De kip en het ei van kernenergie: nieuwe technieken laten op zich wachten

‘Deze ruimte heeft wel wat weg van een Star Trek-ruimteschip uit de jaren 60”, zegt Ralph Hania, splijtstofdeskundige bij NRG (Nuclear Research en consultancy Group), terwijl we de regelkamer van de hogefluxkernreactor in Petten inlopen. Inderdaad, langs de muren staan in een halve cirkel ouderwets ogende grijze kasten met lampjes, metertjes en kleine monitoren, sommige zwart-wit. Het bedieningspaneel, ook halfrond, heeft dikke rode en groene knoppen en eveneens metertjes met analoge wijzers.

De kernreactor is sinds 1961 in gebruik. De kasten en knoppen stammen ook uit dat jaar, maar ze zijn aangesloten op moderne techniek. Sensoren om te meten wat er in de reactorkern verderop gebeurt met onder meer neutronen, straling, temperatuur en druk worden voortdurend aangepast en verbeterd. In de reactorkern bevinden zich experimenten die toekomstige nucleaire technologie verkennen voor opdrachtgevers wereldwijd. Ook produceert de reactor medische isotopen voor diagnostiek en bestralingen bij kanker.

Nucleaire technologie staat volop in de aandacht. Kernenergie is volgens sommigen onontbeerlijk in een toekomst zonder fossiele energiebronnen. Die energie kan komen uit bekende grote watergekoelde kerncentrales, maar er zijn ook nieuwe typen op komst: gesmoltenzoutreactoren, gasgekoelde reactoren en metaalgekoelde reactoren. Die kunnen werken bij een hogere temperatuur dan watergekoelde reactoren of ze gaan efficiënter met splijtstof om en zorgen voor minder langlevend radioactief afval.

Lees ook: Hoe duurzaam is kernenergie eigenlijk? En kan het veiliger?

Allerlei technische vragen liggen nog open, waarvan sommige vrij basaal

Parallel is er de ontwikkeling van kleine en modulair gebouwde reactoren, zogenoemde SMR’s (small modular reactors). Er zijn ontwerpen met bestaande en met nieuwe technologie. Ze zijn goedkoper in aanschaf dan een grote variant en ze kunnen ter plekke bij zware industrie warmte en elektriciteit leveren.

Onderzoeksprogramma’s en vele start-ups werken eraan maar de vernieuwende centrales zijn voorlopig niet in zicht. Allerlei technische vragen liggen nog open, waarvan sommige vrij basaal. Welk materiaal kan tegen de hogere temperaturen en tegen de exotische koelmiddelen? Hoe bewijs je dat iets veilig is als het er nog niet is? Ontwikkeling van nucleaire technologie is een kip-eiverhaal: als er geldschieters zijn kan er een demonstratiereactor komen die veel technische vragen kan beantwoorden, maar financiers komen pas als de technologie bewezen is.

Hoe staan de ontwikkelingen ervoor?

Onderzoek met hoge flux

In de regelkamer in Petten laat een raster met gekleurde vakjes op een modern televisiescherm de bezetting van de reactorkern zien. 33 rode vakjes in dambordopstelling stellen splijtstofstaven voor. Schieten neutronen met de juiste snelheid tegen de splijtstof dan ontstaat een kernsplijting waarbij veel energie vrijkomt. Digitale cijfers aan de muur vertellen dat het vermogen rond de 45 megawatt schommelt. Zes staven kunnen omhoog en naar beneden, dat zijn de regelstaven. Omhoog neemt de kettingreactie toe, en daarmee het vermogen, omlaag neemt het af.

Vijf blauwe vakjes staan voor experimenten in de reactorkern. Ook die kunnen bewegen, want de omstandigheden waarin een experiment zich bevindt – temperatuur, hoeveelheid neutronen, et cetera – moeten constant zijn. De hoge flux in deze onderzoeksreactor – er vliegen extra veel neutronen rond – maakt dat in de reactor verouderingsonderzoek kan plaatsvinden. Eén jaar in deze reactor veroudert het materiaal van een experiment bijvoorbeeld alsof het 40 jaar in een reactor met normale flux heeft gezeten.

