De kernenergie van de toekomst

By Ane Mestvedthagen

Hét onderwerp van deze tijd is energie. Niet alleen omdat er een crisis is op dat gebied door de oorlog tussen Rusland en Okraïne. Willen we de gevolgen van een verregaande klimaatverandering voorkomen, dan moeten we het zonder fossiele brandstoffen zien te rooien. Eén van de oplossingen die – na jaren te zijn verguisd – weer terug is op de agenda, is kernenergie. Al tientallen jaren werken wetenschappers aan de ontwikkeling van alternatieven voor kernenergie die veiliger zijn en meer energie opleveren dan de huidige kernsplijting.

Welke alternatieven voor kernenergie bestaan er?

Grofweg zijn er twee alternatieven:

• Generatie IV-reactoren – Een groep van zes kernreactoren die duurzaam, veilig, betrouwbaar en efficiënt zijn en lagere operationele kosten te hebben dan conventionele kernsplijtingsreactoren.
• Kernfusie – Het proces dat ook in de zon plaatsvindt. Door het samensmelten van twee atomen komt energie vrij. Er is veel minder stralingsafval dan bij kernsplijting.

Doorbraak in kernfusie: Voor het eerst energiewinst behaald

Voor het eerst zijn Amerikaanse wetenschappers erin geslaagd om een energiewinst van 120 procent te genereren bij een kernfusie, meldt de Financial Times.

Waarom zouden we kernenergie gebruiken?

Op deze manier kunnen we energie opwekken zonder uitstoot van broeikasgassen zonder afhankelijk te zijn van zon of wind.

Hoe groot zijn die alternatieve kerncentrales?

Dat hangt ervan af. De huidige kernfusiereactoren zijn vrij groot, zodat de temperatuur van het plasma niet gemakkelijk daalt. Reactoren van generatie IV, zoals gesmoltenzout-reactoren, zijn klein, zodat ze in een fabriek kunnen worden geassembleerd en naar een andere locatie kunnen worden verscheept. 

Is commerciële exploitatie echt haalbaar?

Jazeker, er bestaan al van zulke reactoren.

Controversieel, maar noodzakelijk

Weinig energiebronnen zijn zo controversieel als kernenergie. Dat komt vooral door de kernrampen in Fukushima en Tsjernobyl. Anderzijds denken wetenschappers dat kernenergie de enige oplossing is om de klimaatverandering aan te pakken.

“Kernenergie is een onmisbaar instrument om de wereldwijde agenda voor duurzame ontwikkeling te verwezenlijken,” schrijft de Economische Commissie voor Europa van de Verenigde Naties in haar rapport over kernenergie. “Het is belangrijk op te merken dat de huidige reactoren niet onveilig of slecht ontworpen zijn. De reactoren van de vierde generatie zijn gewoon nog beter,” zegt professor Jan Emblemsvåg van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie.

Voor 2030 nieuwe kernenergie in Nederland? Het is niet onmogelijk, maar de lijst met voorwaarden is lang

Het klimaatakkoord, de oorlog in Oekraïne en de wens om niet meer afhankelijk te zijn van grootmachten hebben blik op kernenergie verstevigd.

Veilige en duurzame splijtingsreactoren 

Generatie IV bestaat uit zes reactoren die economisch en energetisch efficiënter, veiliger en duurzamer moeten zijn dan de huidige lichtwaterreactoren. Ze hebben elk hun eigen kenmerken, maar ze werken allemaal op dezelfde splijtbare brandstof die vandaag wordt gebruikt, zoals uranium. Behalve één, die zowel op uranium als op ander minder radioactief materiaal zoals thorium kan werken. Dat is de gesmoltenzout-reactor (MSR). 

In een conventionele lichtwaterreactor wordt gewoonlijk uranium als brandstof gebruikt, terwijl water zowel als koelmiddel en als neutronenmoderator werkt, waardoor de snelheid van de neutronen in de reactor wordt afgeremd. Om de thermische werking te vergroten, wordt het water onder hoge druk gehouden.

