Plasma-centrifuge: isotopen scheiden met draaiend plasma
Stop je wasgoed in de centrifuge en het water vliegt naar buiten, terwijl de stof binnen blijft: zwaardere en lichtere delen worden door de draaiing uit elkaar gehaald. Datzelfde principe gebruikt Urenco in Almelo al decennia om uranium te verrijken, met snel ronddraaiende metalen cilinders die lichte en zware uraniumisotopen van elkaar scheiden. Een plasma-centrifuge doet in de kern hetzelfde, maar dan zonder bewegende onderdelen. In plaats van een fysiek ronddraaiende cilinder laat men een plasma - een hete, elektrisch geleidende gaswolk van losse ionen en elektronen - ronddraaien met behulp van elektrische en magnetische velden. De middelpuntvliedende kracht die daarbij ontstaat, drijft zware deeltjes verder naar buiten dan lichte, waardoor stoffen op basis van hun massa gescheiden kunnen worden.
Het idee bestaat al sinds de jaren zestig en zeventig, maar staat de laatste jaren weer in de belangstelling om twee heel verschillende redenen: het zou kunnen helpen om radioactief kernafval compacter en minder gevaarlijk te maken, en het zou in de verre toekomst een rol kunnen spelen bij het zuiveren van brandstof in fusiecentrales. Tegelijk is de techniek nog volop experimenteel, complex om op te schalen, en - vanwege de link met uraniumverrijking - ook onderwerp van zorgen over kernwapenverspreiding. Dit artikel legt uit hoe een plasma-centrifuge werkt, wat men ermee wil bereiken, wie eraan werken en hoe ver de techniek werkelijk is.
Wat is het precies?
Een plasma ontstaat wanneer je een gas zo heet maakt, of met genoeg energie bestookt, dat elektronen loskomen van atomen. Je houdt dan een mengsel over van positief geladen ionen en negatief geladen elektronen, dat - anders dan een gewoon gas - reageert op elektrische en magnetische velden. Dat is precies waar een plasma-centrifuge gebruik van maakt.
In een typisch ontwerp staat een plasma in een vacuümvat tussen twee elektroden, die een radiaal elektrisch veld opwekken (van het midden naar de rand). Tegelijk zorgt een spoel voor een axiaal magnetisch veld, evenwijdig aan de as van het vat. De combinatie van die twee velden zorgt ervoor dat geladen deeltjes in een cirkelbeweging rond de as gaan draaien - een verschijnsel dat plasmafysici de "E×B-drift" noemen. Het bijzondere is dat vrijwel alle deeltjes, ongeacht hun massa of lading, met dezelfde hoeksnelheid meedraaien, alsof het plasma zich als één starre, ronddraaiende cilinder gedraagt.
Bij die snelle rotatie ontstaat een middelpuntvliedende kracht die, net als in een gewone centrifuge, evenredig is met de massa van een deeltje. Zware ionen worden dus harder naar buiten geduwd dan lichte, en verzamelen zich op een grotere straal. Met opvangringen of -platen op verschillende afstanden van de as kan een specifiek element of isotoop worden "afgetapt". Een belangrijk verschil met de mechanische gascentrifuge is dat er geen razendsnel draaiend metalen onderdeel nodig is dat kan slijten, breken of chemisch reageren met agressieve of radioactieve stoffen - alle "beweging" zit in het plasma zelf, aangedreven door velden. Bovendien kan een plasma-centrifuge in principe een mengsel van meerdere elementen in één stap in verschillende fracties splitsen, terwijl een gascentrifuge doorgaans is toegesneden op het scheiden van twee isotopen van hetzelfde element in lange cascades.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter recent onderzoek is kernafval. Hoogradioactief afval van kerncentrales is een mengsel van tientallen verschillende isotopen, van stoffen die na enkele tientallen jaren onschadelijk zijn tot langlevende actiniden die honderdduizenden jaren gevaarlijk blijven. Als je dat mengsel kunt scheiden in een fractie met kortlevende, relatief ongevaarlijke stoffen en een veel kleinere fractie met de echt langlevende stoffen, hoeft alleen dat laatste, veel kleinere deel in diepe, dure eindberging. Chemische scheidingstechnieken zoals het klassieke PUREX-proces kunnen dit ook, maar gebruiken agressieve oplosmiddelen en zuren, en produceren daarbij weer nieuw chemisch afval. Een plasma-centrifuge zou dat zonder chemicaliën kunnen doen, puur op basis van massa.
Een tweede, meer toekomstgerichte toepassing ligt bij kernfusie. In een fusiereactor die deuterium en tritium samensmelt, ontstaat helium als "as", terwijl een deel van de oorspronkelijke brandstof onverbrand blijft. Voor een economisch werkende fusiecentrale moet die heliumas voortdurend worden afgevoerd en het onverbrande deuterium en tritium worden teruggewonnen en hergebruikt - tritium is namelijk schaars en duur. Een plasma-centrifuge wordt genoemd als mogelijke manier om die scheiding efficiënt te doen, al is dit nog grotendeels theoretisch werk, omdat commerciële fusiecentrales er zelf nog niet zijn.