In september gaat een nieuw experiment de kern in, om vragen over de gesmoltenzouttechnologie te beantwoorden. Er zitten vijf capsules in met verschillende soorten zout die elk op een andere manier corrosie van het materiaal eromheen veroorzaken.

Onderdelen zijn niet zomaar te koop, die worden hier gefabriceerd

„In een reactorkern gaan neutronen heel snel rond en door die snelheid ontstaat schade. Atomen worden uit hun roosterpositie geknikkerd en komen op een andere plek terecht”, zegt Ralph Hania. „Bij een gesmoltenzoutreactor heb je daarnaast last van corrosie. Een reactorwand bestaat uit roestvast staal of uit een nikkellegering. In staal zit veel chroom, dat is gevoelig voor corrosie door zout. Een wand met nikkellegering is minder gevoelig maar als je nikkel in een stralingsveld zet, maak je er gasvormig helium in aan. Gasbelletjes dus en die zijn ook niet goed voor een reactorwand. Zo heeft elk materiaal voor- en nadelen.”

Er zijn wel modellen, maar hoe de materialen zich in een zoutreactor echt gedragen, is nog niet getest. Daar zijn de experimenten voor.

In de werkplaats elders op het terrein ligt het experiment in aanbouw op een lange tafel. Het is al anderhalf jaar in ontwikkeling, de assemblage duurt maanden. Onderdelen zijn niet zomaar te koop, die worden hier gefabriceerd. Op het tafelblad onder plexiglas zijn de ontwerptekeningen uitgestald. De vijf zoutcapsules gaan in een koker van ongeveer een meter lang. Daaraan zit een meterslang handvat waarmee de koker vanaf ver boven de reactorkern veilig op zijn plaats gestoken kan worden.

Minder afval, meer veiligheid

Een van Hania’s collega’s houdt een capsule omhoog van blauw plastic, zo’n zeven centimeter lang, twee centimeter in doorsnede en met richels aan de buitenkant. „Dit is een model dat we hebben gemaakt met de 3D-printer om te kijken of alles past”, zegt Hania. „Er gaan vijf van zulke capsules in de koker. In eentje hebben we chroom in het zout opgelost. We hebben als het ware alvast een beetje materiaal uit de reactorwand in het zout gedaan. De hoop is dat je daarmee dichter bij een evenwicht tussen het zout en de wand komt, en dat de wand dan minder geneigd is te corroderen.”

Aan een ander zout hebben ze een tweede zout met iets minder fluor toegevoegd. Het zout zou daarmee iets minder agressief zijn. Zo hebben ze vier capsules met verschillende soorten zout en één controlecapsule met standaardzout.

Niet iedereen denkt positief over kerncentrales: ze produceren radioactief afval, er waren ongelukken als in Tsjernobyl en Fukushima, en ze zijn duur. Nieuwe technologieën en de kleine modulaire aanpak moeten op al deze vlakken verbetering brengen.

De nieuwe typen reactoren maken de kans op een kernsplijtingongeval heel klein

„Nieuwe reactoren produceren veel minder afval”, zegt Hania. „Bij bestaande watergekoelde reactoren wordt 94 procent van het uranium weggegooid, dat is niet meer bruikbaar voor het splijtingsproces. Gesmoltenzoutreactoren en metaalgekoelde reactoren kunnen veel meer van de splijtstof gebruiken. Met elke splijting wordt daarin een nieuw splijtbaar atoom aangemaakt. Dan zit je op een soort golf van nieuwe splijtstof die je dan ook weer gaat verbranden.”

„In theorie is zo’n 100 procent van de splijtstof te gebruiken”, zegt Hania. „Het afval is nog altijd tot driehonderd jaar hoog radiotoxisch, maar niet meer tienduizend tot honderdduizend jaar. In de praktijk zul je voor het zover is al tegen materiaalproblemen aanlopen.”

