Streven. Jaargang 29

[p. 95]

De veiligheid van de kernreactoren 1
Kernenergie in principe en in de praktijk
Pierre Cardon de Lichtbuer^*

Sinds enkele jaren gaat er haast geen week voorbij of de pers bericht, in grote oplagen, over de gevaren verbonden aan het gebruik van kernenergie voor vreedzame doeleinden. De titels liegen er niet om: Kerncentrales zijn niet veilig, Hoe gevaarlijk is kernenergie?, en dergelijke meer. In tegenstelling tot de conventionele energiebronnen zoals steenkool en aardolie, is de atoomenergie nog een onbekende voor het publiek. Het enige gebruik ervan dat iedereen enigszins uit ‘ervaring’ kent, is de atoombom. Toch zijn er andere toepassingsvormen van kernenergie: sinds meer dan 20 jaar zijn in onze wereld kernreactoren in gebruik, en nog nooit is een van die catastrofen voorgekomen waarover wel vaker wordt geschreven.

In dit artikel willen we enige aspecten van de atoomenergieproduktie bespreken, en meer bepaald de veiligheid van de kerncentrales. Dit is een gewichtige zaak, aangezien nieuwe kerncentrales in gebruik genomen worden. Nu, in 1975, zijn er al ongeveer 150 grote centrales in werking over de hele wereld.¹ Het is duidelijk dat de veiligheid van deze installaties een belangrijke aangelegenheid is geworden. De laatste jaren werden er dan ook verscheidene heel uitgebreide en diepgaande studies aan gewijd. Reeds in 1957 was er, in opdracht van de U.S. Atomic Energy Commission,² het rapport WASH-740, Theoretical Possibilities and Consequences of Major Accidents in Large Nuclear Plants.³ Vrij recent zijn twee belangrijke studies, het zogenaamde rapport Rasmussen, Reactor Safety Study: An Assessment of Accident Risks in U.S. Commercial Nuclear Power Plants,⁴ eveneens in op-

* Aspirant bij het N.F.W.O.

1 To The Point, 1975, Vol. 2, No. 14, p. 16.

2 De Atomic Energy Commission (AEC) is sindsdien opgesplitst in twee instellingen, de Energy Research and Development Administration (ERDA), belast met het onderzoek en de ontwikkeling van de kernenergie, en de Nuclear Regulatory Commission (NRC), die instaat voor het opstellen en ontwikkelen van de veiligheidsnormen en de controle van de kerninstallaties.

3 AEC, rapport WASH-740, 1957.

4 AEC, rapport WASH-1400, 1974 (Draft). Dit is een voorlopig rapport van ongeveer 3.000 bladzijden, het resultaat van 2 jaar onderzoek uitgevoerd door tientallen experts en wetenschapslui van de AEC en van de Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.). Het doel van de studie was: ‘to try to reach some meaningful conclusions about the risks of nuclear accidents using current technology’.

[p. 96]

dracht van de U.S. AtomicEnergy Commission, en het Report to The American Physical Society by the study group on light-water reactor safety.⁵ Deze laatste studie, een opdracht van de Amerikaanse Natuurkunde-Vereniging (APS), werd uitgevoerd door een groep van 12 competente geleerden die niet rechtstreeks betrokken zijn bij de ‘kernindustrie’; het resultaat van dit jaar werk werd dan onderzocht en gesanctioneerd door 3 bekende fysici, Hans Bethe, W.K. Panofsky en Victor F. Weisskopf.

In een eerste artikel willen we het principe van kernreactie, de nu reeds bestaande verschillende reactortypen, en de gevolgde strategie van de veiligheidsvoorzieningen bespreken. In een tweede artikel gaan wij nader in op de (wetenschappelijke) evaluatie van de mogelijke ongelukken en risico's, om daaraan tenslotte enkele conclusies te verbinden omtrent de redelijke veiligheid van één bepaald reactortype.

5 Rev. Mod. Phys., 1975, Vol. 47, suppl. 1 (123 pp.).

Kernenergie

Zeventig jaar geleden schreef Albert Einstein zijn beroemde relatie E = mc². Sindsdien hebben talloze onderzoekers getracht haar in economisch renderende installaties om te zetten. De Einstein-relatie drukt uit dat massa equivalent is aan energie, met als evenredigheidsfactor het kwadraat van de lichtsnelheid. Maar hoe kan de massa concreet worden omgezet in energie? En hoe wordt energie omgezet in massa? Dit zijn immers de beide mogelijkheden die de Einstein-relatie insluit.

