Op 1 februari 2023 is het de beurt aan Tihange 2. En in 2025 zullen tot nader order de resterende reactors hun laatste elektriciteit leveren. Het Belgische nucleaire park is dan klaar voor sloop. Maar hoe doe je dat, een kerncentrale ontmantelen? 

Dit is een artikel van:
Eos Wetenschap

Foto: De koeltoren van de Duitse kerncentrale van Mülheim-Kärlich moet eraan geloven.

Het is 2045. De koeltorens van de kerncentrale van Doel zijn niet langer tekenend voor het beeld van de Antwerpse haven. De centrale is tot de laatste steen afgebroken. De site heeft als zogenoemd ‘green field’ inmiddels een andere bestemming gekregen. 

Of die effectief groen zal zijn, en je een balletje kunt trappen of picknicken waar ooit atomen aan flarden werden geschoten, is twijfelachtig. ‘We bekijken met de lokale autoriteiten of we de site een bestemming kunnen geven die een rol kan spelen in de economische en sociale ontwikkeling van de regio’, klinkt het bij Engie Electrabel. 

‘Het grootste project dat we ooit uitvoerden’, noemt de uitbater de ontmanteling van ons nucleair park. Op de bouw van de kerncentrales na dan. In het fonds dat de ontmantelingskost moet dekken zit momenteel 5,7 miljard euro. Voor de opslag van de verbruikte splijtstof is 7,4 miljard voorzien. 

De kerncentrale van Doel 3 alleen is al goed voor zo’n 360.000 ton materiaal. Volgens de berekeningen van Electrabel zou 1 procent daarvan als radioactief afval eindigen. Het ontmantelingsproject start op 1 oktober 2022 met de stillegging van de Doel 3-reactor. Nadien komt Tihange 2 aan de beurt, op 1 februari 2023. Wordt er niet geraakt aan de wet op de kernuitstap, dan volgen de resterende reactors in 2025. In dat geval verwacht Electrabel de hele klus te hebben geklaard tegen 2045. 

Onmiddellijke ontmanteling

Volgens de World Nuclear Association (WNA) zijn wereldwijd al meer dan 180 commerciële en experimentele kernreactors uit dienst genomen. ‘Ongeveer twintig daarvan hebben het volledige ontmantelingstraject doorlopen’, weet Patrick O’Sullivan, expert ontmanteling bij het Internationaal Atoomagentschap. 

Er zijn twee opties. Ofwel begin je meteen met de ontmanteling, ofwel volgt op de stillegging van de reactor eerst een periode van zogenoemde ‘veilige insluiting’. In dat geval start de ontmanteling pas na veertig à zestig jaar, of zelfs langer. Dat is onder meer het geval voor de in 1997 stilgelegde Nederlandse kerncentrale in Dodewaard. 

De kerncentrale van Doel 3 alleen is al goed voor zo’n 360.000 ton materiaal

‘Veilige insluiting genoot vooral in de Verenigde Staten een tijdje de voorkeur, om financiële redenen. Tegenwoordig komen experts daarvan terug’, aldus O’Sullivan. ‘Het wordt ook bij gasgekoelde reactors vaak gedaan, omdat die een grote hoeveelheid grafiet bevatten waar nog geen goede oplossing voor gevonden is.’ In een zeldzaam derde geval wordt een kernreactor niet ontmanteld maar voor onbepaalde duur bedolven onder een dikke laag beton. Die strategie – ‘entombment’ – is onder meer toegepast op de Tsjernobyl-reactor en enkele kleinere Amerikaanse reactors. 

Engie Electrabel kiest zoals de meeste Europese uitbaters voor de onmiddellijke ontmanteling. ‘Uitgestelde ontmanteling heeft naast enkele voordelen, ook grote nadelen’, zegt Arnaud Du Bois, bij Tractebel mee verantwoordelijk voor de ontmanteling van het nucleaire park. ‘Het grootste voordeel is dat de radioactiviteit mettertijd op natuurlijke wijze afneemt, waardoor je in een veiligere omgeving kunt werken.’ 

