Eenvoudige wijzigingen in de bouw en het brandstofmanagement van een kogelbed kernreactor kunnen het rendement ervan verhogen, stelt dr.ir. Brian Boer. Dat zou goed van pas komen voor waterstofproductie.

Als we straks allemaal in elektrische auto's willen rijden, al dan niet uitgerust met een brandstofcel, dan zal de productie van elektriciteit en waterstof flink moeten toenemen. In dat kader deed Brian Boer zijn promotie-onderzoek aan het Reactor Instituut Delft (Technische Natuurwetenschappen). Boer berekende hoe de uitgangstemperatuur van de reactor verhoogd kan worden - dat levert een hoger rendement in elektriciteits- en waterstofproductie - terwijl tegelijkertijd gevaarlijk hete plekken, zogenaamde hot spots in de reactor vermeden worden. Ook stelt Boer een andere inrichting van de koeling voor, waardoor het rendement van de reactor met naar schatting 5 procent toeneemt.

Boer baseerde zijn berekeningen op een 'inherent veilige' hoge temperatuur reactor (HTR) die bij het uitvallen van de koeling niet oververhit raakt, zodat er geen risico bestaat voor een meltdown. De crux is dat de splijtstof, die in een keramische kogel gevat is, veel hogere temperaturen kan weerstaan dan zonder dat omhulsel. De temperatuur kan in een zogenaamde kogelbedreactor oplopen tot 1600 graden Celsius zonder blijvende schade.

Boer streeft naar een hogere temperatuur van het uitgaande koelgas helium (minimaal duizend graden) bij een lagere temperatuur in de reactorkern. Dat lijkt tegenstrijdig, maar dat is het volgens co-promotor dr. Jan-Leen Kloosterman niet. "De koeltemperatuur hangt af van de gemiddelde temperatuur in de kern. Dat zegt niets over de temperatuurverdeling. Je moet proberen hot spots te vermijden en de verdeling van de temperatuur over de kern egaler te maken".

Dat kan volgens Boer door een uitgekiend recycleprogramma van de brandstofkogels. De reactorkern van een kogelbedreactor bevat een cilinder van zo'n tien meter hoog en twee meter breed, gevuld met een paar honderduizend brandstofkogels van 6 centimeter diameter. De kogels worden voortdurend gerecycled. Kogels met verse brandstof worden van boven bijgevuld en uitgewerkte kogels van onder afgevoerd. Na controle gaan de kogels bij voldoende actieve splijtstofinhoud terug in de reactor, of ze worden afgevoerd.

Boer adviseert om de reactorkern op te bouwen uit concentrische cilinders, zodat het mogelijk wordt om de meest actieve kogels aan de buitenkant te laden en ze na herhaaldelijke recycling - Boer heeft het over zes tot tien keer - geleidelijk meer naar binnen te brengen. Hierdoor wordt het vermogen egaler in de kern verdeeld en wordt de kern bij het uitvallen van de koeling driehonderd graden minder heet.

For more information, please contact j.l.kloosterman@tudelft.nl.