Kernenergie opnieuw uitvinden, maar dan beter

Het zit vaak in het verdomhoekje, en toch is kernenergie wereldwijd goed voor zo’n elf procent van de elektriciteit. Sinds de uitvinding van de kernreactor is de techniek echter nauwelijks veranderd. Wetenschappers van de Technische Universiteit Delft onderzoeken binnen een Europees project of een nieuw type reactor een paar grote nadelen van kernenergie kan wegnemen.

2 oktober 2015

Iran bouwt met Rusland tweede kerncentrale

Volgens het verdrag dat Iran in januari 2016 sloot met de VS, mag het kerncentrales hebben van een type dat onvermijdelijk ook plutonium produceert. Met plutonium zijn relatief makkelijk atoombommen te maken. In september 2016 maakte Iran bekend, dat het inderdaad samen met Rusland zijn tweede kerncentrale gaat bouwen. Het is jammer dat ze daarvoor niet de thoriumreactoren uit dit artikel gebruiken.

De belofte van Iran, dat het nucleaire technologie alleen voor vreedzame doelen zal inzitten, wordt gecontroleerd door inspecties van het internationale atoomagentschap IAEA. Bovendien heeft Iran een groot deel van zijn ultracentrifuges om uranium te verrijken opgedoekt. Niettemin zouden al deze veiligheidsmaatregelen niet nodig zijn als voor de opwekking van elektriciteit de thoriumreactor werd ingezet.

Schluss! De Duisters hadden er na de kernramp in Fukushima in 2011 genoeg van. Alle kerncentrales bij onze oosterburen moeten uiterlijk in 2022 gesloten zijn. Toch is Duitsland daarmee een trendbreker, want het aantal kerncentrales wereldwijd groeit.

Kernenergie is momenteel ook niet weg te denken uit de wereldwijde energievoorziening: we halen zo’n elf procent van onze elektriciteit uit kernsplijting. Na waterkrachtcentrales is kernenergie de grootste ‘schone’ energiebron. Kerncentrales stoten geen grammetje koolstofdioxide uit. Toch weet iedereen dat er behoorlijke nadelen aan kernenergie kleven.

Koeltorens van een kerncentrale. Ze stoten stoom uit.
Wikimedia Commons / Woodwalker via CC BY 3.0

Kernreactors produceren radioactief afval dat voor duizenden jaren moet worden opgeslagen voordat het ongevaarlijk is. Ook kan er plutonium worden gewonnen uit een kernreactor, een belangrijke grondstof voor kernwapens. Tot slot ligt er een zogenaamde meltdown op de loer. De reactoren van kerncentrales die in de problemen raken kunnen door een gebrek aan koeling smelten, waarbij radioactieve stoffen ontsnappen. Dat is tot nu toe drie keer gebeurd, in de Verenigde Staten (1979), in Tsjernobyl (1986) en in Fukushima (2011).

Kunnen we daarom niet beter af van kernenergie? Niet als het aan Jan-Leen Kloosterman ligt. Hij is hoogleraar van de TU Delft en coördinator van SAMOFAR (Safety Assessment of the Molten Salt Fast Reactor), een Europees samenwerkingsproject waarbinnen onder andere de TU Delft, het Franse CNRS (Centre national de la recherche scientifique) en het Italiaanse CIRTEN (Consorzio Interuniversitario per la Ricerca Tecnologica Nucleare) een oud kernenergieconcept nieuw leven proberen in te blazen.

De metalen koepel van het Reactor Instituut Delft, die over de ‘zwembad-reactor’ gebouwd is. De twee blauwe torentjes op de voorgrond dumpen de warmte die de reactor produceert. — Het Reactor Instituut Delft, waar wetenschappers o.a. onderzoek doen naar kernenergie.
Nucleair Nederland

Vergeet de traditionele uraniumreactor. Binnen SAMOFAR wordt kernenergie over een andere boeg gegooid met een gesmolten-zout-reactor op basis van thorium, een splijtstof die op meerdere fronten een goed alternatief voor uranium lijkt.

De betrokken onderzoeksinstituten en de Europese Commissie trekken samen 5 miljoen euro uit voor het project. Kennislink spreekt Kloosterman in zijn kantoor in het Reactor Instituut Delft, op enkele honderden meters van een van de twee onderzoeksreactoren in Nederland.