Neutronen uit de reactor kunnen materialen in en rond de reactor radioactief maken. Stabiele atomen veranderen door absorptie in onstabiele radionucliden zoals ijzer-55 (55Fe) of kobalt-60 (60Co). ‘De halveringstijd van kobalt-60 (de tijd nodig om het stralingsniveau met de helft te laten afnemen, red.) is ongeveer vijf jaar’, zegt Du Bois. ‘Als je dertig jaar wacht, is de straling dus al spontaan met een factor 26 afgenomen.’ 

‘Een van de nadelen van uitgestelde ontmanteling is dat intussen alle expertise van de werknemers in de centrale verloren gaat’, zegt Du Bois. ‘Na ruim een halve eeuw kom je als ontmantelaar op onbekend terrein.’ 

Tijdelijke opslag

Meteen aan de slag dus, al blijft de sloophamer de eerste jaren opgeborgen. Een ontmantelingsproject begint met het in kaart brengen van de werf. Dat is voor Doel 3 al aan de gang. ‘Modellen simuleren hoe de installaties in het reactorgebouw worden blootgesteld aan neutronenstraling die vrijkomt bij de kernsplijting in de reactor’, zegt Du Bois. 

‘Die blootstelling kan delen van de installaties radioactief maken. Op strategische plaatsen zijn al speciale folies aangebracht die neutronen opvangen, om te controleren of die metingen stroken met de modellen. Ook nemen we stalen van betonoppervlakken in het reactorgebouw om de chemische samenstelling beter te kennen. Met die combinatie van modellen en metingen brengen we ruim zestig radionucliden in kaart.’ 

Nadat de reactor is stilgelegd volgt de zogenoemde stopzettingsfase. ‘Die start met het verwijderen van de splijtstof, goed voor 99 procent van de radioactiviteit in de centrale’, legt Kris Peeters uit. Peeters is bij Engie Electrabel Shutdown and Change Manager voor de kerncentrale van Doel, en moet de stopzetting in goede banen leiden. De splijtstofelementen gaan van het reactorvat, een stalen kuip van 25 centimeter dik, naar het zogenoemde deactivatiedok, een waterbad waarin de splijtstof kan afkoelen. 

Cruciale processen kunnen eerst digitaal worden gesimuleerd. Credit: Institute of Energy Technology (IFE), Halden, Norway

Pas na drie jaar koeling kan de splijtstof – nog steeds onder water – in containers worden geladen, een operatie die naar schatting twee jaar in beslag neemt. Dat gebeurt volgens een uitgekiend ladingsplan. ‘Doel is te vermijden dat de straling en temperatuur in de container te hoog oplopen’, zegt Peeters. ‘We combineren oude en recenter ontladen splijtstofelementen om een optimale schikking te krijgen.’ 

Een container is 6 meter hoog, met een diameter van 2,5 meter en een gewicht van ongeveer 100 ton. ‘De containers zijn bestand tegen brand, aardbevingen en vliegtuiginslagen en komen in een speciaal daarvoor bestemd gebouw te staan’, aldus Peeters. Natuurlijke ventilatie voert er de warmte af die de splijtstof nog steeds produceert. Van daaruit kunnen ze later naar een heropwerkingsfabriek of geologische berging worden getransporteerd. 

Een werknemer speurt in het beton dat de reactor beschermt naar sporen van radioactiviteit. Credit: SCK

Robots onder water

De splijtstof in de reactor warmt water in de zogenoemde primaire kringloop op. ‘Op de leidingen in dat circuit ontstaat een radioactieve oxidelaag’, zegt Peeters. ‘Met een chemisch ontsmettingsproces weken we die laag los. Speciale filters vangen de radioactieve deeltjes op.’ 

Wanneer de splijtstof verhuisd is naar de tijdelijke opslag, en de circuits rond de reactor ontsmet zijn, is het tijd voor de zogenoemde ‘rip & ship’-fase, het versnijden en afvoeren van de reactor. Dat proces start volgens O’Sullivan vaak virtueel. ‘3D-modellen van een centrale laten tegenwoordig toe om technici met virtual reality voor te bereiden. Ze maken het mogelijk om bepaalde versnijdingsprocessen eerst digitaal te simuleren.’ 

