Binnenkort kernramp in Frankrijk

Door opzettelijke mini-ongelukken (kosten 330 miljoen gulden) hopen de Fransen proefondervindelijk te leren wat de gevolgen zijn van omvangrijke kernschade in 's werelds meest gebruikte kernreactortype, de drukwaterreactor.

M.Levenson en F. Rahn. Realistic estimates of the consequences of nuclear accidents. Nuclear Technology, 1981, vol 53: 99-110

Ernstige reactorongevallen opnieuw bezien. De bronterm. (ECN, december 1987)

Het ongeval bij Tsjernobyl: oorzaken, gevolgen en maatregelen. Tweede druk (Kivi-Kerntechniek, 1987)

De kernsmeltingsongevallen bij Tsjernobyl en Harrisburg: lessen voor de reactorveiligheid. Derde druk. (Kema, 1988)

New Scientist, 12 december 1992. "When a reactor blows.'

Als alles goed gaat zal zich eind volgende week in Zuid-Frankrijk een kleine kernramp voltrekken. Op het omvangrijke terrein van het Franse nucleaire onderzoekscentrum bij Cadarache, 50 kilometer ten noordnoordoosten van Marseille, zal plotseling de koeling uitvallen van een in bedrijf zijnde kleine drukwaterreactor. Daarna zal zich een situatie ontwikkelen die in ruwe lijnen overeenkomt met hetgeen er gebeurde toen eind maart 1979 bij drukwaterreactor nummer twee van de centrale bij Harrisburg (Three Mile Island) plotseling een koelwaterpomp uitviel en tot overmaat van ramp - onbedoeld - koelwater werd afgevoerd. Een groot deel van de splijtstofstaven zal opzwellen, openbarsten en zijn half gesmolten radioactieve inhoud vrijgeven. Burgemeesters van omliggende gemeenten zijn op de hoogte gesteld, twee protesteerden maar waren niet in staat het onheil af te wenden.

Het valt ook niet te verwachten dat bij het experiment in de Phebus-testreactor enige radioactiviteit vrijkomt. Er is jaren voorbereiding aan het opzettelijke ongeluk voorafgegaan en er zijn omvangrijke veiligheidsvoorzieningen getroffen.

Het eerste experiment, dat onder supervisie staat van het Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire, zal hooguit enige uren duren maar vele maanden aan schoonmaakactiviteiten met zich meebrengen. Met intervallen van een jaar volgen dan nog vijf andere experimenten. Het gehele programma duurt zes jaar en kost ongeveer 330 miljoen gulden. Daarin zal voornamelijk worden bijgedragen door de EG, en verder door de VS, Canada en Korea.

Kernschade

Het doel van het onderzoek in het zogeheten Phebus FP programma (FP = fission products, splijtingsprodukten) is te onderzoeken wat de gevolgen zijn van omvangrijke kernschade in 's werelds meest gebruikte reactortype: de drukwaterreactor. Het onderzoek moet wèl worden onderscheiden van het meer modelmatige werk dat de laatste jaren zoveel aandacht kreeg: de berekening van de kans op zo'n ongeluk en de kans, nog weer orden van grootte kleiner, dat daaruit een lozing naar de omgeving ontstaat die omwonenden in gevaar brengt.

Kansberekeningen aan de hand van wijdvertakte "gebeurtenissenbomen' in een zogeheten Probabilistic Safety Analysis (PSA) werden voor het eerst geïntroduceerd in de inmiddels klassieke Amerikaanse Reactor Safety Study, beter bekend als het Rasmussen-rapport of de studie WASH-1400. De studie verscheen in 1975 en drukte de kans op kernschade, en de kans op een gevaarlijke lozing, bij twee bestaande lichtwaterreactoren uit in het lastig te hanteren begrip van eens-in-de-zoveel-duizend-jaar. Vóór "Rasmussen' beperkte het veiligheidsonderzoek aan kernreactoren zich in hoofdzaak tot een anticipatie op het "maximaal geloofwaardige ongeluk' (maximum credible accident) hetgeen de aandacht vooral concentreerde op het koelsysteem en het mogelijke effect op de omgeving als een groot deel van de kerninventaris over de omgeving verspreid werd.