Op laboratoriumschaal zijn beide processen gemakkelijk te verwezenlijken.⁶ Inderdaad, energie wordt in massa omgezet in de ‘paarcreatie’-processen, waarin fotonen (elektro-magnetische stralingsquanten) van hoge energie omgezet worden in elektron-positron paren (een positron is een positief elektron); dit proces is op overtuigende wijze waargenomen in de bellenkamers.⁷ De omgekeerde omzetting van massa in energie in sommige radioactieve stralingsprocessen en in de kernfissie (of -splijting). Bij alfa- of betastraling verliest het oorspronkelijk atoom respectievelijk twee protonen en twee neutronen, of een elektron; vergelijkt men het gewicht van al de eindprodukten met dat van het oorspronkelijk atoom, dan blijkt een weinig massa verdwenen te zijn; dit massaverschil werd in energie omgezet. In een fissieproces wordt de zware kern in twee stukken van vergelijkbare grootte gesplitst; ook hier wordt een deel van de massa omgezet in energie. Spontane kernsplitsing is in de natuur een zeldzaam fenomeen. De meest ge-

6 R.A. Howard. Nuclear Physics, Wasdworth, 1963.

7 Het spoor van de uiterst snelle elementaire deeltjes wordt (fotografisch) zichtbaar gemaakt, doordat deze deeltjes in een oververhitte vloeistof een reeks (gas-)bellen doen ontstaan.

[p. 97]

bruikte methode om een kern te splitsen is deze instabiel te maken door hem met neutronen (niet-geladen deeltjes met standaard-massa één) te beschieten. Neutronfissie is aldus mogelijk voor alle elementen met een atoomnummer groter dan 72 (uranium heeft het atoomnummer 92).

Op het eerste gezicht is het principe van de kettingreactie eenvoudig te verstaan.⁸ Om uranium 235 te splitsen volstaat het één neutron op de kern te schieten; elke splitsing produceert gemiddeld 2,5 neutron. Doordat voor elk geabsorbeerd neutron meer dan twee neutronen ‘geboren’ worden, ziet men de mogelijkheid een kettingreactie te verwekken. Wordt het proces zo geregeld dat na elke fissie ten minste één neutron uit de reactie een nieuwe fissie veroorzaakt, dan heeft men een proces dat zich onbepaald voortzet, een kettingreactie. Indien bij elke stap van het proces meer dan één van de vrijgekomen neutronen een nieuwe fissie veroorzaken, dan stijgt zelfs het aantal kernsplitsingen exponentieel, en heeft men een divergerende kettingreactie; dit is het principe van de atoombom. Maar indien slechts één neutron van elke fissie een nieuwe fissie veroorzaakt, dan blijft de reactie onder controle; dit gebeurt in de kernreactor. Als ongeladen deeltje beweegt het neutron zich vrij doorheen de kernreactor. Drie processen kunnen zich hier voordoen: een elastische botsing, een absorptieproces (capture) of een fissieproces. De elastische botsing is vergelijkbaar met het botsen van twee biljartballen; dit proces is heel nuttig voor het vertragen van de neutronen. In het absorptieproces wordt het neutron opgeslorpt door een atoom: sommige elementen in de natuur absorberen heel gemakkelijk en zullen dienen om neutronen ‘uit de koers te nemen’ in de reactor en aldus de kettingreactie te controleren. In kerncentrales gebruikt men bij voorbeeld Cadmium en Boor. In het fissieproces dringt het neutron door tot in de kern van het atoom, zo dat dit instabiel wordt en zich in twee stukken splitst. Voor uranium 235 bestaat er ongeveer een 40-tal kernsplitsingsreacties, bij voorbeeld:

⁹

De energie die vrijkomt in deze kernsplitsingsreactie is belangrijk. In één fissie wordt 200 miljoen elektronvolt vrijgelaten; vergelijk dit met de verbranding van één atoom koolstof (C + O₂ → Co₂) waar 4,1 elektronvolt vrijkomt. Om een vermogen van één watt te produceren, heeft men toch 30 miljard fissies per seconde nodig. De volledige splitsing van één gram uranium 235 produceert ongeveer 24.000 kilowattuur thermische energie.