De ontmanteling begint met het demonteren van enkele inwendige reactoronderdelen, zoals de houder voor de splijtstofstaven. ‘Dat staal is sterk geactiveerd’, zegt Du Bois. ‘Het geeft een stralingsdebiet van tientallen Sievert per uur af (ter referentie: de stralingsdosis die je door kunstmatige bronnen wettelijk mag oplopen is 1 milliSievert per jaar, red.). Daarom moeten we de onderdelen van de reactor met robots onder water versnijden (omdat water de straling tegenhoudt, red.) en in containers stoppen.’ 

Na de ontmanteling komen in Dessel 26.000 betonnen kisten met radioactief materiaal, voor enkele honderden jaren

Daarna is het de beurt aan de onderdelen van het primaire circuit, zoals de stoomgeneratoren, het drukregelvat en de leidingen. ‘Het versnijden gebeurt met zagen uit wolfraam of diamant, of met diamantdraad voor de grote stukken’, zegt Du Bois. ‘Dat hoeft in deze fase niet meer onder water, maar soms wel nog van een afstand.’ Vervolgens wordt ook het reactorvat zelf in stukken gesneden en in containers gestopt. 

Rond de reactor zit een dikke betonlaag die straling moet tegenhouden. ‘De buitenkant van het beton kan zoals gewoon bouwafval worden verwerkt, maar de binnenkant is geactiveerd en moet na versnijden in speciale containers worden afgevoerd’, zegt Du Bois. 

‘Nadat het betonschild rond de reactor is gesloopt, worden de overblijvende betonstructuren in het reactorgebouw gecontroleerd en indien nodig gedecontamineerd door er de radioactieve laag af te schrapen. Wat dan nog rest, is vrij van radioactiviteit en kan gewoon worden gesloopt.’ 

Credit: Engie Electrabel

Zicht op het reactorvat, dat hier onder water wordt geladen met nieuwe splijtstofstaven. Het verwijderen van de splijtstof is de eerste stap in de ontmanteling.

Nog geen definitieve berging

Het radioactieve materiaal en bouwafval gaat voor verwerking en opslag naar Belgoproces in Dessel, dochteronderneming van Niras, de overheidsinstelling die het beheer van ons nucleair afval organiseert. ‘Voor het grootste deel gaat het om laag- of middelactief en kortlevend afval dat in aanmerking komt voor oppervlakteberging’, zegt Sigrid Eeckhout (Niras). 

Dat zogeheten Categorie A-afval zal worden geborgen in betonnen kisten. Wanneer ons volledige nucleaire park is ontmanteld, zullen er in Dessel ongeveer 26.000 stuks staan, voor enkele honderden jaren. Niras hoopt midden 2022 met de constructie van de bergingsinstallatie te kunnen beginnen. Een fabriek om de betonnen kisten te vervaardigen is momenteel in aanbouw. 

‘Een klein deel van het afval, ongeveer 700 à 800 kubieke meter, valt onder categorie B: het laag- of middelactief langlevend afval’, zegt Eeckhout. ‘Het gaat onder meer om de onderdelen van de reactorkuip. Enkel de splijtstof zelf valt onder categorie C, het hoogactief kort- of langlevend afval. In afwachting van een politieke beslissing over de geologische berging wordt ook het Ben C-afval voorlopig bovengronds opgeslagen.’ 

NIRAS
NIRAS

Na de ontmanteling van alle centrales zullen in Dessel zo’n 26.000 betonnen kisten met laag- of middelactief kortlevend afval staan.

Het volume aan afval wordt zo klein mogelijk gehouden. ‘Wat brandbaar is wordt verbrand, en de as wordt samengedrukt. Ook motoren en andere machineonderdelen worden met een pers van 2.000 ton zoveel mogelijk samengeperst. Het gecompacteerde afval wordt in stalen vaten van doorgaans 400 liter in de betonnen kisten opgeborgen. Materialen die niet compacteerbaar zijn – denk daarbij aan geactiveerd beton en staal – kan zo in de monolieten worden opgeborgen.’ 

De splijtstof blijft op de site van de kerncentrale tot er een politieke beslissing over de geologische berging is genomen. De opslagloodsen zullen er ook na 2045 nog een tijd blijven staan. ‘De gebouwen krijgen een vergunning voor tachtig jaar’, zegt Anne-Sophie Hugé (Engie Electrabel). ‘We gaan ervan uit dat tegen dan een andere locatie beschikbaar zal zijn voor de definitieve berging van de verbruikte splijtstof.’ 

