Betere reactoren moeten kernenergie uit slop halen

André Kesseler

2018-11-06 12:59:11

kernreactoren kernenergie

Zondag met Lubach gezien? Hierin pleit De VPRO-presentator, tegen de heersende opvattingen in, voor nieuwe kerncentrales, omdat daarmee milieuvriendelijke energie kan worden opgewerkt. Maar door kernrampen als Tsjernobyl en Fukushima is er nog steeds veel weerstand tegen kernenergie. Nog niet zo heel lang geleden liet KIJK dat andere geluid ook al horen. Een longread.

Uw cookieinstellingen laten het tonen van deze content niet toe. De volgende cookies zijn nodig: Marketing. Wijzig uw instellingen om deze content te zien.

Even leek kernenergie toch nog een zonnige toekomst tegemoet te gaan. Het begin van een nieuw millennium bracht een nieuw optimisme, de ramp met de kerncentrale in Tsjernobyl begon uit het collectieve geheugen weg te zakken en de steeds maar groeiende wereldeconomie stuwde de vraag naar elektriciteit tot ongekende hoogte op. Het kon niet anders dan dat nucleaire energie een bijdrage zou moeten leveren om aan die vraag te voldoen.

Maar opeens deelde het lot een reeks rake klappen uit. De wereldwijde crisis werd ingezet. Milieuheffingen die de uitstoot van CO2 tegen moesten gaan en kolencentrales dus duurder zouden maken, kwamen niet van de grond. Amerika zette vol in op de winning van schaliegas. En tot overmaat van ramp overspoelde een tsunami de Japanse kust, waarna reactorvaten van de de Fukushima Dai-ichi-centrale droog kwamen te staan en de splijtstof smolt. De ‘wederopstanding van de nucleaire industrie’ ging uit als een nachtkaars.

De vraag is of er de komende twintig tot dertig jaar op nucleair gebied nog iets zal gebeuren. Maakt kernenergie een comeback of is het nu écht afgelopen? En als er dan een opleving komt, hoe zien de nieuwe kernreactoren er dan uit? Maar de eerste vraag moet zijn: hebben we kernenergie eigenlijk wel nodig?

Goedkope kolen

Hoogleraar David MacKay van de Universiteit van Cambridge publiceerde in 2008 het boek Sustainable energy. Hij beschrijft daarin de toekomst van hernieuwbare en fossiele energiebronnen. MacKay keek naar de situatie in Groot-Brittannië en in zijn berekeningen telde hij alles mee: dus niet alleen wat de gemiddelde Brit in zijn huis verbruikt, maar ook de industrie, de straatverlichting, de treinen en de metro en ander vervoer. Dat bleek neer te komen op 125 kilowattuur (kWh) per Brit per dag en die hoeveelheid wordt voor 90 procent met fossiele brandstoffen opgewekt.

MacKay schrijft: “Als we de 1000 kilometer van onze Atlantische kust helemaal volzetten met golfenergiecentrales, leveren die 2,4 kWh per dag per persoon. Als we 10 procent van de winderigste delen van ons land helemaal voorzien van windmolens, kunnen die 20 kWh per dag per persoon leveren. Stel dat we ons energieverbruik met slimme toepassingen kunnen halveren tot 60 kWh per dag, dan nog moeten we onszelf niet voor de gek houden over wat voor een uitdaging het zou zijn om dat zonder fossiele brandstoffen op te wekken.”

Hoewel we in KIJK 12/2012 (‘De grote groene rekensom’) concludeerden dat Nederland alle benodigde energie in theorie met zonne-, getijden- en windenergie kan opwekken, zal dat in de praktijk niet lukken, stelt Jan Leen Kloosterman, reactorfysicus bij het Reactor Instituut Delft van de Technische Universiteit: “Op dit moment halen we in Nederland zo’n 80 procent uit kolen, olie en aardgas. We moeten enorme slagen maken om dat duurzaam te gaan doen; helemaal als je bedenkt dat de mondiale energievraag in 2050 weleens drie keer zo groot zou kunnen zijn als nu.”

MacKay concludeert dat dat niet alleen met hernieuwbare energiebronnen op te wekken is. Er moet dus iets bij komen en kernenergie is een van de mogelijkheden. Dat wordt lastig, want kernenergie heeft enkele veel goedkopere concurrenten. Nu Amerika bijvoorbeeld is overgestapt op schaliegas, voert het land enorme hoeveelheden steenkool uit, met als gevolg dat de prijs daarvan flink is gedaald. “Als je puur naar de financiën kijkt, kom je op dit moment altijd bij kolen uit”, zegt Kloosterman. “Maar voor het milieu is dat het slechtste wat we kunnen doen.”

