Nieuwe Kernenergie

Introductie

Kernenergie produceert wereldwijd 17% van alle elektriciteit. Het aandeel in Europa is zelfs bijna 35%. Ondanks dat er in het Westen nauwelijks kerncentrales worden gebouwd, is dit aandeel al jarenlang stabiel, mede door een betere bedrijfsvoering met dientengevolge een alsmaar stijgende elektriciteitsproductie. Dit kan natuurlijk niet veel langer worden volgehouden, zodat nieuwbouw van kerncentrales in Europa op termijn onvermijdelijk is. In Azië groeit de energievraag zo snel dat al decennia lang wordt gewerkt aan uitbreiding van het aantal kerncentrales en het vermogen per centrale alsmaar toeneemt. Ook in de VS worden thans voorbereidingen getroffen voor nieuwbouw van kerncentrales.

De centrales die wereldwijd in aanbouw zijn, enkele tientallen, kunnen nog als evolutionaire opvolgers van bestaande centrales worden beschouwd. Daarnaast wordt volop onderzoek gedaan naar nieuwe typen kerncentrales die uitblinken op het gebied veiligheid, economie en duurzaamheid. Dit artikel geeft een overzicht van de huidige stand van de techniek en de nieuwe ontwikkelingen op dit gebied.

Werking van Kerncentrales

De huidige generatie kerncentrales bestaat voornamelijk 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 een centimeter. Deze staven zijn gevuld met uraniumoxide pellets waarin de kernsplijtingen plaatsvinden. Langs de splijtstofstaven stroomt water dat de warmte die bij kernsplijting vrijkomt, opneemt en wegvoert. Als de inlaattemperatuur en druk van het water zodanig worden ingesteld (circa 285 graden Celsius bij 75 bar) dat in de reactorkern de verzadigingstemperatuur wordt overschreden, en dus het water aan de kook geraakt, spreekt men van kokendwaterreactoren. Bij een hoger ingestelde druk van circa 150 bar, kan het koelwater niet koken en spreekt men van drukwaterreactoren. In de laatste categorie 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. Doordat de stoom uit kokendwaterreactoren direct de turbines aandrijft, heeft dit type kerncentrale een hogere efficiency, een voordeel dat in de praktijk grotendeels teniet wordt gedaan doordat een groter reactorvat nodig is dat meer componenten moet huisvesten, zoals stoomdrogers en -afscheiders. Wereldwijd zijn 58% van de 441 kerncentrales drukwaterreactoren, terwijl een fractie van 21% bestaat uit kokendwaterreactoren.

PWR
Schema van een drukwaterreactor (PWR).

Afvalproductie

In een splijtingreactie wordt de kern van een uraniumatoom verspleten in twee brokstukken die ieder nog radioactief kunnen zijn. Dat betekent dat ze in de loop van enkele tientallen jaren ioniserende straling uitzenden, die schadelijk is voor mens en milieu. Daarom moet het kernsplijtingsafval worden geïsoleerd en voor een periode van enkele eeuwen worden opgeborgen om te vervallen tot onschadelijke producten. Hiertoe wordt de gebruikte splijtstof van de kerncentrale Borssele naar Frankrijk gestuurd om te worden opgewerkt. Dat betekent dat de bruikbare stoffen (zie later) worden afgescheiden en dat het resterende afval, voornamelijk de kernsplijtingsproducten, wordt geconcentreerd en verglaasd. Dit verglaasde afval wordt vervolgens terug gebracht naar Nederland waar het wordt opgeslagen bij de COVRA in Borssele. Na tweehonderd jaren zullen vrijwel alle splijtingsproducten zijn vervallen en zendt het restmateriaal geen straling meer uit. Per jaar produceert de kerncentrale Borssele 450 kg splijtingsproducten die verglaasd en al niet meer dan 1,3 m3 volume innemen.