In een MSR is het koelmiddel – het zout – ook de brandstof. Dankzij het zout kunnen MSR’s niet-splijtbare elementen gebruiken, zoals thorium. In een MSR kan thorium in het zout worden opgelost en worden omgezet in het radioactieve uranium-233. De radioactieve niveaus van thorium zijn zo te laag dat ze niet schadelijk zijn. Thorium is ook in grote hoeveelheden aanwezig op aarde.

Ontwikkeld in de jaren zestig

MSR is geen nieuwe technologie. In de jaren zestig deed het Oak Ridge National Laboratory in de VS onderzoek naar MSR, naast andere kernenergiebronnen. Toen al wisten onderzoekers dat MSR een realistische en belangrijke energiebron voor de toekomst was. Het onderzoek nam echter een abrupte wending in het midden van de jaren zestig toen de Amerikaanse marine snelle toegang tot atoomenergie nodig had.

Lichtwaterreactoren waren de snellere optie, en daardoor raakte MSR in de vergetelheid. In de jaren 1980-1990 werd weinig tot geen onderzoek gedaan naar MSR. Behalve in Japan, waar enig onderzoek werd gedaan onder de paraplu van de Fuji-reactor. De techniek kwam pas weer in beeld na 9/11, toen de Amerikaanse autoriteiten begonnen te vrezen dat radioactief restmateriaal zou kunnen worden gebruikt om vuile bommen te maken. 

Geen gevaar voor meltdowns

Het misschien wel grootste voordeel van MSR is dat er geen gevaar bestaat voor meltdowns. Als een gewone lichtwaterreactor te lang draait, verslechtert de structurele integriteit van de splijtstofassemblage door straling. Dan kun je een aantal veiligheidsproblemen krijgen. Dit betekent dat deze reactoren slechts 5 tot 8 procent van hun energiepotentieel kunnen benutten voordat de brandstofassemblages moeten worden vervangen.

In een MSR hoef je je geen zorgen te maken over de structurele integriteit van de brandstof, omdat de brandstof al met het zout is versmolten. Dat betekent dat je veel meer energie kunt winnen zonder je zorgen te hoeven maken over de structurele integriteit van de brandstofassemblage. MSR’s worden daardoor 25 tot 50 keer efficiënter dan conventionele lichtwaterreactoren. 

Ze werken ook op 700 tot 800 graden Celsius, ver onder het kookpunt van 1400 graden, en de reactie vertraagt wanneer de hitte toeneemt. Als de stroom uitvalt, smelt een ijsblok op de bodem van de reactor, waardoor het zout naar een andere tank loopt en afkoelt, en de hele reactor stopt. 

Corrosie op lange termijn

Maar de reactor is niet perfect. Zout tast op den duur de metalen constructie aan. Wetenschappers weten nog niet hoe de corrosie de reactoren na verloop van tijd beïnvloedt. In de jaren zeventig vonden onderzoekers een manier om dit probleem te omzeilen door een staallegering te gebruiken die Hastelloy N heet. Na een tien weken durende test van een reactor met Hastelloy N werd geen corrosie geconstateerd. Of het ook op de lange termijn werkt, moet de praktijk nog uitwijzen. In het ergste geval moeten de reactorvaten en -leidingen gewoon vaker worden vervangen, wat dan hooguit ten koste van de rentabiliteit gaat.

Generatie IV draait al in de praktijk

De verwachting is dat in Europa nog vóór 2030 een gesmolten zoutreactor in gebruik wordt genomen. De eerste testreactor met gesmolten zout draait sinds de jaren zestig al in China. In april 2022 lanceerde de Noorse rederij Ulstein een project, waarbij ze werken aan batterij-aangedreven schepen met op thorium gebaseerde gesmoltenzout-reactoren. Het bedrijf schat dat de technische ontwikkeling gevolgd door het goedkeuringsproces van internationale regelgeving en classificaties, tien tot vijftien jaar zal duren, met als doel commercialisering vóór 2035.