Kernreus China

Hoewel Duitsland na Fukushima besloot om helemaal uit de kernenergie te stappen en alle centrales binnen tien jaar te sluiten, kiezen veel andere landen toch voor de nucleaire optie. Finland, Noorwegen, Tsjechië en Hongarije hebben bijvoorbeeld nieuwe kerncentrales besteld. Zweden, Frankrijk en Rusland gaan ermee door. Groot-Brittannië wil op dit gebied groter dan Frankrijk.

Maar de drijvende kracht is China. Het land zet zwaar in op alternatieve bronnen en dus ook op kernenergie. Niet alleen om aan de explosief stijgende binnenlandse vraag naar energie te kunnen voldoen, maar ook om het milieu in de grote steden te verbeteren. China heeft nu vijftien draaiende kerncentrales, goed voor 12,5 gigawatt (GW), en 26 in aanbouw die nog eens zo’n 30 GW moeten leveren. In 2020 wil het land 60 GW nucleair opwekken, in 2030 zou het 200 GW moeten worden en in 2050 maar liefst 400 GW.

Grote afwezige is de VS. De hoeveelheid elektriciteit die het land nucleair opwekt, stijgt de komende jaren slechts met 3 procent. Aan de rest van de stijgende vraag wordt voldaan met het schaliegas dat de Amerikanen sinds een paar jaar massaal uit de bodem halen. Dat is simpeler en goedkoper. Een gasgestookte energiecentrale bouwen kost namelijk maar twee tot drie jaar, een kerncentrale al gauw een jaar of zes. En een gascentrale kost ongeveer 1000 dollar voor elke kilowatt aan vermogen, een kerncentrale rond de 5500 dollar per kilowatt. Samen met de ongerustheid over de veiligheid van kerncentrales is dat voor de Amerikanen reden genoeg om voor gas te kiezen.

Maar hoe ziet de nabije toekomst van kernenergie eruit? Volgens Kloosterman is er de afgelopen drie jaar hard gewerkt aan het inspecteren en nog veiliger maken van kerncentrales. Er is bijvoorbeeld veel onderzoek gestart naar nieuwe omhulsels voor splijtstaven. Het uranium wordt in een soort forse pillen (pellets) geperst, en dan in staven van een zirkoniumlegering ondergebracht. Toen in Fukushima de pompen uitvielen, liep de temperatuur op naar meer dan 1000 graden, dus ver boven de normale bedrijfstemperatuur. “Daarbij ging het zirkonium oxideren en kwam er waterstof vrij”, zegt Kloosterman. “Dat explodeerde vervolgens en blies de daken van de reactorgebouwen. Nieuwe omhulsels moeten dat in de toekomst voorkomen.”

Volgens Kloosterman worden de komende vijf jaar allerlei verbeteringen toegepast in bestaande en in aanbouw zijnde kerncentrales. Dat zijn nog steeds de zogenoemde lichtwaterreactoren die gewoon, ‘licht’ water als koelmiddel gebruiken. Door de aanpassingen worden ze ‘generatie 3+’ genoemd. Maar er wordt ook hard gewerkt aan nieuwe soorten centrales. Het Generation IV International Forum (waar onder andere Europa, Rusland, de VS en China in zitten) heeft zes reactormodellen geselecteerd die kernenergie de komende jaren efficiënter en veiliger moeten maken.

Drie van die reactoren zijn gebaseerd op bestaande techniek. Maar bij de drie overige ontwerpen wordt een totaal andere weg ingeslagen. Het zijn zogenoemde Fast Neutron Reactors (FNRs) waarin neutronen onafgeremd met duizenden kilometers per seconde door de reactorkern schieten (zie ‘Hoe werkt kernsplijting?’ op pagina 73). Op die manier halen ze ruim vijftig keer meer energie uit een bepaalde hoeveelheid uranium. De winst wordt geboekt doordat een FNR meer soorten uranium kan splijten. Als uranium uit de grond wordt gehaald, bestaat het voor 99,3 procent uit 238U en maar voor 0,7 procent uit 235U. Juist dat laatste is heel geschikt voor lichtwater-reactoren. Om voldoende neutronen voor een kettingreactie te produceren, moet de hoeveelheid 235U in het ‘mengsel’ in speciale fabrieken worden verhoogd (verrijkt) naar 3 tot 4 procent.

Plutoniumkwekers

Voor een FNR is dat niet nodig. De splijtstof in zo’n nieuwe reactor bestaat deels uit plutonium-239. Dat levert per splijting 25 procent meer neutronen dan uranium, zodat de kettingreactie in stand wordt gehouden. Maar het belangrijkste voordeel is dat de snelle neutronen ook de 238U-isotopen kunnen omzetten in meer plutonium. Een FNR kweekt dus zijn  eigen brandstof. Vandaar de naam fast breeder, ‘snelle kweekreactor’.

Omdat de neutronen in een FNR niet afgeremd hoeven te worden, zijn er efficiëntere manieren om het reactorvat te koelen. In de nieuwe types, waarbij de temperatuur in het vat oploopt tot boven de 500 graden Celsius, wordt gekoeld met heliumgas of vloeibare metalen als lood of natrium.