8 Alonso-Finn, Fundamental University Physics III, Addison-Wesley, 1969.

9 Het bovenste cijfer bij elk van de symbolen geeft telkens de (atoom-)massa aan, het onderste het atoomnummer en dus ook het aantal protonen in de kern (én de elektronen in de atoommantel, waarvan de perifere vnl. het chemisch karakter van een element bepalen).

[p. 98]

In een grote kerncentrale (1.000 megawatt) heeft men ongeveer 10²⁰ kernsplitsingen per seconde! De energie die vrijkomt verschijnt voor het grootste deel in de snelheid waarmee de brokstukken van de kern van elkaar wegvliegen; dit veroorzaakt de thermische agitatie of warmte.

De zaken liggen echter niet zo eenvoudig. Inderdaad, alleen uranium 235 ondergaat vrij gemakkelijk de fissiereactie. Het uranium dat in de natuur wordt gevonden, bevat 140 delen van het uranium isotoop 238 voor één deel van het isotoop 235. Uranium 238 absorbeert echter gemakkelijk neutronen, wat niet bevorderlijk is voor het in stand houden van de kettingreactie. Op het ogenblik van de kernsplitsing wordt het neutron uitgezonden met een snelheid van ongeveer 20.000 km/sec.: dit zijn snelle neutronen. De waarschijnlijkheid van een kernsplitsing is sterk afhankelijk van de snelheid van de neutronen. Snelle neutronen veroorzaken zeer gemakkelijk de absorptiereactie met uranium 238, terwijl trage neutronen (2 km/sec.) de fissiereactie veroorzaken. Om een reactor met natuurlijk uranium te doen branden vertraagt men dus de neutronen. Dit gebeurt door de neutronen herhaaldelijk (gemiddeld 18 keer) te doen botsen op een moderator; de moderator is een stof van hoge dichtheid, die uit lichte kernen bestaat welke de neutronen heel moeilijk absorberen. De eerste kernreactor, door Enrico Fermi in 1942 gebouwd, gebruikte grafiet als moderator; zwaar water en gewoon water zijn ook geschikte stoffen.

De meeste commerciële kerncentrales gebruiken gewoon water als moderator, vandaar de naam: Light Water Reaction (LWR). De energie die in de kernreactor wordt geproduceerd moet dan nog worden afgevoerd; dit gebeurt door een koelvloeistof (coolant); in de LWR zijn de moderator en de koelvloeistof identiek.

Uit het voorgaande kan men al besluiten dat het fysisch onmogelijk is dat een reactor zou ontploffen als een atoombom. De kettingreactie in de LWR berust immers op de neutronen die door de fissieprodukten worden uitgezonden; dit uitzenden gebeurt niet onmiddellijk bij de splitsing maar met een paar seconden vertraging. Er is dus een door de natuur ingebouwde vertraging tussen de absorptie van een neutron dat de fissie veroorzaakt en de uitzending van de neutronen die de reactie verderzetten. Veronderstel dat door een ongeluk moderator en koelvloeistof wegvallen (de zogenaamde LOCA, cfr. verder), dan worden de neutronen niet meer vertraagd en de reactie stopt vanzelf. Mocht om een of andere reden de kettingreactie exponentieel gaan toenemen, aldus een oververhitting van de reactor veroorzakend, dan moet de reactiviteit van de reactor vanzelf verminderen, want een toename van de reactiviteit verhoogt de temperatuur, wat een verlaging van de dichtheid van het koelwater teweeg brengt. Dit vermindert de moderator-eigenschappen van het water: de neutronen worden minder vertraagd en hebben dus een kleinere kans om een verdere splitsing teweeg te brengen. Zowel in een kerncentrale als in een conventionele thermische centrale

[p. 99]

heeft men hetzelfde basisprincipe om de geproduceerde warmte-energie in nuttige energie om te zetten: om elektriciteit te produceren, produceert men stoom die een turbine, gekoppeld aan een stroomgenerator, aandrijft. De twee systemen verschillen essentieel door de wijze waarop de stoom wordt geproduceerd. De klassieke centrales verbranden steenkool of aardolie, terwijl de kerncentrales uranium ‘verbranden’. Onder invloed van de kettingreactie raakt het uranium opgewarmd; deze warmte wordt door een koelvloeistof afgevoerd naar een warmtewisselaar waar stoom geproduceerd wordt, en deze stoom drijft de turbine aan.

