Vooruitgang bij de winning van uranium uit zeewater

Nucleaire energie uit brandstoffen zoals uranium is een vorm van elektriciteitsproductie met lage uitstoot over de levenscyclus. De geschiedenis omvat ernstige ongevallen. Moderne veiligheidssystemen beperken risico’s, maar toezicht, afvalbeheer en milieubescherming blijven noodzakelijk.

“Kernenergie is een koolstofarme energiebron om fossiele brandstoffen te vervangen en biedt een belangrijke waarborg voor de groene ontwikkeling van economie en milieu.”

In 2023 presenteerden onderzoekers een elektrochemische methode om uranium uit zeewater terug te winnen. Of dit op grote schaal een duurzame methode kan worden, hangt nog af van kosten, energieverbruik en milieuonderzoek.

De onderzoeksstap

De studie in ACS Central Science verscheen onder de titel ‘Zelfdragende elektroden met een poreus aromatisch raamwerk voor efficiënte elektrochemische uraniumwinning’. De onderzoekers richtten zich op het vastleggen van opgeloste uranylionen, niet op het rechtstreeks produceren van kant-en-klare kernbrandstof of elektriciteit uit water.

De totale hoeveelheid uranium die in de oceanen is opgelost, wordt geschat op ongeveer 4,5 miljard ton. De publicatie vergeleek dit met ruim duizendmaal de hoeveelheid in landreserves. Een totale opgeloste voorraad is echter niet hetzelfde als economisch winbare reserves. De concentratie in zeewater is zeer laag.

De onderzoekers bedekten koolstofvezeldoek met een poreus polymeer en amidoximgroepen die uranylionen binden. Het doek diende als kathode, samen met een grafietanode en elektrische stroom. Er ontstonden uraniumhoudende neerslagen. Bij een proef met natuurlijk water uit de Bohai-zee werd in 24 dagen 12,6 milligram uranium per gram actief bekledingsmateriaal gewonnen, niet per gram water. Het elektrochemische proces was ongeveer driemaal sneller dan passieve ophoping op het doek.

Volgens de onderzoekers biedt dit een doeltreffende aanpak voor elektrochemische uraniumwinning uit zeewater. Het onderzoeksresultaat bewijst nog niet dat commerciële winning goedkoper of milieuvriendelijker is dan mijnbouw.

Wat is uranium?

Splijting, kettingreactie en radioactief verval

Wanneer een uranium-235-kern een neutron opneemt, kan hij splijten in lichtere kernen. Daarbij komen energie en extra neutronen vrij. Deze opgewekte splijting is iets anders dan de natuurlijke radioactieve vervalketen van uranium.

Bron: https://pubs.usgs.gov/of/2004/1050/uranium.htm — een radioactieve vervalketen, geen kettingreactie van kernsplijtingen.

In een reactor wordt de kettingreactie beheerst. Neutronen van de ene splijting kunnen nieuwe splijtingen veroorzaken. De warmte wordt doorgaans gebruikt om stoom te maken, die turbines met elektriciteitsgeneratoren aandrijft.

Elektriciteitsproductie berust dus op beheerste kernsplijting. De energie daarvan moet niet worden toegeschreven aan alleen de natuurlijke vervalketen in het afgebeelde diagram.

Kernfusie: een andere benadering

Kernsplijting levert splijtingsproducten en andere radioactieve materialen op die passend moeten worden afgeschermd en beheerd. Splijtingsproducten ontstaan door het uiteenvallen van een kern bij splijting, niet simpelweg door het gewone natuurlijke verval van uranium.

Kernfusie voegt lichte kernen samen. Een belangrijke onderzochte reactie combineert deuterium en tritium tot helium, een neutron en energie. Ook de zon wordt door fusie gevoed, maar daar overheersen andere reactieketens dan de op aarde onderzochte deuterium-tritiumreactie. Mogelijke voordelen zijn:

Veel energie per kilogram brandstof: Fusie kan ongeveer viermaal zoveel energie per kilogram brandstof leveren als splijting en bijna vier miljoen maal zoveel als de verbranding van olie of steenkool. Dit vergelijkt brandstofmassa’s, niet één afzonderlijke reactie of de netto-opbrengst van een complete centrale.

