Snelle Gasgekoelde Reactor

Wereldwijd wordt 17 procent van alle elektriciteit opgewekt met kernenergie. Eén miljard mensen zijn ervan afhankelijk. Deze kerncentrales zijn vooral lichtwaterreactoren, waarin water onder hoge druk wordt gebruikt als koelmiddel. De veiligheid van deze reactoren is onbetwist, de productie van langlevend afval is omstreden. Wilfred van Rooijen promoveerde recent aan de TU Delft op een nieuw reactorontwerp met helium als koelmiddel. Deze ‘gasgekoelde snelle reactor’ werkt met een gesloten splijtstofcyclus, waardoor alleen splijtingsproducten met een levensduur tot 300 jaar ontstaan. Bovendien benut deze reactor uraniumvoorraden 100 keer beter dan bestaande kerncentrales.

In een kerncentrale wordt energie vrijgemaakt door atoomkernen van uranium te splijten. Dit kan door deze kernen te beschieten met neutronen (neutrale kerndeeltjes), waarna zij splitsen in twee grote brokstukken, de zogenaamde splijtingsproducten, en twee of drie nieuwe neutronen. Van deze neutronen wordt vervolgens één neutron gebruikt om weer een andere uraniumkern te splijten terwijl de andere, om een gecontroleerde kettingreactie in stand te houden, worden geabsorbeerd in regelstaven. Opmerkelijk is dat splijting van uranium pas goed verloopt als de snelheid van het inkomende neutron laag is. Daarom laat men de hoogenergetische neutronen die bij splijting vrijkomen botsen met andere atoomkernen zodat ze energie verliezen. Vooral water is geschikt als remstof omdat de atoomkern van waterstof even zwaar is als een neutron waardoor maximale energieoverdracht plaatsvindt.

Lichtwaterreactoren

De huidige generatie kerncentrales bestaat voor ruim 80 procent uit lichtwaterreactoren. Dit zijn kerncentrales waarvan de reactorkern is samengesteld uit enkele tienduizenden splijtstofstaven met een lengte van circa vier meter en een diameter van ongeveer één centimeter. Deze staven zijn gevuld met tabletten van uraniumdioxide waarin de kernsplijtingen plaatsvinden. Langs de splijtstofstaven stroomt water dat de geproduceerde warmte opneemt en wegvoert en tevens de neutronen afremt. Bij een ingestelde druk van 75 bar raakt het koelwater in de reactorkern aan de kook en spreekt men van kokendwaterreactoren. Bij een tweemaal zo hoge druk blijft het koelmiddel vloeibaar en spreekt men van drukwaterreactoren. In het laatste geval wordt het verhitte water eerst naar een stoomgenerator geleid. In beide typen centrales wordt de stoom naar een reeks turbines geleid die een generator aandrijven voor de productie van elektriciteit. De kerncentrale in Dodewaard, die 10 jaar geleden werd gesloten, was van het kokendwatertype, terwijl de centrale in Borssele van het drukwatertype is.

Beter splijtbaar

Helaas zijn niet alle uraniumisotopen in de natuur direct splijtbaar. Uranium bestaat uit uranium-238 en uranium-235. Beide hebben hetzelfde aantal protonen in de atoomkern, maar uranium-238 heeft daarnaast 146 neutronen, terwijl uranium-235 er maar 143 bevat. Doordat uranium-235 een oneven aantal neutronen heeft, is het minder stabiel, maar ook beter splijtbaar. Om een kettingreactie van splijtingen in stand te houden maakt een kerncentrale vooral gebruik van uranium-235. Daarom moet het gehalte van deze isotoop in de brandstof worden verhoogd van 0,7 procent (de fractie van uranium-235 in natuurlijk uranium) naar ongeveer 4 procent. Dit gebeurt in zogenaamde verrijkingsfabrieken, waarvan er ook één in Nederland staat.

Omdat de brandstof van een kerncentrale voor 96 procent bestaat uit het niet-splijtbare uranium-238, zal deze isotoop ook een deel van de splijtingsneutronen invangen. In plaats van te splijten, vervalt uranium-238 naar de isotoop plutonium-239, die net als urnaium-235 goed splijtbaar is. Op deze wijze kan het niet-splijtbare uranium-238 toch worden omgezet in nuttige splijtstof. In lichtwaterreactoren wordt circa 40 procent van alle energie vrijgemaakt door splijting van plutonium. Een fractie van het plutonium zal na vangst van een neutron niet splijten, maar zwaardere plutoniumisotopen vormen alsmede americium en curium.