Soorten kernreactoren

De kernreactoren die water als moderator en als koelmiddel gebruiken zijn praktisch alle van twee typen:¹⁰ de reactor met water onder hoge druk, de PWR (pressurized-water reactor), en de reactor met kokend water, de BWR (boiling-water reactor).¹¹

Gezien de hoge druk van het water in de PWR, ongeveer 150 kg/cm², kookt het water nog niet op de werkingstemperatuur van ongeveer 320°C; het water circuleert in een gesloten buizensysteem (het primaire circuit) en voert aldus de warmte van de kernreactor af. In een warmtewisselaar wordt een tweede circuit (het secundaire) verwarmd; het water dat in het secundaire circuit onder minder hoge druk staat wordt tot stoom omgevormd en drijft de turbines aan van de stroomgeneratoren. In de BWR is de druk veel lager, ongeveer 70 kg/cm², het water kookt op de werkingstemperatuur van ongeveer 300°C; de aldus gevormde stoom drijft hier onmiddellijk de turbines aan. In deze reactoren bestaat de brandstof uit verrijkt uranium,¹² in de vorm van uraniumdioxidepastillen (UO²) die geborgen zijn in buisvormige metalen omhulsels. Voor een kerncentrale die 1.100 megawatt elektriciteit produceert zijn de volgende gegevens typisch: het hart van de reactor bevat ongeveer 90 ton uranium voor de PWR en ongeveer 150 ton uranium voor de BWR.

De uraniumdioxide-pastillen zijn geborgen in ongeveer 40.000 metalen cilinders van ongeveer 1 cm (PWR) of 1,5 cm (BWR) doorsnede en 3,5 m lengte. Elk jaar moet een deel van de brandstof worden vernieuwd: 1/3 voor de PWR en 1/4 voor de BWR.

10 Ref. 4.

11 In het rapport WASH-1400 werd een kerncentrale van elk type als model genomen, namelijk de Surry Power Station, unit 1, te Williamsburg, Va. (PWR, 788 megawatt) en de Peach Bottom Atomic Power Station, unit 2, in York Co., Pa. (PWR, 1.065 megawatt). Beide kerncentrales werden in 1966 ontworpen en zijn reeds enkele jaren in gebruik.

12 Natuurlijk gewonnen uranium bestaat uit 99,3% uranium 238 en 0,7% uranium 235. Opdat minder neutronen geabsorbeerd zouden worden door uranium 238, ‘verrijkt’ men het uranium: men vermeerdert de proportie uranium 235 tot 2 à 4%.

[p. 100]

De kern van de reactor wordt dus gevormd door een buizenstelsel waartussen het koelwater stroomt. De brandstofbuizen tegelijk met het koelwater en de cadmiumcontrole-elementen zijn gevat in een zware metalen ketel met grote toevoeren en afvoeren. Het koelwater wordt door een pompsysteem naar de warmtewisselaar of naar de turbine gedreven. Bij het uitvallen van de pompen zal de natuurlijke convectie van het water voldoende warmte afvoeren om de reactor te koelen, voor zover de kettingreactie is stilgelegd; hier hebben we dus een natuurlijke beveiliging tegen bepaalde ongelukken. De reactorketel samen met de primaire koeling (in de PWR) en het speciale beveiligings-koelsysteem (ECCS, cfr. verder) zijn opgesloten in een zeer dik omhulsel van gewapend beton (containment building) die alle radioactieve splijtstof gevangen moet houden voor het geval er een zware ramp met de reactorketel of met het koelsysteem gebeurt. Dit betonnen omhulsel is daarom ook gebouwd om hoge drukken en hoge temperaturen te weerstaan.

Het hoofdverschil tussen de twee typen kernreactoren ligt in de overdracht van energie naar de turbines. In de PWR heeft men een primair en secundair circuit die volledig van elkaar gescheiden zijn; de warmtewisselaar zorgt voor de energieoverdracht tussen beide circuits. De reactorketel en het primair circuit zijn dus volledig opgesloten in het betonnen omhulsel; geen enkel gecontamineerd produkt verlaat die ruimte. Wegens de grote dimensies van de warmtewisselaar zal de betonnen hall wel grote afmetingen aannemen, bij voorbeeld 70 m hoog en 40 m breed voor een 1.000 megawatt PWR.