Behalve dat neutronen die met een uraniumkern reageren splijting veroorzaken, kunnen ze ook andere kernreacties initiëren. Hierbij komt geen energie vrij, maar worden elementen geproduceerd die zwaarder zijn dan uranium. De bekendste hiervan zijn plutonium en americium. Beide elementen zijn radioactief en komen niet (meer) in de natuur voor. Het ongebruikte uranium en het plutonium, voor Borssele niet veel meer dan 100 kg per jaar, worden in het opwerkingsproces afgescheiden. Het americium daarentegen verdwijnt (nog) samen met de kernsplijtingsproducten in het verglaasde afval. Het plutonium kan gedeeltelijk weer als brandstof in kerncentrales worden gebruikt, terwijl het niet-bruikbare deel kan worden gerecycleerd in nieuw te bouwen snelle reactoren (zie later), of moet worden opgeslagen in geologisch stabiele lagen. Dit laatste is heel goed mogelijk zonder risico’s voor de volgende generaties. Op geologische tijdschaal bekeken is de benodigde opslagtijd (200 duizend jaar) namelijk zeer kort. Bedenk dat ons aardgas al voor vele tientallen miljoenen jaren opgesloten zit in de Nederlandse bodem en dat het nog steeds veel moeite kost om het hieraan te onttrekken! Zoals reeds vermeld, kan in nieuwe typen reactoren al het plutonium worden hergebruikt en zou zelfs americium kunnen worden gerecycleerd, waarmee weliswaar de noodzaak voor geologische opberging niet geheel wordt weggenomen, maar de benodigde capaciteit wel sterk wordt gereduceerd.

Veiligheid van Kerncentrales

Kernsplijting kan worden bewerkstelligd door uraniumatomen neutronen (neutrale kerndeeltjes) te laten invangen. Bij een kernsplijting komen behalve warmte, ook een aantal nieuwe neutronen vrij die op hun beurt weer splijtingen veroorzaken. Dit gebeurt preferentieel door neutronen die vrijwel alle energie hebben verloren in botsingen met het water. Door de splijtstof op de juiste wijze te rangschikken en de fracties splijtstof en koelwater in de reactorkern goed te kiezen, kan een kettingreactie van splijtingen worden verkregen, die zichzelf niet alleen in stand houdt, maar ook nog eens uitermate simpel kan worden beheerst. Via een regelstaaf met een neutronabsorberend materiaal kan de kettingreactie zelfs helemaal direct worden gestopt. De rol van het water is dus tweevoudig: enerzijds wordt het water gebruikt om de warmte die bij de kernsplijtingen vrijkomt af te voeren, anderzijds dient het water om de uitgezonden neutronen af te remmen, zodat ze effectiever nieuwe splijtingen kunnen induceren. Dit laatste effect en het nucleaire Dopplereffect dat hier verder onbesproken blijft, leiden tot een zelfregelende kettingreactie die niet uit de hand kan lopen. Immers als de temperatuur in de reactorkern toeneemt, zal de dichtheid van het water afnemen en zullen neutronen die in splijtingen vrijkomen minder goed worden afgeremd en minder nieuwe splijtingen induceren. Deze negatieve terugkoppeleffecten zijn terug te vinden in alle typen kerncentrales, behalve die van het type in Tsjernobyl. Deze grove ontwerpfout heeft dan ook, samen met het ontbreken van een deugdelijke veiligheidsomhulling, desastreuze gevolgen gehad!

Safety barriers NPP In de splijtstof van een kerncentrale worden radioactieve splijtingsproducten gevormd die in de loop van de tijd nog straling uitzenden die uiteindelijk in warmte wordt omgezet. Op deze wijze wordt circa 8% van de warmte die bij kernsplijting vrijkomt geproduceerd. Ook als de kettingreactie volledig wordt gestopt, zal deze vervalwarmte nog worden geproduceerd en moeten worden afgevoerd. Dit betekent dat de reactorkern van een centrale altijd moet worden gekoeld. Het koelsysteem van een kerncentrale is daarom meervoudig uitgevoerd met verschillende redundanties. Een veiligheidsomhulling met meervoudige stalen en betonnen insluitingsystemen zorgt ervoor dat, zelfs indien de reactorkern wordt beschadigd (zoals in Harrisburg), de radioactieve splijtingsproducten niet vrij kunnen komen en zich kunnen verspreiden in de omgeving.