Rasmussen berekende de kans op kleine, middelgrote en grote lozingen en vond, zoals te verwachten viel, dat de grootste effecten de kleinste waarschijnlijkheid hadden maar ook - en pijnlijker - dat beperkte schade niet ondenkbaar was. De kansen op beperkte kernschade leek zelfs zo merkwaardig groot dat de Amerikaanse Nuclear Regulatory Commission (NRC) er onder politieke druk van af zag de methodologie in de vergunningsprocedure voor nieuwe reactoren op te nemen. Had zij dat wel gedaan dan was misschien op tijd ontdekt dat eenheid TMI-2 bij Harrisburg, die pas in 1978 op het net werd aangesloten, een zeer grote faalkans had.

Maar de NRC negeerde Rasmussen. Niet geheel ten onrechte want WASH-1400 was bewust zeer conservatief van aard, men wilde liever ten onrechte te hoog dan te laag uitkomen, en een aantal deelrisico's was opzettelijk erg groot geschat. Zo is weloverwogen een aantal bekende en te verwachten matigende ("mitigerende') fysische en chemische effecten (reacties en verschijnselen binnen reactorkern, koelcircuit en insluitkoepel die de kans op een gevaarlijke lozing verlagen) niet in rekening gebracht.

Overschatting

Het was, aldus een aantal Nederlandse studies (van ECN, Kema en KiVI), interessant genoeg juist het ongeluk bij Harrisburg, vier jaar na het verschijnen van WASH-1400, dat de aandacht vestigde op deze overschatting van het werkelijke risico. Bij Three Mile Island trad aanzienlijke schade aan de reactorkern op zonder dat gevaarlijke hoeveelheden radioactieve verbindingen over de omgeving werden verspreid. Grootschalige evacuatie bleek niet nodig en werd ook niet bevolen. Hoewel WASH-1400 voorspelde dat, bij voorbeeld, zo'n 70 procent van het in de kern aanwezige radioactieve jodium zou ontsnappen bleek in werkelijkheid maar een onbetekenende fractie daarvan naar de omgeving te zijn weggelekt. Veel minder jodium bleek uiteindelijk als gas of aerosol (vrij in de lucht zwevende deeltjes) onder de insluitkoepel aanwezig dan door Rasmussen werd aangenomen. De analyse van het ongeval bij Harrisburg maakte duidelijk dat Rasmussen de kans op een gevaarlijke lozing onaanvaardbaar had overdreven. "Onaanvaardbaar' omdat de Rasmussen-studie een riskante evacuatie zou aanbevelen waar in werkelijkheid simpel schuilen had volstaan.

In mei 1981 verscheen in het tijdschrift Nuclear Technology een artikel van Levenson en Rahn, onderzoekers verbonden aan het Electric Power Research Institute EPRI (de Amerikaanse "Kema') die uitdrukkelijk aandacht vroegen voor de nog zo slecht bestudeerde maar o zo welkome matigende effecten. Natuurlijke effecten, nota bene, die altijd in werking zouden treden en niet afhankelijk waren van het ingrijpen van operators en bedrijfsingenieurs.

Beweren dat er geen enkel zicht op die effecten bestond zou te ver gaan. Al in de jaren vijftig en zestig heeft men zich, in soms zeer ruwe experimenten waarbij in de woestijn van Idaho complete kernreactoren werden opgeblazen, een beeld trachten te vormen van de fysisch-chemische gevolgen van een ernstige kernbeschadiging. Later zijn er veel andere, subtielere experimenten uitgevoerd. De talrijke grote en minder grote ongelukken die zich, sinds de in gebruikneming van de eerste vermogensreactoren begin jaren vijftig, hebben voorgedaan verschaften onbedoeld ook veel nuttige informatie.

Duidelijk is inmiddels dat de diverse splijtingsprodukten in een splijtstofstaaf, die door het uitvallen van de koeling of het tekortschieten van de vermogensregeling, boven zijn gebruikelijke werktemperatuur raakt (een temperatuur van enige honderden graden Celsius) al binnen de gebruikelijke zircalloy-omhulling met elkaar reageren. Zo blijkt bij voorbeeld jodium makkelijk te reageren met het splijtingsprodukt cesium en daardoor hoofdzakelijk als niet-vluchtig metaaljodide en dus niet als jodium-gas vrij te komen. Voor een mogelijke verspreiding over de omgeving maakt dat veel uit.

