Gekraakte kristallen

Posted on 15 jan '07

Schade van straling valt forser uit

Een bombardement van alfadeeltjes uit plutonium maakt kristallen sneller kapot dan theoretische modellen voorspiegelden, blijkt uit waarnemingen met een nieuwe techniek. Langdurige opslag van kernafval zal dus nog steviger materiaal vergen dan wetenschappers al dachten.

Polonium-210, de stof waarmee eind vorig jaar Alexander Litvinenko werd omgebracht, produceert bij zijn verval alfadeeltjes: pakketjes van twee neutronen en twee protonen. Ieder alfadeeltje richt in menselijke weefsels een spoor van verwoesting aan, vandaar dat een minieme hoeveelheid polonium voldoende was om de ex-spion te doden. Alfastraling komt ook vrij uit uranium, plutonium en andere stoffen die in kernafval zitten. En ook daar zorgt het destructieve gedrag van de alfadeeltjes voor problemen. Die stoffen moeten daarom apart worden opgeborgen, in een verpakking die de alfastraling duizenden jaren lang kan verdragen. Een kwart miljoen jaar zelfs, want pas na die tijd is het stralingsgevaar bijna verdwenen.

Keramische materialen lijken de beste papieren te hebben voor deze klus. Maar hun kristalstructuur heeft veel meer te lijden onder het bombardement van alfadeeltjes dan tot nu toe werd aangenomen, menen een aardwetenschapper uit het Britse Cambridge en twee Amerikaanse collega’s. Ian Farnan, Herman Cho en William Weber beschrijven in Nature hoe ze met behulp van kernspinresonantie diep in de structuur van zirkoonkristallen keken. Uit de resultaten kunnen ze precies afleiden hoe een kristal kapot gaat door straling.

Zirkoon, door stralingsdeskundigen gezien als een materiaal dat erg goed tegen alfastraling kan, blijkt veel eerder in puin te liggen dan deze wetenschappers hadden gedacht. Alfadeeltjes schieten met een enorme kracht tegen het raster van het kristal. Ook de plutoniumatomen, waar de deeltjes vandaan komen, roeren zich heftig bij deze gebeurtenis. In een animatie die Farnan’s collega Kostya Trachenko maakte, is te zien hoe de schade in het kristal zich voltrekt. Per loskomend alfadeeltje schieten zo’n vijfduizend atomen van hun plek in het kristalrooster, terwijl er slechts duizend tot tweeduizend van dit soort verplaatsingen waren verwacht.

Ontwikkelaars die stevige materiaal zoeken om radioactief afval veilig in op te bergen, kijken de kunst van het zirkoon af. Ook Ronald Schram van de Nuclear Research & consultancy Group (NRG) in Petten kent het mineraal goed. Hij ontwikkelt keramische houders voor plutonium, die de kernreactor ingaan. Uiteraard wil hij heel graag weten hoe lang zijn materialen standhouden. In het lab simuleert hij het schadeproces. Maar een echt betrouwbaar systeem heeft hij daarvoor niet voorhanden.

Schram is daarom erg blij met het artikel in Nature. “Wat Farnan en zijn collega’s uitvoeren, is technisch gezien een hoogstandje”, zegt hij. “Ze gebruiken kernspinresonantie om exact te zien wat de schade is van het verval van plutonium op het zirkoonkristal. Bij deze techniek draaien zirkoonkristalletjes met een enorme snelheid in een magnetisch veld rond. Het is echt heel ingewikkeld als je het goed en veilig wilt doen.”

De Brit en de twee Amerikanen vergeleken natuurlijk zirkoon, dat over een heel lange periode aan kleine hoeveelheden alfastraling was blootgesteld, met zirkoon dat in het lab in korte tijd met heel veel van die deeltjes was bestookt. Het natuurlijke proces bleek net zo te verlopen als het in scene gezette. Volgens Schram zit daar het grote belang van dit onderzoek. “Deze onderzoekers laten zien dat in het lab versnelde processen betrouwbaar zijn om werkelijke schade in de toekomst mee te kunnen voorspellen. Dat is een soort heilige graal bij onderzoek aan lange termijn schadeprocessen,” zegt hij enthousiast. “Als je geen natuurlijk, al langer bestaand equivalent hebt voor je net ontwikkelde materiaal, kun je dus toch in het lab voorspellen hoe het zich zal houden. Dit is echt bijzonder, want hiermee hebben we een betrouwbaar instrument gekregen om nieuwe materialen te testen.”

Die materialen zijn er nog niet, maar het kernafval is er al wel. Moeten we bang zijn voor barstende vaten die gevaarlijke rommel gaan lekken? Nederlands radioactief afval ligt bovengronds opgeslagen op het terrein van Centrale Opslag voor Radioactief Afval (COVRA) in Borsele. Directeur van dit opslagbedrijf, Hans Codée, is niet bang dat alle containers met radioactief materiaal binnen korte termijnen zullen barsten. “Farnans resultaten zijn heel erg belangrijk voor de ontwikkeling van stralingsbestendige materialen. Maar deze manier van verpakken is maar één schakel in de keten van het veilig opbergen van dit gevaarlijke materiaal. Wij treffen zoveel veiligheidsmaatregelen dat deze bevinding geen reden is om ons zorgen te maken.”

Ian Farnan, Herman Cho en William J. Weber: ‘Quantification of actinide alpha-radiation damage in minerals and ceramics’, Nature, 11 januari 2007

Geschreven voor VPRO’s Noorderlicht

Be the first to leave a comment

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *