Baanbrekend nucleair onderzoek in Vlaanderen

Het onderzoekscentrum SCK CEN werkt in Mol aan een wereldwijde primeur: de eerste nucleaire onderzoeksreactor ooit die wordt aangedreven door een lineaire deeltjesversneller. In en rond die veelzijdige installatie, MYRRHA gedoopt, zullen tal van knappe koppen zich de komende decennia buigen over prangende vraagstukken. Zoals wat we moeten doen met de verbruikte splijtstof van kerncentrales. “Dat België te klein zou zijn voor dit soort ambitieuze onderzoeksprojecten, is een idee-fixe.”

Om te beginnen zetten we enkele indrukwekkende cijfers op een rijtje: een hoogtechnologische nucleaire onderzoeksfaciliteit ter waarde van 1,6 miljard euro waaraan zo’n 15 jaar gebouwd zal worden, en die van 2018 tot en met 2065 2000 mensen rechtstreeks en ongeveer 4000 mensen onrechtstreeks, voltijds tewerkstelt. Dat is waar het onderzoekscentrum SCK CEN zijn schouders onder zet in het MYRRHA-project.

“MYRRHA staat voor ‘Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications’”, zegt Hamid Aït Abderrahim, adjunct-directeur-generaal van SCK CEN en directeur van MYRRHA. “Het hart van de faciliteit, die zal bestaan uit meerdere gebouwen, wordt een onderzoeksreactor gekoppeld aan een 400 meter lange, lineaire deeltjesversneller (zie kader, red.). Beide installaties zullen de spil vormen voor baanbrekend onderzoek naar onder andere de recyclage van verbruikte kernbrandstof en nieuwe medische radio-isotopen.”

Transmutatie

Met dat eerste focust MYRRHA op een belangrijk maatschappelijk vraagstuk: wat te doen met het kernafval dat ontstaat in kerncentrales overal ter wereld? In zijn onderzoeksreactor wil SCK CEN op pre-industriële schaal aantonen dat het mogelijk is om een deel van dat afval – de verbruikte splijtstof – zo te behandelen dat het afneemt in volume en minder lang radioactief en radiotoxisch is. Met andere woorden: zodat het minder lang gevaarlijk is voor mens en milieu.

De techniek die dat moet toelaten heet ‘transmutatie’. Hamid Aït Abderrahim: “Kernbrandstof die werd verbruikt in een kerncentrale om warmte te produceren, en zo elektriciteit, bestaat nog voor 95 procent uit recycleerbare materialen: uranium en plutonium. Die materialen kunnen we scheiden van de rest van de verbruikte brandstof via een chemisch proces dat we ‘opwerking’ noemen.”

“Dat is op zich niet nieuw, die techniek bestaat al lang. Wat wij in MYRRHA willen doen, gaat nog een stap verder. We willen ook het restproduct recycleren dat na de opwerking overblijft. Daarin zitten immers bepaalde stoffen – ‘mineure actiniden’– die ervoor zorgen dat het afval nog lang radioactief en radiotoxisch blijft. In onze MYRRHA-onderzoeksreactor gaan we demonstreren dat je die mineure actiniden moet scheiden van de rest van de afvalstoffen, en dan gebruiken als splijtstof. Dat is in een notendop het principe van transmutatie. Om dat op een veilige manier te kunnen doen, werk je best met een subkritische kernreactor aangedreven met behulp van een deeltjesversneller.”

Waarom een deeltjesversneller?

Als je een deeltjesversneller koppelt aan een kernreactor, ontstaat een zogenaamd accelerator driven system (ADS). In het MYRRHA-project wordt de onderzoeksreactor aangesloten op een lineaire deeltjesversneller van 400 meter lang. Maar waarom die deeltjesversneller? Samengevat komt het hierop neer: de versneller drijft de kernreactie in de reactor aan. Wordt hij uitgeschakeld, dan valt de reactor binnen een miljoenste van een seconde stil.

Hamid Aït Abderrahim, directeur van het MYRRHA-project, legt uit hoe dat in zijn werk gaat: “De MYRRHA-reactor is ‘subkritisch’. Dat betekent dat er niet genoeg splijtstof in aanwezig is om de kernreactie uit zichzelf in gang te houden. De reactor heeft dus een externe bron van neutronen nodig – dat zijn de deeltjes die zorgen voor de nucleaire kettingreactie. En daar komt de versneller in het verhaal. Die vuurt een straal van protonen af op een doelwit van zwaar materiaal in de reactorkern, waardoor er neutronen vrijkomen die de kernreactie aandrijven.”

“Werken met een ADS en een subkritische kern heeft een groot veiligheidsvoordeel: je kernreactie kan niet uit zichzelf beginnen oplopen. Daarnaast laat de lineaire deeltjesversneller ons toe om de werking van de reactor heel precies te controleren. Dat is essentieel voor de gevoelige experimenten die in MYRRHA zullen plaatsvinden.”

Factor 1000

Op papier lijkt transmutatie alvast een veelbelovende oplossing voor het kernafval. “Als je verbruikte kernbrandstof recht uit de reactor naar een ondergrondse berging brengt, zoals de Finnen gaan doen, duurt het meer dan 300.000 jaar voor die de radiotoxiciteit van natuurlijk uranium heeft bereikt. Werk je de brandstof eerst op, dan duurt dat 10.000 jaar. En kies je voor opwerking én vervolgens transmutatie, dan verkort je de tijdspanne tot zo’n 300 jaar. Dat is een vermindering met een factor 1000. De oppervlakte van je ondergrondse bergingsinstallatie zou bovendien ruim 10 keer kleiner zijn doordat het afvalvolume zo sterk is afgenomen.”