 

Met dank aan Luc Noynaert (SCK CEN).

FANC: ‘Risico’s nemen snel af’

Het hele stopzettings- en onmantelingsproces lang ziet het Federaal Agentschap voor Nucleaire Controle (FANC) toe op de veiligheid. ‘Het risico voor de omgeving neemt snel af’, zegt Frederik Van Wonterghem, hoofd van de dienst Nucleaire Basisinrichtingen bij het FANC, die de kerncentrales controleert. ‘Zodra de reactor is stilgelegd en de splijtstof is overgebracht in containers, zijn de voornaamste risico’s de stralingsblootstelling van de technici en industriële ongevallen tijdens de werkzaamheden.’ Hoewel de meest radioactieve onderdelen op afstand worden ontmanteld, moeten sommige componenten en besmette materialen manueel worden verwijderd. Het FANC voert zowel controles uit op papier als op het terrein. ‘In een veiligheidsrapport voor ontmanteling moet de uitbater beschrijven hoe hij de ontmanteling zal aanpakken’, legt Van Wonterghem uit. ‘Welke technieken zullen worden gebruikt? Hoe zijn die getest? Welke stralingsdosis zal het personeel oplopen? Maar ook: wat kan er fout gaan? Wat als er een machine blokkeert of een stuk radioactief materiaal valt? Tijdens cruciale fases gaan we ook op de werf kijken of alles volgens plan wordt uitgevoerd.’

Pannen en crèches

Het FANC ziet ook toe op het beheer en de verwerking van het afval. ‘Er vertrekt niets zonder dat we precies weten wat het is en waar het vandaan komt’, zegt Van Wonterghem. ‘De uitbater is zelf verantwoordelijk voor de metingen van het stralingsniveau. Wij controleren de gebruikte methodes en doen steekproeven.’

Naast het radioactieve afval, dat speciale verwerking en opslag vereist, is er een fractie die onder voorwaarden gewoon mag worden verwerkt. ‘Het gaat om lage stralingsniveau’s, die zelfs in een worstcasescenario geen gevaar opleveren bij transport en berging op een industrieel stort’, aldus Van Wonterghem. Afval dat maximaal tot een dosis van 10 microSievert per jaar kan leiden, mag worden vrijgegeven voor conventionele verwerking. ‘Die grens ligt driehonderd keer lager dan de stralingsdosis van 3 miliSievert die je jaarlijks op natuurlijke wijze ontvangt (door kosmische straling en radioactieve elementen in bouwmaterialen en de aardkorst, red.). Het is materiaal dat als niet radioactief wordt beschouwd en waar je in theorie een crèche mee kunt bouwen of een pan van kunt smeden zonder enig gevaar.’

Vliegtuigcrash

Voordat de site wordt vrijgegeven controleert het FANC of de bodem vrij is van radioactieve besmetting. En zowel door toezicht op metingen door de uitbater als eigen metingen. Blijven nog over: de tijdelijke opslagloodsen voor de gebruikte splijtstof. ‘Zowel de gebruikte containers als het ontwerp voor de gebouwen worden geëvalueerd’, zegt Van Wonterghem. Eerder dit jaar uitten omwonenden van de centrale in Tihange hun bezorgdheid omdat de gebouwen niet bestand zouden zijn tegen de inslag van een vrachtvliegtuig. Terwijl ze onder een vliegroute liggen. ‘Niet zozeer het gebouw, maar vooral splijtstofcontainers zelf bieden bescherming tegen ongevallen’, countert Van Wonterghem. ‘Die zijn zo ontworpen dat ze niet lekken bij de crash van een militair vliegtuig.’

Verder onderzoek heeft volgens Van Wonterghem uitgewezen dat er ook bij de crash van een passagiersvliegtuig of zelfs een zwaar vrachtvliegtuig ‘geen onaanvaardbare gevolgen’ zijn. ‘Dat houdt in dat een ongeval voor een burger maximaal tot een dosis van 5 milliSievert leidt. Meer details over die simulaties kan ik op dit moment om beveiligingsredenen niet vrijgeven. Ik kan wel bevestigen dat de simulaties voldeden aan onze verwachtingen.’