Bij de BWR daarentegen komt een deel van het koelwater van de reactor buiten het betonnen omhulsel om direct, zonder warmtewisselaar, de turbines aan te drijven. De radioactieve produkten kunnen hier dus gemakkelijker verspreid raken.

De PWR worden sinds 1953 op de atoomonderzeeërs gebruikt. Ze worden hoofdzakelijk door de firma Westinghouse geconstrueerd, in mindere mate door de firma's Babcok et Wilcox en Combustion Engineering. De BWR worden door General Electric gebouwd. De VS heeft van elk type ongeveer evenveel kerncentrales.¹³

Behalve de PWR en de BWR bestaan nog een paar typen kernreactoren die reeds commercieel in gebruik zijn, namelijk de grafiet-gas-reactoren en de zwaar-waterreactoren.¹⁴

De grafiet-gasreactoren zijn hoofdzakelijk ontwikkeld in Frankrijk en Engeland. Het voordeel van dit type is het gebruik van weinig kostbare materialen, natuurlijk uranium als brandstof, grafiet als moderator en CO₂ als koelmiddel; daarenboven produceert dit type plutonium, dat zelf een splijtstof

13 M. Barrère, La Recherche, 1975, Vol. 6, p. 305.

14 J.C. Soum, Science et Avenir, 1968, No. spécial.

[p. 101]

is. De nadelen zijn de grote hoeveelheden materiaal en de grote dimensies van de constructie. Een reactor van 480 megawatt (EDF 3) heeft ongeveer 2.500 ton grafiet en 400 ton uranium nodig. De brandstof is ingebed in het grafiet; het koelgas brengt de energie in een warmtewisselaar waar stoom wordt gegenereerd in een secundair circuit dat de stoomturbines aandrijft. Wordt de brandstof lichtjes verrijkt, dan verhoogt tegelijk het rendement van de centrale. Natuurlijk uranium heeft een vermogen van 3.000 à 4.000 megawatt per dag per ton; met 2,5% verrijkt uranium stijgt dit tot 18.000 megawatt per dag per ton.

Zowel de licht-waterreactoren (LWR) als de grafiet-gasreactoren hebben grote nadelen: een weinig efficiënt verbruik van de brandstof, een lage vermogensdensiteit en grote afmetingen. Men zou een efficiënter verbruik hebben indien meer natuurlijk uranium zou worden omgezet in plutonium. Een zwaar-waterreactor¹⁵ is een poging tot verbetering in die richting. Het voordeel van het gebruik van zwaar water in plaats van gewoon water is dat de neutronen door zwaar water veel vlugger worden vertraagd en tegelijk 600 maal minder sterk worden geabsorbeerd. Dit heeft als gevolg dat men natuurlijk uranium als brandstof kan gebruiken en dat men veel minder brandstof nodig heeft. Inderdaad, veel minder neutronen worden door de moderator gevangen; ze kunnen dan dienen om uranium 238 om te zetten in plutonium, dat ter plaatse uiteenvalt en energie vrijgeeft. De brandstof zal dan ook veel langer in de reactor kunnen blijven. Dit type zwaar-waterkernreactor werd hoofdzakelijk in Canada ontwikkeld. Op de wereldmarkt zijn ze evenwel niet goed doorgebroken en wel om verschillende redenen, waaronder de schaarste van het zwaar water en de versplintering van de firma's die de reactoren produceren.

Een paar kernreactoren, namelijk de gasgekoelde reactoren op hoge temperaturen, werken volgens een heel andere techniek. De brandstof hier is verrijkt met thorium onder de vorm van kleine deeltjes in grafiet gevat. Het grafiet dient dus tegelijk als omhulsel èn als moderator. De koeling gebeurt door circulatie van heliumgas op hoge temperatuur (ca. 700°C); dit gas drijft de gasturbines aan. De voordelen zijn: efficiënt gebruik van brandstof en hoge temperaturen, die ook voor andere industriële doeleinden gebruikt kunnen worden. De afmetingen van deze reactor zijn ook kleiner dan de LWR en de gas-grafiet reactoren.