FNRs zijn niet van vandaag of gisteren. De ontwikkeling ervan begon al ruim vijftig jaar geleden vanuit het idee dat de hoeveelheid uranium snel schaars zou worden. Een FNR bouwen is lastiger omdat de bedrijfstemperaturen een stuk hoger liggen en er daardoor hoge eisen worden gesteld aan de techniek en de materialen. Dus toen in de jaren zeventig duidelijk werd dat er voor de komende decennia meer dan genoeg uranium beschikbaar was, werd de ontwikkeling van de FNR op een laag pitje gezet en koos men voor de veel goedkopere lichtwaterreactoren.

Inmiddels kan het allemaal een stuk veiliger en goedkoper. Maar er is nóg een reden waarom snelle reactoren handig kunnen zijn. Lichtwaterreactoren zorgen voor nogal wat hoogradioactief afval; de opgebruikte splijtstaven moeten duizenden jaren worden op-geslagen. De nieuwe generatie reactoren zou ook de afgewerkte brandstof van lichtwaterreactoren kunnen gebruiken om elektriciteit te produceren. In de staven zit namelijk nog 96 procent van het oorspronkelijke uranium. Bovendien bevatten ze een hoeveelheid plutonium dat zich tijdens het splijtingsproces heeft gevormd.

Zout als koelmiddel

Maar bij het Reactor Instituut Delft wordt veel onderzoek gedaan naar een interessante zesde manier: een kerncentrale die werkt met gesmolten zout. Kloosterman: “Een Molten Salt Reactor (MSR) kun je je het beste voorstellen als een groot blok grafiet met allerlei kanalen waar je lithium-beryllium-fluoridezout doorheen laat stromen. Dat wordt vloeibaar bij 450 graden Celsius en gedraagt zich dan eigenlijk als water. Het is een heel goed koelmiddel, maar het grootste voordeel is dat je de splijtstof, uraniumfluoride en thoriumfluoride, er rechtstreeks in op kunt lossen. Je hebt dus geen dure splijtstaven meer nodig.”

Een ander voordeel is dat een MSR heel veilig is. Als je de kettingreactie in een bestaande reactor stopzet, wordt door het verval van de splijtingsproducten nog een hele tijd warmte geproduceerd. Daarom moet je de reactor blijven koelen. Maar wanneer die koeling uitvalt, zoals in Fukushima gebeurde, dan raakt de kern over-verhit. Kloosterman: “In een MSR kan dat niet. Onder het reactorvat zit een afvoerpijp die op een bepaalde plek met ventilatoren wordt gekoeld. Daardoor stolt het zout en wordt de pijp afgesloten. Als nu om wat voor reden dan ook de stroom uitvalt, valt ook de koeling van die pijp stil. De zoutprop wordt weer vloeibaar en het gesmolten zout stroomt uit de reactor in ondergrondse dumptanks.” Met andere woorden: als de techniek faalt, wordt de kettingreactie automatisch gestopt.

Volgens Kloosterman kan het nog wel een jaartje of twintig duren voordat de eerste reactoren van de vierde generatie in gebruik worden genomen. Vreemd genoeg moet de prijs van uranium flink stijgen om ze financieel aantrekkelijk te maken. Dat lijkt voorlopig niet te gebeuren. Kloosterman: “In 2007 ging de prijs even heel hard omhoog omdat toen veel projecten op stoom kwamen en men verwachtte dat de vraag zou toenemen. Maar het afgelopen jaar zakte de uraniumprijs van 43 dollar per pond naar 30 dollar. De kans bestaat zelfs dat hij weer op het oude
niveau van 20 dollar belandt.”

Omdat de bestaande nucleaire industrie helemaal is ingericht op lichtwaterreactoren en er dus relatief goedkoop schone energie mee kan worden opgewekt, zitten we daar voorlopig nog wel aan vast. “Maar,” zegt Kloosterman, “onze energiehonger zal blijven. En dat gaat er ongetwijfeld voor zorgen dat kernenergie, naast zon, wind en fossiele brandstoffen, zijn eigen plek krijgt.”

Dit artikel staat ook in KIJK 8/2014.

Openingsbeeld: Frankrijk beschikt al sinds 1984 over de Superphénix, een natriumgekoelde snelle kweekreactor die nogal een problematische carrière had en in 1997 werd gesloten. Toch lijken nieuwe technieken en materialen voor een wederopstanding van dit soort kernreactoren te gaan zorgen. Credit: Yann Forget/CC BY-SA 3.0

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!










Meer Mens

tijdelijk Gratis verzending

We begrijpen dat je niet staat te springen om nu naar de supermarkt te gaan om een exemplaar van KIJK uit de schappen te grissen. Bestel onze edities online en met kortingscode GRATIS betaal je géén verzendkosten.