Na jaren van vertragingen en kostenoverschrijdingen is onlangs de derde en laatste reactor van de Finse Olkiluoto-kerncentrale gestart. Eerder dit jaar kondigde de Britse regering aan om het nucleair vermogen te verdrievoudigen tegen 2050, ook al kampt de Hinkley Point C-reactor in Somerset met vergelijkbaar uitstel en kostenoverschrijdingen. Ook Nederland gaat het invoeren van nieuwe kerncentrales bestuderen. Begin juli kondigde energieminister Rob Jetten aan €5 miljard te steken in stappen ter voorbereiding van twee nieuwe kerncentrales.

Het is niet zo dat de oude problemen van kernenergie zijn verdwenen. Denk aan langdurig gevaarlijk radioactief afval, het risico van reactorongelukken zoals in 1986 in Tsjernobyl of de mogelijkheid dat materiaal wordt gebruikt in kernwapens. Maar aan al die bezwaren komen nieuwe reactorontwerpen wel degelijk tegemoet, zegt Hamid Aït Abderrahim, hoogleraar en reactor-ingenieur aan kernfysica-onderzoeksinstituut SCK-CEN in Mol. ‘Kerncentrales van de volgende, vierde generatie zullen aan strengere criteria voldoen: minder afval, inherente veiligheid van de reactor, en minder mogelijkheden voor gebruik in kernwapens.’

‘De splijtstof kan niet smelten zoals bij een meltdown’

Bovendien bieden ze de mogelijkheid om langdurig afval ‘op te branden’ tot korter levend afval, en sommige reactorontwerpen kunnen het element thorium benutten. In reactorontwerpen spelen chemie en materiaalkunde een grote rol. Daarnaast is er hoop dat zogeheten Small Modular Reactors, relatief kleine kernreactoren die seriematig in fabrieken gemaakt worden, een remedie bieden tegen de problemen van gigantische reactorbouwprojecten.

Kettingreactie

Maar eerst even terug naar de schoolklas. Kernsplijting is het splijten van de atoomkernen van uranium, het zwaarste natuurlijk voorkomende element, met atoomnummer 92. Bij die splijting komt warmte vrij, en ook drie neutronen, kerndeeltjes die weer met andere kernen kunnen botsen, waarna die ook weer splijten. In een kernreactor vindt deze kettingreactie op een beheerste manier plaats, in kernwapens loopt hij razendsnel uit de hand. De opgewekte warmte wordt afgevoerd met een koelvloeistof – in huidige kernreactoren is dat water – en gebruikt om bijvoorbeeld een stoomturbine aan te drijven die elektriciteit levert. Kernsplijting werkt alleen met de isotoop uranium-235, dat maar 0,7% uitmaakt van natuurlijk voorkomend uranium. Het grootste deel is niet-splijtbaar uranium-238. Voor de meeste reactortypen moet het uranium daarom ‘verrijkt’ worden: het aandeel uranium-235 wordt opgevoerd, bijvoorbeeld in ultracentrifuges.

Ook werkt de kettingreactie alleen goed met trage, of ‘thermische’ neutronen, terwijl er bij de splijting juist snelle neutronen vrijkomen. Daarom zit er in reactoren een moderator, die de snelle neutronen door herhaalde botsingen laat afremmen. Dat kan grafiet zijn of het koelmiddel water. Zo’n moderator kan ook worden gebruikt om de reactie te regelen.

Opbranden

De kernen waarin het gesplitste uranium uiteenvalt zijn niet stabiel en blijven nog jaren radioactief. Het langlevende cesium-139 en strontium-90 hebben halfwaardetijden van rond de dertig jaar en blijven nog eeuwen radioactief. Dat is nog niets vergeleken met de tienduizenden jaren die plutonium blijft stralen. Dat geldt ook voor actiniden zoals americium, die ontstaan als een uraniumkern een neutron invangt maar niet vervalt. Er zijn initiatieven, onder meer in Finland, om het kernafval op te slaan in ondergrondse opslagplaatsen, maar daarmee zadelen we toekomstige generaties op met de verantwoordelijkheid.

‘Scenario’s hangen af van de veronderstellingen die je erin stopt’

Een alternatief is om het plutonium en de actiniden ‘op te branden’: als de zware kernen een snel neutron invangen, splijten ze alsnog uiteen in kortlevende elementen. Nieuwe ‘snelle’ reactoren waarin er voor deze kernreactie genoeg snelle neutronen overblijven, bieden zicht op een gesloten brandstofcyclus, waarin al het langdurige afval wordt opgebrand. Vaak werken deze reactoren met andere koelvloeistoffen dan water. Denk aan heliumgas, gesmolten metalen of zouten. Een voorbeeld is de Gas-Cooled Fast reactor (GFR), waarin helium van 850°C de reactor koelt. De brandstof zit opgesloten in keramische elementen. ‘Die kunnen tegen hoge temperaturen boven duizend graden, dus de splijtstof kan niet smelten zoals in een meltdown’, zegt Aït Abderrahim, ‘maar daardoor wordt het ook lastig om opgebrande brandstof met daarin de splijtingsproducten verder te verwerken.’