Waar in alle voorgaande reactortypen de neutronen dienden vertraagd te worden door een moderator, daar werken de breeder-reactoren (kweekreactoren) zonder moderatoren, met snelle neutronen. We weten dat snelle neutronen door uranium 238 zeer sterk worden geabsorbeerd. In deze reactie gebeurt de omzetting van uranium 238 in plutonium 239 in verschil-

15 Zwaar-water: water waarin de gewone waterstof (kern met één proton) vervangen is door het zogeheten deuterium (waterstof met één proton en één neutron in de kern).

[p. 102]

lende stappen, onder het uitzenden van beta- en gamma-straling:

Op deze wijze is nieuwe splijtstof geproduceerd; plutonium ondergaat immers even gemakkelijk kernsplitsing als uranium 235. Deze kweekreactoren zijn zo gebouwd dat het centrale deel van de kern plutonium of sterk verrijkt uranium bevat (tot 25% uranium 235). Daaromheen heeft men een dikke laag natuurlijk uranium dat na verloop van tijd omgezet wordt in plutonium. De centrale kern zorgt dus voor de kettingreactie, terwijl de mantel dient als kweekplaats voor nieuwe brandstof. De koelstof is hier bijvoorbeeld vloeibare natrium. Het voordeel van dit reactortype is tweevoudig: 1) de reactor produceert meer splijtbare stof (plutonium) dan hij verbruikt, en dit op zeer efficiënte wijze; de meest optimistische voorspellingen geven aan dat men tot 30 maal meer energie zou halen uit uranium. 2) de vermogensdensiteit van dit type is zeer hoog. De omvang van de kern van een breeder van 60 megawatt is slechts 6 m³, vergeleken bij 2300 m³ voor een grafiet-gasreactor. In verschillende landen wordt dit type kernreactor experimenteel ontwikkeld, maar de technologische moeilijkheden zijn enorm. De compactheid van de reactor brengt mee dat de onderdelen onder extreme fysische condities moeten werken. Toch bestond de hoop dat die reactoren binnen afzienbare tijd een deel van de energieproblemen zouden oplossen. Ondertussen heeft de NCR bekendgemaakt tot in 1978 te zullen wachten alvorens te beslissen of zij in kerncentrales geproduceerd plutonium zal laten recycleren om het als brandstof voor kerncentrales opnieuw bruikbaar te maken. Verder onderzoek moet eerst gebeuren omtrent de veiligheid (b.v. bescherming tegen diefstal), de gezondheid en de economische implicaties (de onderneming blijkt duurder te zijn dan verwacht). Deze beslissing zal het probleem van het opslaan van de ‘afval’ van kerncentrales acuut stellen. Tevens zal dit waarschijnlijk een vertraging meebrengen in de ontwikkeling van de kweekreactoren. Deze laatste blijken immers toch niet zo efficiënt te zijn als oorspronkelijk was verwacht.¹⁶

In de rest van dit artikel beperken we ons tot de LWR, het enige type dat commercieel gebruikt wordt in België.¹⁷

16 Phys. Today, 1975, Vol. 28, 8, p. 61.

17 De kerncentrale te Chooz, type PWR, 260 megawatt. De kerncentrale te Tihange, type PWR, 800 megawatt. De kerncentrale te Doel, type PWR, 2 × 400 megawatt.

De strategie van de veiligheidsvoorzieningen

Het gevaar, verbonden aan een grote kerncentrale, ligt in het feit dat belangrijke hoeveelheden radioactief materiaal in de omgeving vrijgelaten

[p. 103]

zouden kunnen worden. Er bestaan heel wat onafhankelijke beveiligingssystemen ter voorkoming van een dergelijke ramp. Hieraan werden ook verscheidene theoretische modellenstudies gewijd;¹⁸ tevens is men nu een experiment op schaal aan het opbouwen, dat de ergste ramp die een kerncentrale kan overkomen op een gecontroleerde wijze zal laten gebeuren (LOFT).¹⁹

Bij het bepalen van de parameters en de specificaties voor de bouw van een kernreactor beschouwt men een ernstig referentieongeluk (DBA: design basic accident).²⁰ Het mogelijke verloop van zo'n ongeluk wordt dan bestudeerd en hieruit worden de parameters voor de bouw bepaald, zodat het ongeluk door de constructie zelf wordt voorkomen. Voor de PWR is de DBA de zogenaamde LOCA (loss of coolant accident), waar door een breuk in de koelwaterleiding (b.v. volledige breuk van de grootste toevoer), het koelwater niet meer circuleert en de kern van de reactor niet meer afgekoeld wordt. De omgeving wordt a-priori beschermd tegen de effecten van een dergelijk DBA.

