Inherent Veilige Kerncentrales

In kerncentrales wordt energie vrijgemaakt door splijting van uraniumatomen. De brokstukken die daarbij vrijkomen worden splijtingsproducten genoemd en zijn in veel gevallen radioactief. Dat betekent dat ze na enige tijd vervallen en ioniserende straling uitzenden. Zoals alle vormen van energie wordt deze straling uiteindelijk omgezet in warmte, die daarom ook wel nawarmte wordt genoemd.

De warmteproductie door verval van de splijtingsproducten bedraagt aanvankelijk 6% van het totale reactorvermogen, maar neemt gedurende de eerste dag af met een factor 10. Daarna gaat het veel langzamer en duurt het wel een half jaar voordat de warmteproductie weer met een factor 10 is afgenomen. De nawarmte is dus initieel zeer groot. De reactorkern van de Fukushima-1 kerncentrale had een thermisch vermogen van circa 1500 MW. 6% hiervan bedraagt circa 100 MW en komt overeen met de warmteproductie van 50.000 elektrische kacheltjes. Als deze nawarmte niet wordt afgevoerd kunnen de splijtstofstaven te heet worden en uiteindelijk smelten. Dat wordt in de volksmond een melt-down genoemd.

In lichtwaterreactoren zoals in Fukshima moet de afvoer van de nawarmte worden verzorgd door pompen en andere hulpsystemen die elektrisch of op andere wijze worden aangedreven. Om de veiligheid van deze centrales te vergroten, zijn deze hulpsystemen meervoudig en met redundantie in de aandrijving uitgevoerd. Toch blijkt nu in Japan dat een zeer zware aardbeving op een ongunstige locatie een zeer hoge tsunami tot gevolg heeft gehad die uiteindelijk meerdere noodkoelsystemen van meerdere kerncentrales tegelijk onklaar heeft gemaakt.

Bij inherent veilige kernreactoren zoals de Hoge Temperatuur gasgekoelde Reactor (HTR) vindt de afvoer van de nawarmte automatisch plaats zonder toepassing van hulpsystemen. Bovendien maakt de HTR gebruik van een speciaal type splijtstof dat bestand is tegen zeer hoge temperaturen. De splijtstof zit ingebed in kleine korrels met een diameter van slechts 1 millimeter. Deze korrels bevatten een kleine pit van uranium omhuld door vier verschillende laagjes om de splijtingsproducten op te vangen en vast te houden. Experimenteel is vastgesteld dat deze korrels een temperatuur van 1600 graden Celcius kunnen weerstaan zonder dat ze beschadigd raken en radioactieve splijtingsproducten doorlaten. De reactorkern van een HTR bevat circa 500.000 splijtstofkogels van 6 cm diameter die elk circa 15.000 van deze kleine korreltjes bevatten. De splijtstofkogels zijn gemaakt van grafiet. Als de koeling in een HTR wegvalt, neemt in eerste instantie de temperatuur van de splijtstofkogels toe, totdat zij zo heet worden dat het verlies aan warmte door straling en geleiding even groot is als de productie van de nawarmte.

In een goed reactorontwerp is de temperatuur waarbij dit evenwicht ontstaat lager dan de eerder genoemde veilige bovengrens van 1600 graden Celcius. Onderzoek aan de TU-Delft laat zien dat dit kan worden bereikt door de reactorkern te ontwerpen als een lange cilinder, zodat de nawarmte eenvoudig naar de buitenkant van het reactorvat kan worden geleid. Deze hoge temperatuur reactoren worden gekoeld met heliumgas onder druk van 70 bar, omdat dit gas bestand is tegen zeer hoge temperatuur en niet reageert met het grafiet in de reactorkern.

Helaas is de inherent veilige HTR waarschijnlijk duurder dan de generatie III reactoren die met water worden gekoeld. Vanwege de inherente veiligheid is de reactorkern van een HTR noodzakelijkerwijs relatief klein en de vermogensdichtheid laag, waardoor het vermogen per reactor klein is en er niet kan worden geconcurreerd met de huidige lichtwaterreactoren die efficiënt zijn door hun schaalgrootte. Daar staat tegenover dat de HTR modulair gebouwd zou kunnen worden waardoor seriematige productie kan plaatsvinden en de prijs kan worden gedrukt. De praktijk moet uitwijzen of dit effect groot genoeg is om de HTR concurrerend te maken.

Toch is de HTR zeker geen verre toekomstmuziek. In Duitsland heeft al gedurende 20 jaar een prototype gedraaid, maar die ontwikkeling is om commerciële redenen, ten gunste van de ontwikkeling van lichtwaterreactoren, gestopt. Ook Japan heeft met de bouw van de Hoge Temperatuur Test Reactor (HTTR) de ontwikkeling van de HTR opgepikt, maar helaas niet tot commerciële realisatie gebracht. Overigens werkt de HTTR in Japan niet met splijtstofkogels maar met splijtstof in prismatische grafietblokken. Voor het veiligheidsprincipe maakt dat echter niet uit.

Intussen staat in China, dicht bij Peking, een vergelijkbare kogelbed demonstratiereactor met een thermisch vermogen van 10 MW. De inherente veiligheid van de HTR kan hier worden gedemonstreerd door de koelmiddelpompen stop te zetten. De temperatuur in de reactorkern loopt dan gedurende twee dagen langzaam op tot ongeveer 1500 graden Celcius waarna deze weer afneemt. Intussen wordt in China ook een grote versie van de HTR gebouwd met een thermisch vermogen van 250 MW. Hierin zal via een warmtewisselaar stoom worden geproduceerd die vervolgens wordt gebruikt om een turbine aan te drijven en elektriciteit op te wekken. Deze demonstratiereactor, de HTR-PM genoemd, moet de veiligheidsprincipes en economische haalbaarheid van dit reactortype aantonen. Uit zowel efficiëntie- als veiligheidsoverwegingen, zal de volgende generatie van de HTR-PM geen stoom als tussenproduct produceren, maar wordt de heliumgasstroom direct naar een gasturbine geleid om elektriciteit op te wekken.

Een toekomstige variant van de gasgekoelde HTR zoals hierboven beschreven, gebruikt geen heliumgas als koelmiddel, maar een gesmolten zout, omdat dit een grote warmtecapaciteit heeft en er dus maar weinig van hoeft te worden rondgepompt. Bovendien kan het zout, in tegenstelling tot helium, onder atmosferische druk worden gebruikt, waardoor het reactorvat veel goedkoper kan worden geproduceerd. Dit reactorontwerp wordt ook wel de ‘Advanced’ HTR genoemd en is ook door studenten en onderzoekers aan de TU-Delft uitgebreid onderzocht.

De HTR zal niet op korte termijn de opkomst van lichtwaterreactoren kunnen verdringen, maar biedt wel een goed vooruitzicht op nog veiliger kerncentrales. Wel zullen deze nieuwe reactoren ‘Made in China’ zijn, tenzij we zelf actie ondernemen en de ontwikkeling van deze reactor ook in Europa weer serieus oppikken.

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