Thorium versus uranium

Alle kerncentrales in de wereld draaien op uranium, een metaal dat in de aarde in de vorm van uraniumerts wordt gevonden. Na een verrijking wordt het gebruikt om via een kettingreactie (zie afbeelding hieronder) warmte af te geven. In feite kun je een kernreactor zien als een enorme waterkoker, waarbij stoom ontstaat die een generator aandrijft.

Bovendien kan er plutonium ontstaan wanneer er een extra neutron in een uraniumkern terechtkomt. En dát is dan weer handig voor het maken van kernwapens. Al voordat er stroomproducerende kerncentrales waren, draaiden er uraniumreactoren puur voor de productie van plutonium. Vanuit het perspectief van de koude oorlog is het misschien niet gek dat de uraniumreactor het werkpaard van de nucleaire energiewinning is geworden. “Men koos liever voor de bekende weg met uranium, dan voor het onderzoeken van alternatieven,” zegt Kloosterman, “ook al waren die er wel.”

Neem thorium, een stof die drie tot vier keer meer voorkomt op aarde en in theorie ook kan dienen in een kernreactor. De ‘thoriumcyclus’ is een reeks kernreacties die weliswaar begint met uranium, en via thorium opnieuw uranium oplevert, en een hoop energie. “Uiteindelijk produceert een thoriumreactor naast energie ook zijn eigen uranium. Het enige dat je moet toevoegen is thorium”, zegt Kloosterman.

Maar waarom zouden we dat doen? Hadden de ingenieurs uit de koude oorlog niet een punt, toen ze de bekende weg verkozen boven het ontwikkelen van een geheel nieuwe reactor? “Uit een thoriumreactor komt minder langdurig radioactief afval. Uiteindelijk is al het afval uit zo’n reactor na 300 jaar niet meer schadelijk”, zegt Kloosterman. “Natuurlijk is dat nog een behoorlijke tijd, maar het is van een totaal andere ordegrootte dan restproducten uit uraniumreactoren, zoals plutonium en americium, die tot wel honderdduizenden jaren gevaarlijk blijven.”

Weg met de meltdown

Oké, geen plutoniumproductie meer en (dus) minder radioactief afval. Dat klinkt geweldig, maar is dat het lange en dure ontwikkelproces van een nieuw type reactor waard? Kloosterman denkt van wel. “Zeker als we thorium gebruiken in een zogenoemde gesmolten-zout-reactor”, zegt hij. “Daarin is een ongeval zoals in Fukushima helemaal niet mogelijk.”

In Fukushima ging het mis omdat de noodstroomvoorziening het na een tsunami liet afweten. Daardoor stopten de pompen voor het koelwater dat de brandstofstaven van uranium koelden. De temperatuur en druk in de reactoren liep vervolgens zo sterk op dat radioactief materiaal kon ontsnappen.

In een gesmolten-zout-reactor zit de brandstof, zoals thorium, ín de koelstof. Die koelstof is een zout, bijvoorbeeld berylliumlithiumfluoride, dat zelfs bij een temperatuur van 1400 graden Celsius vloeibaar is. Het klinkt bij die temperaturen misschien een beetje gek om van een koelvloeistof te spreken, maar toch zorgt het zout ervoor dat de temperatuur constant blijft. Bovendien, valt om wat voor reden dan ook de toevoer van koelvloeistof naar de reactor weg dan is er ook geen brandstof meer.

In het concept van deze reactor zit bovendien een veiligheidsplug, een soort gootsteenstop voor als de zaak toch uit de hand loopt. Deze bestaat uit een actieve koeling die ervoor zorgt dat een zogenoemde vriesplug van gestold zout (onder de 459 graden is het zout vast) onderin de reactor bevroren en dus gesloten blijft. Valt de stroom uit of wordt het gesmolten zout te heet, dan smelt de plug en loopt het zout in speciale tanks waar het langzaam kan afkoelen. De reactor loopt op dat moment leeg en genereert geen nieuwe warmte meer.