Beschikbaarheid van brandstof: Deuterium kan uit water worden gewonnen. Tritium komt niet overvloedig in de natuur voor en zou bijvoorbeeld uit lithium met fusieneutronen moeten worden geproduceerd. Voldoende tritium kweken en terugwinnen blijft een technische uitdaging.

Mogelijke milieuvoordelen: Net als bij splijting stoot de fusiereactie zelf geen CO₂ uit. De deuterium-tritiumreactie produceert helium en neutronen, die reactormaterialen radioactief kunnen maken. Stralingsbescherming en materiaalbeheer blijven dus nodig. Hergebruik na ongeveer honderd jaar hangt af van materiaalkeuze en ontwerp en is geen algemene garantie.

Veiligheid: Fusie vereist strikte omstandigheden en onderhoudt geen splijtingskettingreactie. Als die omstandigheden wegvallen, stopt het plasma snel met fuseren. Het risico op een kernsmelting is anders dan bij splijtingsreactoren, maar tritium, neutronen, warmte en installatieveiligheid blijven aandachtspunten. Zonder uranium- of plutoniumbrandstof verdwijnen ook niet automatisch alle proliferatierisico’s.

In 2022 en 2023 bereikte het NIF energiewinst bij het doelwit. In december 2022 leverde 2,05 MJ laserenergie bijvoorbeeld 3,15 MJ fusie-energie op. Dat was geen netto-elektriciteitsproductie of positief energieresultaat voor de hele installatie, die meer energie verbruikte.

De voorspellingen uit 2023 van een demonstratiecentrale binnen tien tot twintig jaar waren schattingen, geen vastgelegde deadlines. De voortgang hangt af van plasmafysica, materialen, brandstofproductie, bouw en economische bedrijfsvoering.

Regelmatige, praktische elektriciteitsproductie door fusie vergt nog onderzoek en technische ontwikkeling. Een geslaagd ontstekingsexperiment levert niet automatisch een werkende centrale of een gegarandeerde planning op.

Bedrijven in energie en nucleaire technologie

Publieke onderzoeksinstellingen en particuliere ondernemingen dragen bij aan energie- en nucleaire technologie. De onderstaande bedrijven hebben verschillende rollen; niet elk bedrijf ontwikkelt zeewaterwinning of fusie.

De tabelcijfers zijn een historisch momentbeeld uit het artikel van 2023 en geen actuele beursgegevens. Controleer de huidige cijfers afzonderlijk.

1. Exelon Corporation

EXC Prijsgrafiek

Exelon Corporation (EXC ), gevestigd in Chicago, werd in februari 2022 gesplitst van Constellation. De elektriciteitsproductie ging naar Constellation, terwijl Exelon zich richtte op transmissie en distributie. De oude omschrijving met 23 reactoren en 14 kerncentrales beschrijft daarom niet het huidige Exelon. De tabel en de EXC-grafiek horen bij Exelon, niet bij Constellation.

2. NextEra Energy, Inc.

NEE Prijsgrafiek

NextEra Energy (NEE ) had volgens het jaarverslag over 2023 kerncentrales in Florida, New Hampshire en Wisconsin in de portefeuille. Bij de splijting zelf komt geen CO₂ vrij, maar de installaties hebben wel een levenscyclusvoetafdruk. De oorspronkelijke 24 miljoen ton vermeden uitstoot per jaar was een vergelijkende schatting, geen meting van afwezige totale uitstoot.

3. BWX Technologies, Inc.

BWXT Prijsgrafiek

BWX Technologies (BWXT ) levert nucleaire onderdelen, technologie en brandstof. De activiteiten omvatten nucleaire scheepsvoortstuwing, nucleaire geneeskunde en onderzoeksreactoren. In 2023 kondigde het een ontwerpopdracht van GE Hitachi aan voor het reactorvat van de kleine modulaire BWRX-300-reactor. Europese ontwikkelingsplannen, waaronder in Polen, zijn niet hetzelfde als al draaiende centrales.

Conclusie

Elektrochemische uraniumwinning uit zeewater en kernfusie zijn verschillende onderzoeksterreinen. De eerste kan brandstofbronnen voor splijting verbreden als winning op schaal economisch en ecologisch verantwoord blijkt. De tweede beoogt een andere energiebron, met nog aanzienlijke technische uitdagingen. De resultaten uit 2023 zijn onderzoeksvooruitgang, geen bewijs dat onbeperkte elektriciteit zonder gevolgen al beschikbaar is.