Kettingreactie dooft

Na vier jaar is de splijtstof in een kerncentrale verbruikt en bovendien verontreinigd met splijtingsproducten waardoor de splijtingskettingreactie uitdooft. De gebruikte splijtstof bevat dan nog ongeveer 0,9 procent uranium-235 en een vergelijkbare hoeveelheid plutonium. Beide producten zijn nog goed bruikbaar als grondstof voor nieuwe splijtstofelementen en kunnen worden afgescheiden van de gebruikte splijtstof. Dit gebeurt in zogenaamde opwerkingsfabrieken. Het resterende hoogradioactieve afval bevat de splijtingsproducten, een kleine restfractie plutonium en de zogenaamde mineure actiniden (zo genoemd omdat ze slechts in zeer kleine hoeveelheden, enkele tienden van procenten, worden geproduceerd; hieronder vallen neptunium, americium en curium). De levensduur van de splijtingsproducten en het curium is circa 300 jaar en van het americium 5.000 jaar. Neptunium heeft een zeer lange halveringstijd (2 miljoen jaar) maar is nauwelijks radiotoxisch. Als het plutonium niet zou worden gerecycleerd, zou dit voor 100.000 jaar moeten worden opgeslagen.

Hoge snelheid

De laatste jaren is aan de TU Delft en andere instituten onderzoek verricht naar een nieuw type kerncentrale, de zogenaamde gasgekoelde snelle reactor. In deze centrale worden de splijtingsneutronen niet afgeremd, maar behouden ze hun hoge snelheid. Het blijkt namelijk dat veel actiniden, waaronder americium en de niet-splijtbare plutoniumisotopen, na vangst van een snel neutron wel splijten en dan bovendien meer splijtingsneutronen uitzenden. Deze extra neutronen kunnen vervolgens worden gebruikt om zelfs de meest hardnekkige actiniden om te zetten naar splijtbare nucliden. Wilfred van Rooijen heeft tijdens zijn promotieonderzoek aangetoond dat een snelle gasgekoelde reactor kan worden bedreven met een gesloten splijtstofcyclus, waarin alle actiniden in de gebruikte splijtstof, waaronder ook de mineure actiniden, kunnen worden gerecycleerd en alleen uranium-238 hoeft te worden bijgemengd. Het resterende afval bevat alleen splijtingsproducten met een levensduur van 300 jaar en een zeer kleine restfractie actiniden, afhankelijk van het scheidingsrendement tijdens het opwerkingsproces. Een vereiste is wel dat alle actiniden voor tenminste 99 procent kunnen worden afgescheiden van de gebruikte splijtstof. Voor plutonium vormt dit geen enkel probleem, maar voor americium en curium werken de benodigde chemische scheidingsprocessen alleen nog maar op laboratoriumschaal. Industriële toepassing van de gesloten splijtstofcyclus zal dan ook zeker nog enkele decennia duren.

Rendement

De figuur hieronder geeft een schematisch overzicht van een gasgekoelde snelle reactor. Als koelmiddel wordt helium gebruikt dat met een druk van 7 MPa (70 bar) langs de splijtstof stroom en daarbij opwarmt van 480 tot 850 graden Celcius. Vervolgens wordt het naar een helium gasturbine geleid (zoals in de figuur) of naar een warmtewisselaar, waarin het koelmiddel zijn warmte afstaat aan een secundaire kringloop. De splijtstof van de reactor bestaat uit keramische platen gemaakt van SiC met daarin kleine splijtstoftabletten die bestaan uit een mengsel van actiniden in carbidevorm. Studies tonen aan dat het rendement van een dergelijke centrale circa 48 procent bedraagt, veel hoger dan het rendement van de huidige generatie lichtwaterreactoren (circa 34%).

Decennia

Realisatie van de gasgekoelde snelle reactor eist duidelijk nog veel onderzoek. Vooral het analyseren en verbeteren van het veiligheidsniveau en het beproeven van de nieuwe materialen nemen nog enkele decennia in beslag. Ook moeten de benodigde chemische scheidingsprocessen worden opgeschaald. Daarom wordt internationaal ook gewerkt aan minder geavanceerde snelle reactoren die al binnen 10 jaar kunnen worden gerealiseerd. Deze reactoren maken gebruik van meer traditionele splijtstof- en constructiematerialen, zoals uranium- en plutoniumoxide als splijtstof en roestvrijstaal als constructiemateriaal.

Zie ook Science Daily.

For more information, please contact  j.l.kloosterman (at) tudelft.nl