Nieuwe Kerncentrales

Het is gangbaar kerncentrales in te delen in generaties. De huidige kerncentrales zijn van de derde generatie of van de tweede generatie met een gelijkwaardig veiligheidsniveau (door modificaties en moderniseringen). De centrales van Generatie-III+ die nu gebouwd worden, zoals de European Pressurized-water Reactor (EPR), onderscheiden zich op het gebied van veiligheid, doordat het aantal kleppen en pompen sterk is gereduceerd, de lengte van pijpen en koelmiddelleidingen is verkort, en de capaciteit van (koel)waterreservoirs is toegenomen. Bovendien wordt meer gebruik gemaakt van passieve mechanismen voor de afvoer van vervalwarmte. In de Simplified Boiling Water Reactor ontwikkeld door General Electric wordt zelfs volledig gebruik gemaakt van natuurlijke circulatie van het primaire koelmiddel in de reactorkern, zodat hiervoor helemaal geen pompen meer benodigd zijn.

Een revolutionaire verandering wordt nagestreefd bij de overgang van Generatie-III+ naar Generatie-IV reactoren. Deze laatste generatie reactoren, waarvoor wereldwijd vele universiteiten, onderzoekinstituten en reactorbouwers de handen ineengeslagen hebben, onderscheidt zich niet alleen op het gebied van veiligheid, maar ook op economie, duurzaamheid en toepassingsgebied. Enkele jaren geleden zijn door een internationaal comité zes reactortypen geselecteerd voor verder onderzoek. Sommige voorlopers van deze reactoren, zoals de Hoge Temperatuur Reactor, kan al binnen een termijn van 5 jaar worden gebouwd. Een testreactor met een vermogen van 10 MWe draait al in China (HTR-10), terwijl in Zuid-Afrika volop wordt gewerkt aan het eerste commerciële ontwerp van deze reactor, de zogenaamde Pebble-Bed Modular Reactor (PBMR). Andere reactortypen van Generatie-IV hebben echter nog een veel langer ontwikkeltraject te gaan. Het uiteindelijke doel is te komen tot een park van kerncentrales dat met hoge efficiency elektriciteit produceert, dat warmte voortbrengt met een temperatuur van 1000 graden Celcius of hoger, en bovendien het plutonium, americium en andere actiniden volledig kan recycleren.

PWR
Schema van generaties van kerncentrales.

De Zeer Hoge Temperatuur Reactor

De meest veelbelovende reactor van Generatie-IV is de zogenaamde hoge temperatuur gasgekoelde reactor met extra hoge bedrijfstemperatuur (Very High Temperature Reactor-VHTR). De splijtstof in deze reactor bestaat niet uit staven zoals in lichtwaterreactoren, maar uit grafietbollen met een diameter van 6 cm. Iedere bol bevat circa vijftienduizend splijtstofkorreltjes, zogenaamde TRISO deeltjes, met een diameter van 1 mm. Elk TRISO deeltje bevat minder dan 650 microgram uranium omgeven door enkele dunne opsluitlaagjes die voorkomen dat de radioactieve splijtingsproducten uit de TRISO deeltjes zouden kunnen ontsnappen. De splijtstofbollen worden gekoeld met helium dat in de kern opwarmt tot wel 1000 graden Celcius, waarna het naar een gasturbine wordt geleid of via een warmtewisselaar zijn warmte afstaat. Het afremmen van de neutronen vindt plaats via botsingen met het grafiet in de kern, dat tevens zorg draagt voor de geleiding van de vervalwarmte naar de omgeving. In deze reactor zal zelfs in geval van volledig koelmiddelverlies de splijtstoftemperatuur beperkt blijven tot 1500 graden Celcius, wat ruim onder de maximaal toelaatbare temperatuur van de TRISO deeltjes is.

VHTR
Schema van de VHTR.

