Kernenergie voorziet wereldwijd in de elektriciteitsbehoefte van circa één miljard mensen. De jaarlijkse hoeveelheid elektriciteit opgewekt met kerncentrales is lange tijd gestaag toegenomen door een verbeterde efficientie en door nieuwbouw van kerncentrales in het Verre Oosten. In het Westen zullen binnen 20 jaar de huidige kerncentrales hun levensduur hebben bereikt, daarom wordt intussen ook weer in Europa gebouwd. Daarnaast bestaan er volop plannen voor nieuwbouw, zowel in Europa als de Verenigde Staten.

De veiligheid van de huidige tweede en derde generatie kerncentrales is van zeer hoog niveau. In de nieuwe generatie kerncentrales worden splijtingsneutronen gemodereerd van 2 MeV tot thermische energieën (<1 eV) voordat ze nieuwe splijtingen kunnen induceren. Als de temperatuur in de reactorkern onverhoopt toeneemt, zullen het nucleaire Dopplereffect en de moderatorterugkoppeling ervoor zorgen dat het splijtingstempo en daarmee het reactorvermogen automatisch afneemt. Wel moet de splijtstof van een kerncentrale altijd worden gekoeld om de vervalwarmte van splijtingsproducten, initieel circa 6% van het totale reactorvermogen, af te voeren. Gebeurt dit niet, dan zou de splijtstof kunnen smelten en is de eerste barrière van de ‘defence-in-depth’ strategie geslecht. Moderne lichtwaterreactoren maken daarom gebruik van meerdere actieve kernkoelsystemen met vergaande redundantie en van passieve koelmechanismen. Het risico op kernsmelting is kleiner dan 10^-6 per reactorjaar en de kans op een ongecontroleerde emissie van splijtingsproducten zelfs kleiner dan 10^-8 per reactorjaar.

Zogenoemd inherent veilig is de Hoge Temperatuur Reactor (HTR), die gebruik maakt van grafiet als moderator. De splijtstof zit gevat in kleine korreltjes (diameter 0,5 mm) omgeven door een gasdichte omhulling van SiC, die een temperatuur van 1600 ⁰C kan weerstaan. Door de reactorkern hoog en smal te maken, kan de vervalwarmte via passieve mechanismen als straling en geleiding naar de omgeving worden afgevoerd zonder dat de splijtstoftemperatuur deze limiet overschrijdt. De kans op lozing van splijtingsproducten is daardoor nihil. In China en Japan zijn al kleine testreactoren operationeel, terwijl in andere landen, waaronder Nederland, wordt gewerkt aan verdere ontwikkeling en commercialisering van deze technologie.

Samenstelling van de splijtstof in een kogelbed Hoge Temperatuur Reactor. Iedere splijtstofkogel met een diameter van 6 cm bevat circa 15.000 TRISO korreltjes. Een HTR bevat ongeveer 500.000 splijtstofkogels.

Gebruikte splijtstof bevat naast resterend uranium (˜94%) en splijtingsproducten (4,5%), ook activeringsproducten als plutonium (˜1%) en hogere actiniden (totaal ˜0,25%). In opwerkingsfabrieken wordt het uranium en plutonium afgescheiden en gereed gemaakt voor hergebruik. Het uranium bevat meer U-235 dan natuurlijk uranium (0,7%) en kan worden herverrijkt. Het plutonium bevat 65% splijtbare isotopen en kan met uranium worden bijgemengd en als splijtstof worden gebruikt. Het verglaasde kernafval bevat dan alleen de splijtingsproducten met een benodigde opslagtijd van 300 jaar en de hogere actiniden, waaronder americium met een benodigde opslagtijd van 5000 jaar. Voor een relatief kleine centrale als die in Borssele bedraagt deze afvalstroom minder dan 500 kg per jaar.

Radiotoxiciteit van de componenten in gebruikte splijtstof als functie van de tijd. De zwarte lijn is de radiotoxiciteit van het uraniumerts dat gedolven is om de splijtstof te fabriceren. Als plutonium en americium volledig worden gerecycleerd blijft alleen de radiotoxiciteit van curium en de splijtingsproducten over met een benodigde opslagtijd van circa 500 jaar.

In de huidige generatie kerncentrales kan het plutonium slechts enkele malen worden gerecycleerd, waarna snelle reactoren nodig zijn om het restant te versplijten. In snelle reactoren worden neutronen niet afgeremd, maar blijft het neutronspectrum hoog-energetisch. Snelle reactoren en de bijbehorende splijtstofcyclus zijn speerpunten in het onderzoek naar een duurzame ontwikkeling van kernenergie. Zo kan de benodigde opslagtijd van kernafval worden beperkt tot 5000 jaar. Als ook americium volledig zou worden gerecycleerd, wat in theorie mogelijk is, zou de benodigde opslagtijd crica 500 jaar bedragen. Tevens kan dan tot wel 100 keer meer energie uit uranium worden gehaald.

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