Een emmertje te veel

In tegenstelling tot eerdere berichten heeft zich bij het Japanse kernongeval in Tokai geen explosie voorgedaan. Terugblik op een ongeluk uit het boekje.

NOG SNELLER dan hij in het nieuws kwam is het Japanse kernongeluk in Tokai weer uit de belangstelling verdwenen. Er is nog wat aandacht voor de malversaties van het bedrijf JCO waar het ongeluk op 30 september plaats vond en de recente politie-inval waarbij de administratie in beslag werd genomen. Een enkeling volgt de lijdensweg die het zwaarst getroffen slachtoffer gaat. Maar zelfs op de meer in nucleaire zaken gespecialiseerde websites is men al weer over tot de orde van de dag. Bij nader inzien betrof het hier immers een `gewoon' kritikaliteits-ongeluk van het soort dat zich bijvoorbeeld twee jaar geleden ook nog voordeed in Rusland.

Zo zou makkelijk een verkeerd beeld over de toedracht en afloop van het ongeluk kunnen blijven bestaan. Ook in deze krant is de gang van zaken niet juist beschreven. De belangrijkste correctie die moet worden gemaakt is dat zich géén explosie heeft voorgedaan. Voor de afloop en beëindiging van de moeilijkheden heeft dat veel betekend.

JCO is niet een opwerkingsfabriek (een `re-processing facility', waar bruikbaar uranium en plutonium uit opgebrande splijtstof wordt teruggewonnen) zoals wel is vermeld, maar een zogenoemde conversie-fabriek, desgewenst ook een `processing facility' te noemen. De fabriek krijgt uranium in gasvormige toestand, als uraniumhexafluoride (UF6), geleverd van de verrijkingsfabriek (à la Urenco) die het gehalte uranium-235 in natuurlijk uranium in ultracentrifuges kan opvoeren tot elk gewenst hoger percentage. Uranium is met de gangbare technieken alleen in gasvormige toestand te verrijken, maar voor gebruik als splijtstof in centrales moet het in het vaste uraniumdioxide (UO2) worden gebracht. Dat is wat JCO deed en doet. Het volgde daarbij de `natte methode', ook wel ADU-methode genoemd. De fabriek had twee productielijnen, een voor de verwerking van laagverrijkt uranium (3,5 procent uranium-235) voor gewone lichtwater-reactoren, en een voor middelhoog (18,8 procent) verrijkt uranium bestemd voor de experimentele snelle kweekreactor Joyo. In de laatste lijn deed zich het ongeluk voor.

De omzetting van het in gastanks aangevoerde `hex' naar UO2 vind plaats in nogal wat verschillende chemische stappen, ten dele om het materiaal tegelijk voldoende te zuiveren. In eerste instantie wordt het hex omgezet in het uraniumoxide U3O6 (langs welke weg is niet helemaal duidelijk) en vervolgens wordt dat in een groot, goed geroerd mengvat opgelost in salpeterzuur waarbij uranylnitraat ontstaat. In een volgend vat wordt het uranium weer neergeslagen met behulp van een waterige ammoniakoplossing: het geprecipiteerde ammonium di-uranaat (ADU) wordt later krachtig verhit (waarbij weer U3O8 ontstaat) en gereduceerd met waterstof tot UO2 overblijft. Door middel van sintering (het proces waarbij poederkorrels bij hoge temperatuur en/of druk aaneenkitten) daaruit de pellets bereid die geschikt zijn voor de splijtstofstaven.

Van belang is dat tussen de roertank waarin met salpeterzuur uranylnitraat ontstaat en de precipitatietank waar ammoniak het ADU doet neerslaan een derde vat aanwezig is waar het gehalte uranium wordt gemeten. Dat vat staat er juist om het kritikaliteits-ongeluk te voorkomen dat ontstond toen het gemakshalve werd gepaseerd en de vloeistof bovendien niet werd verpompt maar met behulp van emmers werd overgebracht.

Een kritikaliteitsongeluk doet zich voor als te veel splijtbaar uranium (of plutonium) in een besloten ruimte bijeen wordt gebracht, of als de omgeving opeens ongewoon goed neutronen gaat reflecteren. De mogelijkheid van dit soort ongelukken is direct en onlosmakelijk verbonden met het gegeven dat uranium (vooral de vorm U-235) door langzame neutronen tot splijten is te brengen en bij deze splijting ook zelf neutronen afgeeft. Snelle neutronen, weliswaar, maar deze zijn eenvoudig met water af te remmen tot ze langzaam genoeg zijn om nieuwe splijtingen op te wekken. Omdat bij elke splijting 2 of 3 neutronen vrijkomen kan makkelijk een soort lawine-effect ontstaan: de beruchte kettingreactie.