Thorium

Waar de huidige waterreactoren bedrijfstemperaturen van een paar honderd graden hebben, bieden hogere reactortemperaturen zicht op nieuwe toepassingen naast het opwekken van elektriciteit, zoals gebruik in de chemische industrie of om thermochemisch waterstof te produceren uit water. Andere ontwerpen gebruiken vloeibare metalen als koelvloeistof. De natriumgekoelde snelle reactor (SFR) gebruikt vloeibaar natrium (smeltpunt 97,8°C, kookpunt 883°C) als koelmiddel. Vloeibaar natrium kan explosief reageren met lucht of water en dit ontwerp stelt dus hoge eisen aan de afdichting van de reactor.

Een alternatief is het minder reactieve lood, zoals gebruikt in de Lead-Cooled Fast Reactor (LFR). Lood heeft een smeltpunt van 324°C, maar als je het mengt met bismut daalt dat naar 125°C. ‘Maar hoe hoger de temperatuur, hoe hoger het rendement van elektriciteitsgeneratie’, zegt Aït Abderrahim. ‘Aan de andere kant neemt de corrosie van het staal van de reactorvaten, -pompen en -buizen ook toe met de temperatuur.’

‘Kerncentrales van de vierde generaties zullen aan strengere criteria voldoen’

Een bijzonderheid van de gesmolten-zout-reactor (Molten Salt Reactor, MSR, zie ook dit artikel), met als koelmiddel vloeibaar fluoridezout (met natrium, lithium en zirkonium als kationen), is dat de splijtstof is opgelost in dat vloeibare zout. Die circuleert met het zout, wat ook betekent dat je de afvalproducten uit het zout moet zuiveren. ‘De gesmolten-zoutreactor is erg geschikt voor het efficiënt gebruiken van thorium’, zegt Jan Leen Kloosterman, hoogleraar kernreactorfysica aan de TU Delft. Van thorium, waarvan grote voorraden beschikbaar zijn, wordt in de kernenergiewereld veel verwacht. Weliswaar is thorium-232, de enige natuurlijke variant, niet splijtbaar. Door het invangen van een neutron kan het echter veranderen in uranium-233, dat wel splijtbaar is.

‘Maar daarvoor heb je wel een reactor nodig die heel efficiënt omspringt met neutronen, zoals de gesmoltenzoutreactor’, voert Kloosterman aan. ‘Met andere reactoren kun je wel thorium toevoegen, maar kun je niet een zelfvoorzienende splijtstofcyclus krijgen.’ In zo’n cyclus is thorium de enige brandstof, en is er vrijwel geen langlevend afval. Ook biedt de thoriumcyclus minder mogelijkheden om kernwapens te produceren. Wel is het verwijderen van splijtingsproducten die zich ophopen in het vloeibare zout een technologie die nog verdere ontwikkeling nodig heeft. Aït Abderrahim is er daarom sceptisch over, ook omdat hij problemen verwacht met corrosie in dit reactortype.

Schaalvoordelen

Alle nieuwe reactortypen zijn ‘inherent veilig’, wat inhoudt dat ze, ook als de koeling uitvalt, zelf afkoelen door natuurlijke circulatie. Overigens zijn alle vierde-generatie-reactoren zoals de bovenstaande nog in ontwikkeling en op zijn vroegst na 2030 beschikbaar, afhankelijk van investeringen in die ontwikkelingen. Voor de kortere termijn is er in de kernenergiewereld veel aandacht voor kleinere reactoren, Small Modular Reactors (SMR’s), met vermogens van tientallen tot honderden megawatts, die je in serie in een fabriek kunt bouwen en vervolgens verscheept naar hun standplaats. ‘Omdat je ze modulariseert en klein maakt kun je voordelen halen op veiligheidsgebied: hoe kleiner de reactor en hoe lager de vermogensdichtheid, hoe minder restwarmte’, legt Kloosterman uit. ‘De ontwerpen die het dichtst bij de markt zijn, zijn gebaseerd op water.’

Die schaalvoordelen moeten zich nog bewijzen. De enige SMR die al in bedrijf is, is de Russische Akademik Lomonosov, een dubbele watergekoelde reactor met een vermogen van 300 MW die sinds 2020 het poolstadje Pevek in het verre oosten van Rusland van stroom voorziet. Een verschil met eerdere kernenergiediscussies is dat kernenergie niet meer automatisch de goedkoopste energievorm is. Zonne- en windenergie zijn inmiddels vaak goedkoper per kilowattuur, al zijn ze zonder opslagtechnologieën dan niet altijd beschikbaar. Over het bouwen van een kernreactor gaan gemakkelijk tien jaar heen en in verscheidene recente energiescenario’s lijkt er geen rol weggelegd voor kernenergie in de energietransitie. ‘Maar scenario’s hangen af van veronderstellingen en voorwaarden die je erin stopt’, zegt Kloosterman. ‘Twee jaar geleden hadden we een heel andere energiesituatie dan nu, wat laat zien dat je nooit echt kunt voorspellen wat er gebeurt. Hoe meer energiebronnen je hebt, hoe stabieler de energiemix.’