De nieuwe typen reactoren maken de kans op een kernsplijtingongeval heel klein. Bij metaalgekoelde reactoren wordt bijvoorbeeld dankbaar gebruik gemaakt van de grotere warmtegeleiding van metalen ten opzichte van water. In noodgevallen kan de warmte via natuurlijke circulatie en geleiding snel worden verdeeld en afgevoerd.

Een kleine reactor is veiliger en kan op afgelegen plekken werken

In gesmoltenzoutreactoren zit een vriesplug die zorgt voor veiligheid. Aan de TU Delft doen ze er onderzoek aan. „Wij bestuderen het gedrag van zout in extreme situaties”, zegt Jan-Leen Kloosterman, hoogleraar reactorfysica aan de TU Delft. „Die vriesplug is een pijp met een brok gestold zout dat vanaf buiten wordt gekoeld. Als er iets mis gaat smelt dat zout en komt het zout uit de reactor waar de splijtstof in is opgelost in een vat eronder terecht waar het veilig is opgeslagen.”

De drie nieuwe technologieën kunnen in het groot en het klein toegepast worden. Kleine versies zijn veiliger dan grote omdát ze klein zijn. „Veiligheid betekent in het geval van kernreactoren vooral dat warmte goed moet wegkunnen bij noodgevallen”, zegt Ferry Roelofs van NRG, expert op het gebied van SMR’s. „Kleine reactoren hebben minder vermogen dat weggekoeld zou moeten worden, en dus kunnen ze toe met andere, vaak goedkoper in te bouwen veiligheidsmaatregelen.”

Warmte voor de industrie

Veiligheid is niet de belangrijkste reden dat SMR’s in de belangstelling staan. „Nucleair is tot nu toe gericht op opwekking van elektriciteit”, zegt Roelofs. „Daar zijn grote, watergekoelde reactoren goed in. De techniek is bewezen, en hoe groter je ze bouwt hoe minder het kost per opgewekte kilowattuur elektriciteit. Maar in de nabije toekomst worden ook andere dingen gevraagd van nucleaire technologie: warmte leveren aan de industrie bijvoorbeeld, of elektriciteit op afgelegen plaatsen. Daarvoor zijn kleine reactoren heel geschikt.”

De term SMR zegt niets over de gebruikte technologie, alleen over het vermogen en het ontwerp. Een reactor geldt als small als hij een vermogen van 300 megawatt of minder heeft, dat is een kwart of een derde van een grote centrale. Er zijn ook microreactoren, van enkele tientallen megawatt.

De M, van modulair, duidt erop dat de reactoren (deels) in een fabriek gemaakt kunnen worden en dat meerdere kleine reactoren als modules naast elkaar gezet kunnen worden – tezamen kunnen ze dan toch een vermogen hebben dat vergelijkbaar is met een grote reactor.

Kleine reactoren zijn een uitkomst voor de industrie

„Een reactorvat bijvoorbeeld, wordt bij grote reactoren in delen aangeleverd en ter plekke in elkaar gelast”, zegt Roelofs. „Kleinere vaten kunnen in een fabriek gemaakt worden, dat biedt schaalgrootte en levert ervaring op.”

„Er zijn veel start-ups op het gebied van modulaire gesmoltenzoutreactoren. In Nederland is Thorizon hier bijvoorbeeld mee bezig”, zegt Kloosterman. „Die hebben een ontwerp gemaakt waarbij ze problemen omzeilen die spelen op de lange termijn, zoals het corrosieprobleem. Na zes jaar wisselen ze componenten die daar gevoelig voor zijn.” Dat levert dan wel weer afval op, dat is niet zo duurzaam. „Ik denk wel dat het belangrijk is dat zulke varianten er komen, omdat je daarmee veel ervaring kunt opdoen en de innovatie richting duurzame varianten kunt versnellen.”

Lees ook: Waar blijft de eerste thoriumreactor?