Als de splijtstofstaven ten slotte openbarsten kan een hele reeks matigende effecten optreden. Veel van de gevormde jodium-verbindingen zijn goed oplosbaar in water en zullen dus eerder in koelwater of de snel uitzakkende stoomdruppeltjes oplossen dan als gas of aerosol vrijkomen. Verschillende cesiumverbindingen kunnen reageren met het boorzuur dat standaard, als een ruw regelmechanisme, in het water van het primaire koelcircuit is aangebracht. Diverse verbindingen zullen reageren met de constructiematerialen zoals de zirconiumlegering van de splijtstofomhulling. Weer andere stoffen gaan reacties aan met de dikke coating die op de stalen binnenwand van de betonkoepel is aangebracht. Een gemiddeld insluitsysteem heeft tien tot twintig ton verf op de wanden zitten.

Stoom

Bij al deze chemische reacties komen nog de meer fysische effecten zoals de samenklontering van aerosoldeeltjes en de condensatie van stoom en minder vluchtige verbindingen op de koudste plekken van het insluitsysteem en het leidingenwerk. Als het insluitsysteem, de betonnen koepel, lang genoeg intact blijft na het bezwijken van het reactorvat zal een groot deel van stoom en aerosolen de kans krijgen neer te slaan, wat de omvang van een eventuele lozing sterk beperkt.

Niet alle neveneffecten zijn overigens als matigend te beschouwen. Onderzoek heeft ook nieuwe risico's aan het licht gebracht. Zo kan cesiumjodide weer reageren met stoom en alsnog gasvormig jodium vrijmaken. Al lang bekend is dat de zircalloy-omhulling van de splijtstofstaven bij hoge temperatuur gaat reageren met water of stoom en, oxyderend, zowel veel extra hitte als grote hoeveelheden waterstof produceert, dat in bepaalde verhouding met de nog aanwezige lucht explosief is. Ook als de gesmolten splijtstofmassa door de bodem van het reactorvat heen breekt en op het betonnen fundament van het insluitsysteem terecht komt, kan uit de reactie met beton veel waterstof en kooldioxyde gevormd worden. Er is derhalve geen behoorlijke schatting van het risico op een gevaarlijke lozing mogelijk zonder een gedegen kennis van al de fysische en chemische neveneffecten onder het insluitsysteem. Het komende experiment in Cadarache hoopt daaraan een bijdrage te leveren.

Vorige maand kreeg een groep Nederlandse journalisten een rondleiding door het Phebus-onderzoeksgebouw nabij de samenvloeiing van de riviertjes Durance en Verdon. De Phebus-testreactor is gehuisvest in een fris gebouwtje dat voor meer dan de helft onder de grond ligt en nog onlangs met een extra zware betonnen bodem is beschermd tegen aardbevingen.

Karakteristieke chaos

Half september heerste in de reactorhal van de Phebus-reactor de chaos die karakteristiek heet voor research-reactoren en die zo contrasteert met de rust, reinheid en regelmaat in de commerciële vermogensreactoren.

Eigenlijk had het beoogde experiment al in april moeten plaats vinden, maar keer op keer werd de proef uitgesteld omdat de onafhankelijk opererende instantie die toeziet op de veiligheid, door de onderzoekers kortweg de Group Permanent genoemd, niet akkoord ging met de testcondities.