Snelle Reactoren

Gas-cooled Fast Reactor Een reactor met een veel langer ontwikkeltraject is de gasgekoelde snelle reactor (Gas-cooled Fast Reactor-GFR). In dit type reactor worden de neutronen niet afgeremd, maar blijven ze ‘snel’. Het voordeel hiervan is dat de fracties plutonium en americium die niet bruikbaar zijn in de huidige generatie reactoren, wel kunnen worden verspleten, zodat behalve kleine restfracties, alleen het kernsplijtingsafval bestaande uit relatief kortlevende splijtingsproducten overblijft. Op deze wijze zou de opslagtijd voor kernafval drastisch worden verkort. Uiteraard vergt dit type reactor nog veel onderzoek, zowel naar de fabricagemethoden en stralingsbestendigheid van nieuwe typen splijtstof, als wel naar de scheidingsmethoden om bestraalde splijtstof te scheiden in de diverse fracties. Ook is de passieve afvoer van vervalwarmte nog een technische uitdaging vanwege de geringe hoeveelheid constructiematerialen in de kern waardoor de warmtegeleiding naar de omgeving sterk vermindert.

Andere typen snelle reactoren maken gebruik van meer ‘conventionele’ splijtstofstaven die worden gekoeld met vloeibaar metaal, zoals gesmolten natrium of lood. Hoewel deze technologie in het verleden al is ontwikkeld in West-Europa, Rusland, Japan en de VS, vergt de volledige recycling van plutonium en hogere actiniden in deze reactoren nog veel onderzoek. Behalve voor de recycling van actiniden kunnen deze snelle reactoren ook worden ingezet om nieuwe splijtstof te kweken. Hiermee zou de bruikbare uraniumvoorraad met een factor 100 toenemen en is er voor duizenden jaren voldoende goedkoop uranium beschikbaar om in de elektriciteitsbehoefte van de gehele aarde te voorzien!

Nieuwe Toepassingen

De hoge bedrijfstemperatuur die mogelijk is in gasgekoelde reactoren (>900 graden Celcius) geeft nieuwe toepassingsmogelijkheden, zoals de productie van waterstof. Hoewel het niet zeker is dat de transportsector op termijn zal overschakelen op waterstof als primaire energiebron, zal de waterstofbehoefte in de toekomst sterk toenemen. Waterstof kan op diverse wijzen worden geproduceerd, maar het meest efficiënt via processen die bij hoge temperatuur verlopen, omdat deze doorgaans gepaard gaan met een lager elektriciteitsverbruik.

Eén van de veelbelovende processen is waterstofproductie via het Zwavel-Jodium proces. Deze cyclus bestaat uit drie chemische reacties die verlopen bij lage (120 graden Celcius), middelhoge (400 graden Celcius) en hoge temperatuur (>850 graden Celcius). Hoe hoger de temperatuur in de laatste reactie, hoe efficiënter de cyclus verloopt. Een andere mogelijkheid voor de productie van waterstof is elektrolyse bij hoge temperatuur. Ook hiervoor is warmte benodigd met een temperatuur van meer dan 800 graden Celcius en ook hiervoor geldt dat de efficiency toeneemt met hogere temperatuur.

Conclusies

De elektriciteitsproductie met kernenergie neemt gestaag toe door verbeterde bedrijfsvoering en uitbreiding van het aantal kerncentrales. Ook in de EU worden weer nieuwe kerncentrales gebouwd. Hoewel technisch gezien deze centrales slechts evolutionair verschillen met de bestaande generatie, is het veiligheidsniveau met een factor 5-10 toegenomen. Op wat langere termijn zullen Generatie-IV reactoren op de markt komen die uitblinken op het gebied van veiligheid, efficiency, duurzaamheid en toepassingsmogelijkheden. Hiermee kan een volledig gesloten splijtstofcyclus worden bereikt en een veel beter gebruik van de beschikbare uraniumvoorraden. Bovendien komen nieuwe toepassingsmogelijkheden binnen bereik, zoals waterstofproductie.