Het MYRRHA-project wil de komende decennia op pre-industriële schaal bewijzen dat transmutatie ook in de praktijk een solide oplossing is. Hamid Aït Abderrahim heeft er vertrouwen in: “Een kernreactor zoals die van MYRRHA zou op grotere, industriële schaal economisch erg interessant zijn. Het systeem met een versneller zou immers draaien op de verbruikte splijtstof van andere kerncentrales. Stel je voor: zo zouden we tegelijk het afvalprobleem aanpakken en elektriciteit opwekken. Want doordat er warmte ontstaat, zou ook dit soort systeem elektriciteit kunnen produceren.”

"Een reactor zoals die in MYRRHA zou - op industriële schaal - draaien op verbruikte splijtstoffen van kerncentrales. Een win-win, want zo pak je het probleem van kernafval aan terwijl je elektriciteit produceert"

Hamid Aït Abderrahim (SCK CEN)

Kanker doelgericht bestrijden

Een ander belangrijk doel van de MYRRHA-onderzoeksinfrastructuur is de productie van radio-isotopen, onder meer voor medische toepassingen (zie kader). Lucia Popescu van SCK CEN vertelt ons er meer over. Zij leidt enkele projecten rond fundamenteel onderzoek binnen MYRRHA, waaronder verschillende studies naar nieuwe radio-isotopen die kankercellen doelgerichter moeten helpen bestrijden.

“De beperkte beschikbaarheid van radio-isotopen is een gekend probleem in de medische wereld. In het bijzonder van zogenaamde theranostische radio-isotopen, die zowel gebruikt kunnen worden om diagnoses te stellen als om ziektes te behandelen. Door onze deeltjesversneller in te zetten voor de productie van die isotopen, willen we daaraan tegemoetkomen. Onze radio-isotopen zullen bovendien uitzonderlijk zuiver zijn. Dat is belangrijk om de dosis voor de patiënt te optimaliseren en mogelijke bijwerkingen te beperken.”

Wat zijn medische radio-isotopen?

Ziekenhuizen overal ter wereld maken gebruik van radioactieve stoffen voor de behandeling en diagnose van ziektes. Die stoffen noemen we ‘radio-isotopen’. Ze worden bijvoorbeeld ingezet om tumoren te bestralen of om er beelden van te maken. Het Belgische nucleaire onderzoekscentrum SCK CEN produceert in zijn BR2-onderzoeksreactor bijna 40 procent van alle medische radio-isotopen wereldwijd.

Sommige radio-isotopen zijn bijzonder moeilijk om met de vereiste zuiverheid te produceren, aldus Lucia Popescu. “De medische terbium-isotopen zijn daar een goed voorbeeld van. Daar is veel vraag naar voor uiteenlopende geneeskundige toepassingen. Maar door hun relatief korte halfwaardetijd en de grote zuiverheid die nodig is voor medisch gebruik is het voor de industrie vandaag vaak nog niet haalbaar om onderzoek te doen naar de productie ervan.”

“De R&D die nodig is voor de productie van terbium-isotopen zal daarom in MYRRHA gebeuren, met financiële steun van het FWO-programma voor strategisch basisonderzoek. Die steun heeft trouwens deuren voor ons geopend. Dankzij het vertrouwen van het FWO in dit project kwamen we op de radar van enkele buitenlandse instellingen. Daardoor kunnen we nu deelnemen aan een groot Europees programma rond medische radio-isotopen.”

"De steun van het FWO was de trigger om te kunnen deelnemen aan een groot Europees onderzoeksprogramma rond medische radio-isotopen"

Lucia Popescu (SCK CEN)

Open onderzoeksfaciliteit

Hamid Aït Abderrahim ziet in de toekomst een belangrijke rol weggelegd binnen MYRRHA voor organisaties als het FWO. “Het is onze filosofie om van MYRRHA een open onderzoeksfaciliteit te maken, waar wetenschappers uit binnen- en buitenlandse kennisinstellingen hun experimenten komen uitvoeren. Onderzoekers die excelleren – en daardoor ondersteund worden door bijvoorbeeld het FWO – zullen hier de unieke, hypergespecialiseerde infrastructuur vinden voor hun studies. MYRRHA komt er dus niet enkel voor de wetenschappers van SCK CEN. We willen er zijn voor tal van gebruikers, in de eerste plaats de Belgische universiteiten.”

“Dat België te klein zou zijn voor dit soort ambitieuze onderzoeksprojecten is trouwens een idee-fixe. Ons land doet op het gebied van nucleair onderzoek mee met de grote jongens in Europa. Zo wordt de expertise van SCK CEN wereldwijd erkend en steunen we met de Vlaamse – maar ook de Waalse en Brusselse – universiteiten op een sterk kennisnetwerk om studies te coördineren. Ook in Vlaanderen heerst er een wetenschapsvriendelijk klimaat. Al is het wel zo dat de economische return van onderzoek er dikwijls centraal staat. Daarom is het waardevol dat het FWO in de bres springt voor fundamenteel wetenschappelijk onderzoek.”