Het tweede basisbegrip voor de veiligheid is de ‘waarschijnlijkheid van een ongeluk’, een begrip voorgesteld in 1966 door de Engelsman Farmer. Het rapport Rasmussen²¹ gebruikt die waarschijnlijkheidsmethode systematisch voor de evaluatie van de kans op verschillende mogelijke ongelukken in kerncentrales. Na de studie van de DBA analyseert men immers ook de voorzienbare sequentiële stappen die voortkomen uit eender welk ongeluk, en de mogelijkheid dat bij die stappen radioactiviteit vrijkomt in de omgeving.

De analyse van zo'n ongeluk gebeurt met de techniek van de boom van de opeenvolgende gebeurtenissen (evenementen) (Eventtree) en de boom van defecten (Faulttree); dit laat toe de mogelijke verschillende evoluties van een initieel ongeluk te exploreren, tegelijk met de waarschijnlijkheid van de verschillende consequenties.

Met de ‘eventtree’-methode exploreert men alle mogelijke consequenties van een bepaald gebeuren (b.v. het uitvallen van de elektriciteit), en van al die mogelijke gevolgen bestudeert men alle mogelijke consequenties, en zo verder, vandaar de boomstructuur. Met de ‘faulttree’-methode bepaalt men de kans van een gekozen defect (b.v. een breuk in een waterleiding). Men klimt nu op naar de oorzaak van dit bepaald effect en men identificeert de verschillende combinaties en opeenvolgingen van evenementen en defecten die tot het actueel bestudeerde defect kunnen voeren. Hierdoor is het mogelijk de probabiliteit van een welbepaald evenement te berekenen.²²

18 Ref. 4 en 5. In ons volgend artikel komen wij daarop terug.

19 Ref. 5 en Phys. Today, 1975, Vol. 28, 7, p. 38.

20 Ref. 3.

21 Ref. 4

22 Ref. 4 heel hoofdstuk 4.

[p. 104]

De totale hoeveelheid radioactiviteit in een nucleaire reactor varieert met de tijd en met de energieproduktie. Nieuwe brandstof (3% verrijkt uranium) is slechts licht radioactief. Gedurende de werking van de reactor produceert de kettingreactie enorme hoeveelheden radioactiviteit. In een kerncentrale op volle kracht vermeerdert de radioactiviteit gedurende het eerste werkjaar 100 miljoen maal. Het grootste deel van deze radioactiviteit komt van de splijtingsprodukten; een ander deel komt van de zogenaamde activatieprodukten (b.v. plutonium). Een kleine hoeveelheid van de radioactiviteit is te vinden in de instrumentele onderdelen van de reactor, zoals het koelwater, de mechanische structuur, enz. Wanneer de reactor stopgezet wordt, houdt de produktie van radioactiviteit op. In het begin vermindert de hoeveelheid radioactiviteit in de reactor heel vlug: tot een vierde op één dag. Op tien dagen tijd is de radioactiviteit met een factor 10 gedaald en op honderd dagen is de radioactiviteit veertig maal zo klein.

De warmte in de kernreactor geproduceerd vermindert ook heel snel: tot 5% in 10 seconden bij het stopzetten van de kettingreactie. Op één dag is de warmteproduktie 200 maal gedaald.

Praktisch alle radioactiviteit (meer dan 98%) is opgesloten in de metalen omhulsels die de uraniumdioxide bevatten. Deze buizen zitten in de reactorketel die op zijn beurt in het betonnen omhulsel geplaatst is. Een belangrijke hoeveelheid van die radioactiviteit kan slechts vrijkomen indien de uraniumdioxidebrandstof sterk wordt oververhit en smelt. Deze oververhitting gebeurt slechts als warmte vlugger wordt gegenereerd dan afgevoerd. Het is dus belangrijk er voor te zorgen dat het koelsysteem 100% veilig werkt. Vandaar het belang van de studies en experimenten gewijd aan de LOCA en van de beveiligingen. Om te voorkomen dat de reactorkern zou smelten bij een LOCA is een ECCS (emergency core cooling system) voorzien, een ‘nood-kern-koeling-systeem’. Dit beveiligingssysteem werd sterk ontwikkeld en uitvoerig bestudeerd; men verwacht immers dat indien de reactor veilig reageert op de ergste mogelijke ramp (LOCA), hij ook veilig zal werken bij kleinere ongelukken of defecten.