Daarnaast wordt er, met meer terughoudendheid, gekeken naar plasma-centrifuges voor het maken van zeer zuivere isotopen voor de halfgeleiderindustrie of medische toepassingen. En, niet te vergeten: dezelfde fysica die kernafval kan scheiden, kan in theorie ook uranium verrijken. Dat maakt het onderwerp gevoelig, en verklaart waarom overheidsinstanties het onderzoek nauwlettend volgen.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste voorbeelden is de Ohkawa Plasma Mass Filter, genoemd naar de Japans-Amerikaanse plasmafysicus Tihiro Ohkawa, die bij het Amerikaanse bedrijf General Atomics in San Diego werkte en het concept al in de jaren tachtig en negentig patenteerde. General Atomics heeft sindsdien op laboratoriumschaal prototypes gebouwd en getest, gericht op het scheiden van isotopen in nucleair afval, met resultaten die onder meer zijn gepubliceerd in vakbladen als Physics of Plasmas.
In de jaren tachtig onderzocht het Amerikaanse Lawrence Livermore National Laboratory een verwant concept, het zogeheten "Plasma Separation Process", als mogelijke methode om uranium te verrijken via selectieve verhitting van U-235-ionen in een roterend plasma. Het Amerikaanse ministerie van Energie zette dat programma later stop, onder meer omdat gascentrifuges en, later, laserverrijking efficiënter bleken. Deze episode wordt in de non-proliferatieliteratuur nog altijd aangehaald als voorbeeld van hoe plasmatechnieken theoretisch bruikbaar zouden kunnen zijn voor verrijking.
Op het gebied van fusie draaide de University of Maryland begin jaren tweeduizend het Maryland Centrifugal Experiment (MCX), onder leiding van onderzoekers als Adil Hassam. Dit experiment onderzocht niet isotopenscheiding, maar of een snel ronddraaiend plasma in een magnetische "spiegel"-opstelling stabieler te houden is - een inzicht dat relevant is voor compacte fusieconcepten.
Ook aan Amerikaanse universiteiten, waaronder de University of Michigan, is met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie onderzoek gedaan naar plasma mass filters voor de behandeling van gebruikte kernbrandstof. Verder wordt in historische overzichten van isotopenscheiding gewezen naar vroeg Sovjet-onderzoek, onder meer bij het Kurchatov-instituut, naar roterende plasma's voor isotopentoepassingen in de jaren zestig en zeventig; gedetailleerde, publiek toegankelijke bronnen daarover zijn echter schaars.
Hoe ver is de techniek?
Plasma-centrifuges zitten vrijwel overal nog in de fase van laboratoriumopstellingen en kleinschalige prototypes. Er draait, voor zover bekend, geen enkele plasma-centrifuge op industriële schaal die daadwerkelijk kernafval verwerkt of brandstof zuivert voor een fusiecentrale.
De belangrijkste obstakels zijn technisch van aard. Het opwekken en in stand houden van een stabiel, snel roterend plasma kost veel energie, en plasma's zijn van nature onstabiel: kleine verstoringen kunnen uitgroeien tot turbulentie die de scherpe scheiding tussen massa's weer vertroebelt. Opschalen naar hoeveelheden die relevant zijn voor een kerncentrale - tonnen materiaal per jaar in plaats van grammen in een testopstelling - is een grote stap, evenals het ontwerpen van wanden en elektroden die bestand zijn tegen langdurig contact met heet, soms radioactief plasma.
Voor de kernafvaltoepassing zijn de resultaten op labschaal veelbelovend genoeg om onderzoek te blijven financieren, maar een vergunde, operationele verwerkingsfaciliteit is er nog niet en zal, gezien de strenge regelgeving rond nucleair materiaal, nog jaren onderzoek en toetsing vergen. Voor de fusietoepassing geldt dat de urgentie pas echt toeneemt zodra fusiecentrales zelf commercieel operationeel worden, en dat moment ligt naar de huidige inschatting van de meeste experts nog op zijn vroegst in de jaren dertig of veertig van deze eeuw. Voor uraniumverrijking is de route door de VS expliciet losgelaten ten gunste van andere technieken, al blijft het onderwerp om non-proliferatieredenen op de radar van toezichthouders staan.
Wie werken eraan?
Het veld is relatief klein en sterk verbonden met de Verenigde Staten. General Atomics in San Diego is met de Ohkawa Plasma Mass Filter een van de meest zichtbare partijen, met financiering die deels via het Amerikaanse ministerie van Energie loopt. Lawrence Livermore National Laboratory heeft historisch onderzoek gedaan naar plasmagebaseerde verrijking. Academische groepen, waaronder die aan de University of Maryland (fusiegerichte centrifugale opsluiting) en de University of Michigan (afvalgerichte mass filters), leveren fundamenteel onderzoek en opleiden nieuwe plasmafysici op dit terrein.
Internationaal volgt het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) ontwikkelingen op het gebied van plasmagebaseerde isotopenscheiding vanuit het oogpunt van non-proliferatie, omdat elke techniek die uranium zou kunnen verrijken potentieel gevoelig is. Historisch onderzoek in de Sovjet-Unie, onder meer bij het Kurchatov-instituut, wordt in de vakliteratuur genoemd, al is over de huidige Russische inspanningen op dit specifieke deelgebied weinig actueel, onafhankelijk geverifieerd materiaal beschikbaar. In Nederland is er geen bekende, actieve ontwikkeling van plasma-centrifuges; de Nederlandse expertise op het gebied van isotopenscheiding zit vooral bij de klassieke, mechanische gascentrifugetechnologie van Urenco.