Nieuw onderzoek aan een oud concept

Binnen SAMOFAR wordt zo’n vriesplug gebouwd en getest, bij het Franse CNRS. Het concept is in het verleden al getest, bijvoorbeeld in een gesmolten-zout-reactor die van 1965 tot 1969 in de Verenigde Staten draaide (zie afbeelding en kader). Toch moet zo’n vriesplug opnieuw onder de loep, zegt Kloosterman. “We willen bijvoorbeeld zeker weten of het ook bij het zout werkt dat wij gebruiken.”

Een diagram van het Molten Salt Reactor Experiment dat vanaf 1965 enkele jaren draaide in de Verenigde Staten. In het reactorvat (1) wordt via kernreacties hitte gegenereerd die via een warmtewisselaar (2) aan een tweede zoutcircuit wordt afgegeven. Pompen (3,6) zorgen ervoor dat de warmte uit de reactor uiteindelijk afgevoerd wordt via een radiator (7), koelvloeistof (8) en ventilatoren (9). Wordt de reactor te heet dan smelt een zogenoemde vriesplug (13) waardoor de reactor leegstroomt in afkoelvaten (10, 11). — Een diagram van het *Molten Salt Reactor Experiment* dat vanaf 1965 enkele jaren draaide in de Verenigde Staten. Vergroot voor meer uitleg.
Oak Ridge National Laboratory

Daarnaast moet er onderzoek gedaan worden naar het gedrag van vloeibaar zout dat met temperaturen tot 700 of 800 graden Celsius graden door het systeem loopt. En er moeten manieren zijn om te kunnen bepalen wat de concentratie van verschillende radioactieve stoffen in het zout is. Verder moet het zout gezuiverd worden; de afvalproducten moeten eruit. “Dat kan bijvoorbeeld door heliumbelletjes door het gesmolten zout te laten borrelen en zo vluchtige radioactieve stoffen mee te nemen”, zegt Kloosterman. “Zo’n systeem moet ook nog ontwikkeld worden.”

Verder onderzoekt men materialen voor de wanden en buizen in de reactor die jarenlang een gloeiendhete zoutstroom krijgen te verduren. Speciale nikkellegeringen zijn de beoogde materialen. “De testreactor met gesmolten zout heeft maar enkele jaren gedraaid, maar uiteindelijk wil je een reactor hebben die wel 50 jaar draait”, zegt Kloosterman.

Al in 1965 (ongeveer 10 jaar na de eerste operationele kerncentrale) werd er op het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten een gesmolten-zout-reactor getest. In eerste instantie was het de bedoeling dat de reactor op thorium zou draaien, maar dat idee werd later geschrapt. Het was duur en liever deed men onderzoek naar het gedrag van neutronen in de reactor. Uiteindelijk ging er dus ‘gewoon’ uranium en plutonium in. Na vier jaar waren alle onderzoeksdoelen bereikt en werd de reactor ontmanteld.

Sindsdien stond de ontwikkeling in de ijskast. Totdat China in 2011 aankondigde zo’n 300 miljoen euro te investeren in onderzoek naar een werkende thoriumcentrale. Dat project begint nu langzaam vorm te krijgen, maar een testreactor laat nog zeker tien jaar op zich wachten.

Protesteren tegen kernenergie tijdens de NSS-2014.
Annemieke van Roekel

Kernenergie, nee bedankt?

Maar moeten we echt investeren in nieuwe vormen van kernenergie? Het ontwikkelen van een werkende thoriumcentrale gaat miljarden euro’s kosten en misschien nog wel tientallen jaren duren. Is dat wel verstandig op het moment dat duurzame energie net een voetje aan de grond krijgt?

“Mensen denken dat we kernenergie niet nodig hebben,” zegt Kloosterman, “maar ik vind eigenlijk dat we deze energiebron niet kunnen negeren. Afhankelijk van wie je het vraagt wordt het aandeel groene energie over tientallen jaren jaar compleet anders ingeschat. Milieu-organisaties zoals GreenPeace denken dat we over 35 jaar volledig op duurzame energie draaien. Oliemaatschappijen als Exxon Mobile houden het op een paar procent. Zij denken zelfs dat het gebruik van fossiele brandstoffen met 20 tot 30 procent omhoog zal gaan.”

Kloosterman vindt dat we zoveel mogelijk CO₂-vrije energiebronnen moeten creëren en kernenergie is daar een van. “Maar als je dat wil, dan moet je het ook zo goed mogelijk doen”, besluit hij.

Reageer