Bij het stilleggen van de kettingreactie vermindert de geproduceerde warmte zeer vlug, maar die warmte moet toch verder worden afgevoerd om te voorkomen dat de brandstof zou smelten. De ECCS is bedoeld om de kern van de reactor van voldoende koeling te voorzien voor het geval een breuk in het primaire circuit het koelwater uit de kern van de reactor zou laten wegvloeien. De ECCS bestaat uit onafhankelijke subsystemen die elk redundant zijn, zodat de slechte werking van enkele componenten de totale werking van de beveiliging niet zou verhinderen. De ECS bestaat hoofdzakelijk uit een stel grote reservoirs met boorwater onder dezelfde druk als het koelwater van de reactor. Wanneer een breuk ontstaat in het primaire circuit, daalt de druk in de reactor en het water van de ECCS wordt automatisch door de overdruk in de reactor gestuwd. Boor wordt aan dit water

[p. 105]

toegevoegd om de neutronen die de kettingreactie zouden kunnen verderzetten op te slorpen. De ECCS bestaat bovendien uit pompsystemen die de reactor verder van water voorzien op het ogenblik dat de hogedruk-reservoirs leeggelopen zijn. Men heeft dus verschillende koelwaterinjectiesystemen die onafhankelijk en volgens verschillende principes werken.

Behalve de ECCS is de integriteit van het primair systeem van kapitaal belang. Het ergste evenement zou zijn dat de reactorketel breekt onder het niveau van de brandstof. Dit zou onvermijdelijk het smelten van de brandstof tot gevolg hebben, omdat het koelwatersysteem en de ECCS dan niet meer voldoende kunnen functioneren. De reactorketel is een stalen ketel met de volgende typische afmetingen: 15 à 30 cm dik, 4 m diameter en 12 à 15 m hoog. Gezien de belangrijkheid wordt de ketel met uiterste zorg vervaardigd en onderzocht. De vorming en de groei van kleine barsten in zware ketels werden grondig bestudeerd. De keuze van de legering wordt zo bepaald dat men een maximum sterkte en warmtegeleidbaarheid heeft bij de gewone werkingstemperatuur. Kritisch is daarom de opwarmingsperiode van de reactor; wegens de minder goede geleidbaarheid op lagere temperaturen moet men voorkomen dat de ketel onder ongewenste spanningen wordt gebracht. Gedurende en na de fabricatie zijn de ketels onderworpen aan ultrasonore en radiografische testen om alle gebreken en barsten op te sporen die later tot een catastrofe zouden kunnen leiden. Gedurende heel het leven van een kernreactor moet de kwaliteit van de ketel worden nagegaan. De legering is ook zo gekozen dat er gedurende de normale levensduur van een reactor (40 jaar) een minimum aan veroudering komt vanwege de intensieve straling. Tot nu toe zijn er geen ernstige problemen gerezen met het primaire systeem, en dit gedurende het equivalent van ongeveer tweeduizend reactorjaren. Wel waren er al heel wat kleinere problemen met het buizensysteem van de warmtewisselaar waar corrosie ontstaat, en met de omhulsels van de brandstof. Grote ongelukken zijn hier echter niet uit voortgekomen.

Bij het op punt stellen van de veiligheidsinstallaties van de reactor worden nog heel wat andere moeilijkheden voorzien, zoals een verandering van het regime door een onoplettende wegname van de cadmiumcontrole staven, een defect in de uitrusting (in een pomp of een turbine b.v.), het uitvallen van de elektriciteit, brand enz. Het controlesysteem van de reactor zal zich normaal automatisch aanpassen aan deze veranderingen; soms zal de kettingreactie om veiligheidsredenen automatisch stopgezet worden door de zogeheten SRCAM-procedure.

In een volgende bijdrage zullen wij iets meer zeggen over het ernstigste (voorziene) ongeluk (LOCA), over de berekenbare kans op een ernstig nucleair ongeluk (in vergelijking met andere), en zullen wij enkele voorlopige conclusies formuleren.