Voor het komende experiment wordt een kleine buisvormige experimentele reactor, met een diameter van nog geen 12,5 centimeter, in het hart van de al al bestaande Phebus-testreactor gestoken. Aan deze wat wonderlijke opzet viel niet te ontkomen. De komende reeks experimenten vindt plaats op een schaal van 1 : 5000 en de twintig potlooddikke splijtstofstaven in het cilindervormige reactortje, elk met een lengte van maar één meter, worden samen niet kritisch en kunnen alleen onder invloed van de neutronen uit de omhullende Phebus-reactor tot splijting raken. De zware, drievoudige wand van de cilinder moest dus zowel mechanisch sterk als neutronendoorlatend zijn en hij bestaat daarom voornamelijk uit een zirconium-legering en inconel-staal. In het midden van de symmetrisch geplaatse splijtstofstaven bevindt zich een stalen regelstaaf die een sterk neutronenabsorberend mengsel van zilver, cadmium en indium bevat. Niet dat daarmee werkelijk geregeld zal worden; hij is er alleen om bij het experiment een representatieve smelt te doen ontstaan. Ook de inhoud van de regelstaven, die al zullen smelten voor de opengebarsten splijtstofstaven dat doen, kan immers een rol spelen in de matigende effecten.

Voor het eerstkomende experiment wordt het testreactortje geladen met nog onbestraalde splijtstof die uraniumoxyde (UO) bevat dat 4,5 procent verrijkt is. Als alles volgens schema verloopt is daar gisteren of vandaag mee begonnen. De verse splijtstof zal dan ter plekke een dag of tien in de neutronenstraling van de Phebus-reactor (een 20 MW pool-reactor met laag verrijkt uranium) doorbrengen om het materiaal enigszins te conditioneren (het zet uit en gaat "kraken') en om een voldoende interessante inventaris aan splijtingsproduktem te verkrijgen. In latere experimenten zal splijtstof worden ingebracht die veel langer bestraald is en dus veel meer radioactieve splijtingsprodukten bevat. Ook deze staven zullen voor hun gebruik nog weer kort bestraald worden om er opnieuw voldoende kortlevende isotopen als telluur-129, jodium-131 en cesium-137 in aan te brengen.

Koelwaterverlies

Het eerste experiment bootst een abrupt koelwaterverlies in een drukwaterreactor na, een loss-of-coolant-accident. Plotseling komen daarbij de splijtstofstaven niet in water maar in stoom te hangen. Ze raken oververhit en barsten open. De gassen, vluchtige verbindigen en vaste deeltjes die uit de later gedeeltelijk smeltende splijtstofstaven ontwijken, worden opgevangen in een constructie die het primaire koelcircuit van een drukwaterreactor nabootst: een lange horizontale leiding die aan het einde uitmondt in een omgekeerd U-vormige buis die de stoomgenerator vertegenwoordigt. Over de omgekeerde U wordt een temperatuurgradiënt van 700 naar 115 graden Celsius aangebracht waardoor waarschijnlijk een deel van de stoom en de splijtingsprodukten achterin de U-bocht zal condenseren.

Materiaal dat deze namaak-stoomgenerator aan het einde verlaat, belandt in de containmenttank met een volume van 10 kubieke meter: de nabootsing van het insluitsysteem. In de eerste experimenten is dat tegelijk het eindpunt, later kan de containmenttank ook nog "lozen' op de "atmosfeer' in de atmosferische tank. Het Phebus FP-programma besteedt nadrukkelijk veel aandacht aan de mogelijk matigende effecten in het insluitsysteem. In de containmenttank zijn, als tegenhanger van de koude delen die in werkelijkheid in de betonnen koepel aanwezig zijn, verschillende condensors aangebracht waarop opnieuw condensatie kan optreden. Het condensaat wordt daarbij automatisch verzameld. In de tank heerst een zeer vochtig milieu met een temperatuur van 150 graden en een druk van ongeveer 4 bar (ruwweg de ontwerpdruk van de gangbare koepels). Onder in de tank is het gangbare opvangsysteem voor lekwater aangebracht, ook dat water kan veel gevaarlijke verbindingen absorberen.

Vanzelfsprekend is het gehele traject van testreactor tot containmenttank rijkelijk voorzien van meetapparatuur. Met een veelheid aan technieken worden drukken, temperaturen en stroomsnelheden gemeten. Gamma-spectrometers scannen de stoomgenerator op het passeren van de eerste radioactieve isotopen. Bij de eerste experimenten gaat de belangstelling vooral uit naar de meest vluchtige daarvan, zoals jodium, later zal ook het lot van de niet-vluchtige isotopen worden onderzocht. Bij elkaar duurt de proef twee à drie uur. Daarna zal nog een week of twee gemeten worden aan de ontwikkelingen in het koelcircuit en vooral de containmenttank. Dan wordt de opstelling met telemanipulatoren afgebroken en schoongemaakt of afgevoerd.