Of dat in een concrete situatie ook gebeurt hangt af van de neutronenhuishouding: de balans tussen vorming (uit U-235), weglekken naar of weerkaatsing uit de omgeving, absorbtie door neutronen-absorberende stoffen, etc. Daarop zijn de vorm en de omhulling van het opslagvat, de aard en de temperatuur van de oplossing, en natuurlijk de totale hoeveelheid splijtbaar uranium van invloed. Bij erg kleine hoeveelheden uranium (minder dan de welbekende `kritische massa') zullen altijd zoveel neutronen naar de omgeving weglekken dat geen gevaar ontstaat. Hoe groot de `kritische massa' is hangt af van de verrijkingsgraad en de genoemde fysisch-chemisch omstandigheden. Japanse nucleaire organisaties geven op dat onder de omstandigheden waarbij JCO werkte de kritische massa voor 3,5 procent verrijkt uranium ongeveer 60 kilogram zou zijn. Voor 18,8 procent was het ongeveer 5,5 kilogram. In het ammoniumvat van de 18,8 procents productielijn mocht daarom niet en nooit meer dan 2,4 kilo uranium worden gebracht. (Waaruit men overigens een opvallend lage veiligheidsmarge afleidt.) Op 30 september slaagden JCO-werknemers erin 16 kilo uranium in het vat te krijgen. Toen de laatste emmer uranylnitraat er in leegliep raakte de suspensie overkritisch.

Er volgde een intense puls nucleaire straling (neutronen- en gammastraling) die in vochtige omgeving een blauwe gloed opwekt. Deze gloed, ook permanent aanwezig in een werkende lichtwaterreactor, is in radiologische kringen zeer berucht. Uit de hoeveelheid natrium-24 (een zogenoemd activeringsproduct dat onder neutronenbestraling ontstaat) die in de mobiele telefoon van de ene JCO-werker en het braaksel van de ander is gemeten is afgeleid dat de twee een lichaamsdosis van ongeveer 2.000 millisievert (200 rem) moeten hebben opgelopen. Dat kan fataal zijn.

Van belang is dat zich geen explosie voordeed. Het is in het bijzonder de BBC geweest die in haar tv-rapportages (en haar website) de indruk wekte dat het reactievat explodeerde. Op zeker moment werd zelfs een dak met een gat erin in beeld gebracht. Had zich inderdaad een stoom- of dampexplosie voorgedaan dan was de fabriek weliswaar zwaar vervuild geweest, en was misschien ook radioactief materiaal naar buiten geworpen, maar dat had de reactie onmiddellijk beëindigd.

Nu is het reactievat 17 uur lang periodiek onder- en overkritisch geweest. Steeds opnieuw werd er weer neutronen en gammastraling in de omgeving gemeten. Een dergelijke `oscillerende kritikaliteit' is goed bekend uit de literatuur. Hij doet zich voor als de uraniumsplijtingen in het oplosmiddel zoveel hitte en damp- en gasbellen doen ontstaan dat de reactie zichzelf dooft (omdat de neutronen onvoldoende geremd worden), net zo lang tot het oplosmiddel weer is afgekoeld en damp- en gasbellen zijn verdwenen. Dan begint het opnieuw: het vat staat als het ware te `hikken'. De lozingen naar de omgevingen blijven daarbij beperkt tot de gassen (voornamelijk edelgassen als xenon en krypton) die uit het borrelende vat ontsnappen. En de spatten op de vloer.

Omdat rond het onderste deel van het cilindrische ADU-vat een mantel met koelwater was aangebracht die belangrijke hoeveelheden afgeremde neutronen weerkaatste, was de reactie te beëindigen door het koelwater af te voeren. Later is de reactie definitief gestopt met een injectie van borium: borium is een zeer sterke neutronenabsorbeerder. Het schoonmaken van de fabriek moet niet al te lastig zijn.

Het eigenaardigste aan de gehele affaire is dat de JCO-bedrijfsleiding tegenover de buitenwacht de indruk wenste te wekken niet te begrijpen wat er precies gebeurde en wat er gedaan moest worden, terwijl het ongeluk een klassiek kritikaliteits-ongeluk was dat zich geheel volgens klassieke lijnen ontvouwde. Sinds 1945 deden zich mondiaal zo'n 60 kritikaliteits-ongelukken voor, vooral veel in de tijd waarin het fenomeen als zodanig werd bestudeerd en er nog onvoldoende zicht bestond op de voorwaarden voor kritikaliteit. Ook in de kernwapenindustrie waar zeer hoog verrijkt uranium of plutonium wordt gebruikt kwamen de ongelukken aanvankelijk veel voor. (Uitputtende lijsten zijn te vinden op Internet met de zoekterm `criticality accident'). Sinds het midden van de jaren tachtig zijn de ongelukken zeldzaam geworden: men weet ze nu te vermijden. Voor zover na te gaan hebben zich de laatste vijftien jaar maar twee ongelukken voorgedaan, beide in Rusland. In juni 1997 kwam een onderzoeker om het leven toen hij, met de hand, een kopermantel om een plutoniumkern (voor een kernwapen) bracht die meer neutronen reflecteerde dan hij verwachtte. Een maand eerder had zich in Novosibirsk een kritikaliteits-ongeluk voorgedaan dat als twee druppels water lijkt op het Japanse. Hoog verrijkt uranium kon zich onbedoeld ophopen toen de afvoer van een reactievat verstopt raakte. Er volgde een oscillerende neutronenflux die met een boriuminjectie is gestopt.

Met medewerking van Hans van der Lugt, Tokio.