Kleine reactoren zijn een uitkomst voor de industrie. Ook bedrijven moeten verduurzamen, maar voor hun processen zijn vaak hoge temperaturen nodig. „Met name gasgekoelde reactoren kunnen veel warmte leveren, tot 700 of misschien zelfs 1.000 graden”, zegt Roelofs. „Dat is veel meer dan watergekoelde reactoren, die rond de 300 graden zitten.” Metaalgekoelde en gesmoltenzoutreactoren zitten er met 500 graden tussenin.

„Wij zijn tien jaar geleden begonnen met het maken van de U-battery, een uraniumbatterij”, zegt Kloosterman. „Een microreactor van 10 megawatt die je 10 jaar in bedrijf kunt houden zonder splijtstof te wisselen.” Sommige heel grote schepen hebben zulke vermogens nodig. „We kijken nu of de U-batterij op zo’n schip past.”

Geld en ervaring

Een kleine reactor is goedkoper dan een grote. „De kosten per opgewekte kilowattuur zijn bij kleine reactoren hoger, maar het absolute bedrag dat op tafel moet komen om er een te bouwen is veel lager”, zegt Roelofs. „Er hoeven niet eerst miljarden te worden geïnvesteerd. Als je meerdere kleine reactoren naast elkaar zet, kun je met de eerste gaan produceren en dan de tweede financieren.”

Enige ervaring is er al wel opgedaan, maar nog niet genoeg om de nieuwe technologieën van de grond te krijgen. „In Frankrijk, Japan, Rusland, China en Duitsland staan al enkele metaalgekoelde en gasgekoelde demonstratiereactoren”, zegt Roelofs. „Allemaal reactoren om de technologie uit te testen, commercieel zijn ze nog niet. In China staat ook een gasgekoelde reactor met meerdere kleine modules die aan het elektriciteitsnet gekoppeld is.”

In China is veel meer geïnvesteerd dan in westerse landen

„Later dit jaar gaat in China een kleine demonstratiereactor met gesmoltenzouttechnologie in bedrijf. Dat vind ik heel spannend”, zegt Kloosterman. „De eerste bedrijfservaringen maken veel uit voor de vraag of het echt zo veelbelovend is. Of we er veel over zullen horen is een tweede. In China hebben ze jarenlang flink geïnvesteerd in de technologie, veel meer dan westerse landen. Nu het commerciëler wordt stokt de kennisuitwisseling helaas, en de geopolitieke spanningen helpen ook niet.”

„In Europa zijn er start-ups die zeggen dat ze in 2030 modulaire watergekoelde demonstratiereactoren willen hebben. Dat is technisch wel haalbaar”, zegt Kloosterman. „2030 is een belangrijk jaartal omdat een reactor dan nog verschil kan maken voor het halen van klimaatdoelen. Maar ik denk niet dat er in 2030 al modulaire metaalgekoelde en zoutreactoren zullen zijn.”

Talloze sensoren

„Er zijn start-ups die zeggen dat het in 2030 wel kan”, zegt Hania. „Maar iemand die zegt dat hij in 2030 een zoutreactor wil bouwen en die nu nog experimenten moet starten kun je niet serieus nemen. Kijk naar ons experiment. Zoiets uitvoeren kost 4 of 5 jaar. Ik houd het op 2040.”

Hania’s experiment zal ruim een jaar in de reactorkern in Petten blijven zitten. Talloze sensoren vertellen onderwijl wat er binnenin gaande is – zo zijn de ribbels aan de buitenkant van de capsules bedoeld voor 48 strengen die door het lange handvat omhoog lopen en heel precies de temperatuur meten.

Eenmaal ‘in bestraling genomen’ is de koker en alles erin radioactief geworden en nooit meer met blote handen aan te raken. Toch zullen de belangrijkste resultaten blijken na onderzoek achteraf, wanneer de koker in de hot cells verderop in het reactorgebouw, uit elkaar gehaald wordt. Camera’s en mechanische armen maken analyse mogelijk. De capsules zijn alleen nog met eigen ogen te aanschouwen vanachter dikke lagen glas.