Eind volgende week is het zover. Na de voorgeschreven tien dagen bestraling zal op uur nul het vermogen van de omhullende Phebus-reactor met een "scram' van 20 megawatt tot nul worden teruggebracht. De klep die tot dat moment ook koelwater door het buisvormige testreactortje liet stromen, wordt gesloten en de klep naar de would-be "stoomgenerator' en "containment' gaat open. De ruimte tussen de 20 splijtstofstaven wordt gevuld met stoom en daarna voert men het vermogen van de Phebus-reactor weer langzaam op tot 10 megawatt. Daarbij zal zich in de niet langer adequaat gekoelde testbrandstof een temperatuur ontwikkelen van meer dan 2700 graden Celsius met de al beschreven gevolgen. Bij 800 graden smelt de centrale regelstaaf, wat later volgt de uitdrijving van de splijtingsprodukten uit hun opengebarsten omhulling. Aan het eind van het experiment volgt een nieuwe scram van de Phebus-reactor waardoor de resten van de testbrandstof weer snel zullen afkoelen zodat zij na verloop van tijd kunnen worden verwijderd. De Group Permanent vroeg zich deze week nog steeds af of de testreactor niet gewoon zal exploderen.

Verse splijtstofstaven van drukwaterreactoren bevatten uraniumoxyde (UO) waarin het gehalte van het goed splijtbare uranium-235 vooraf in een verrijkingsfabriek is opgevoerd tot 3 à 4 procent. Van nature is uranium-235 tamelijk stabiel, maar wordt het materiaal vanuit een externe neutronenbron door neutronen getroffen dan kunnen de atoomkernen splijtingen ondergaan waarbij per splijting twee of drie neutronen vrijkomen. Onder bepaalde omstandigheden kunnen deze kernsplijtingen zich vervolgens zelf in stand houden.

Bij de door neutronen opgewekte splijting van een uranium-235-kern valt de kern, min of meer lukraak, in twee nagenoeg even grote brokstukken uiteen. Het woord "splijting' is dus goed gekozen. In opbrandende splijtstof hopen zich isotopen op met "atoomgewichten' die ongeveer de helft zijn van die van het uranium. De massagetalen van de zogeheten splijtingsprodukten vallen ruwweg tussen de waarden 85 en 150 en omvatten zulke beruchte isotopen als jodium, cesium en strontium.

Naast de splijtingsprodukten vormen zich ook "aktiveringsprodukten', isotopen die ontstaan als oorspronkelijk aanwezige, of later gevormde, kernen een neutron opnemen zonder daarna te splijten. Het bekendste voorbeeld is de overgang, via een tussenstap, van uranium-238 naar plutonium-239.

Het potentiële gevaar van bestraalde splijtstof schuilt niet in de aanwezigheid van uranium-235 en -238 maar juist in het voorkomen van de ongeveer 500 verschillende splijtings- en aktiveringsprodukten. Per isotoop wordt het gezondheidsrisico bepaald door de concentratie, de stabiliteit (halfwaardetijd) en de vluchtigheid. Sommige isotopen hebben zo'n korte halfwaardetijd (enige seconden) dat ze praktisch nooit als zodanig buiten het insluitsysteem zullen raken. Andere zijn daarvoor te weinig vluchtig. De in de splijtstof gevormde niet-stabiele isotopen van de edelgassen xenon en krypton zijn zó vluchtig en inert dat ze, bij het bezwijken van de reactor, bijna altijd volledig vrijkomen maar in de atmosfeer "verdwijnen'.

In de praktijk is maar van een vijftigtal isotopen gevaar te duchten. Onmiddellijk na de Tsjernobylramp kwam de radioactiviteit in Nederland vooral van jodium-131 en -132, telluur-132, ruthenium-103 en cesium-137. Nadat de kortlevende isotopen eenmaal waren vervallen wonnen de isotopen strontium-89 en -90 relatief aan belang.