Core Power ziet de toekomst van groene scheepvaart in drijvende kerncentrales

Er staan al diverse vrachtschepen op stapel die waterstof voor hun aandrijving gebruiken. De toekomst kan echter wel eens liggen in kernenergie. Dat is althans de visie van Core Power – een Brits bedrijf dat nucleaire innovatie en oceaantransport probeert te combineren.

Sommige alternatieven voor de huidige licht water kernsplijtingsreactoren zijn reeds operationeel. China heeft in december 2021 zijn eerste commerciële generatie IV-reactor in gebruik genomen. Het is een gasgekoelde reactor met hoge temperatuur die ongeveer tweehonderd megawatt kan produceren.

Er zijn ook reactoren die gesmolten lood als primair koelmiddel gebruiken. LeadCold in Zweden streeft ernaar zijn eerste prototype in 2027-2028 operationeel te hebben, en de eerste commerciële reactor in 2032. Drie reactoren van Generatie IV, een natriumgekoelde snelle reactor, een superkritische watergekoelde reactor en gasreactoren van zeer hoge temperatuur zijn nog niet in bedrijf. 

Kerrnfusie: de kracht van de zon

Kernfusie is het proces dat ook in de zon plaatsvindt. Als je twee of meer atomen samensmelt, komt daarbij energie vrij. Kernfusie heeft verschillende voordelen. Naast de overvloed aan brandstoffen, zijn kernfusiereactoren veiliger dan een splijtingsreactor. Er wordt veel minder radioactief afval geproduceerd. Het weinige radioactieve afval dat moet worden opgeslagen heeft een veel lagere vervaltijd, en moet honderd jaar worden opgeslagen in plaats van tienduizend jaar.

Kernfusie kan ook veel meer energie leveren dan de krachtigste commercieel werkende energiebronnen van vandaag. Volgens het kernfusieproject ITER komt bij het gecontroleerd samensmelten van atomen bijna vier miljoen keer zoveel energie vrij als bij een chemische reactie, zoals de verbranding van kolen, olie of gas, en vier keer zoveel als bij kernsplijtingsreacties (bij gelijke massa). Maar voordat dit alles kan gebeuren, moet de benodigde technologie worden ontwikkeld.

Hoe werkt het?

In een kernfusiereactor wordt een gas bestaande uit de twee waterstofisotopen deuterium en tritium ingesloten in magnetische velden. Het gas wordt verhit tot een plasmatoestand. Daarbij worden elektronen van het atoom gestript, zodat een geladen atoomkern en de elektronen gescheiden achterblijven. De kernen draaien rond de magnetische veldlijnen tot ze tegen elkaar botsen en een zwaarder atoom vormen. In dit geval vormen de waterstofatomen een heliumatoom. Hieruit kunnen we energie vormen.

“Als je deuterium en tritium combineert, vormen ze een heliumatoom en een hoogenergetisch neutron dat wegvliegt. Omdat het niet geladen is, wordt het neutron niet binnengehouden door het magneetveld,” legt Richard Kembleton uit. Hij is hoofdonderzoeker van de United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA), een van de verschillende instellingen die samenwerken via het consortium EUROfusion.

Het neutron vliegt rechtstreeks uit het plasma en in de wanden van de machine. Door metalen wanden, een waterkoeler en soortgelijke materialen in de wand te plaatsen, kun je de energie uit dat neutron halen om warmte te produceren die je vervolgens kunt omzetten in elektriciteit.”

Daarna kan het neutron worden gebruikt om meer tritium te maken door te reageren met lithium in de wand. Dit maakt de reactie zelfvoorzienend. 

Betere hittecontrole in kernfusiereactor

In een kernfusiereactor gaat het er heet aan toe met een waterstofplasma die op kan warmen tot tientallen miljoenen graden Celsius.

Nieuwe generatoren

Nieuwe generatoren gebruiken supergeleidende magneten voor het magnetisch veld, lithium voor de wanden en staal voor de eigenlijke constructie. De binnenkant is gemaakt van wolfraam, dat een hoog smeltpunt heeft en daardoor bestand is tegen de hitte van het plasma.

“Aan de onderkant van de machine heb je een apparaat dat de diverter heet en waar het plasma de machine moet raken. Dat is een uitlaatpoort. Al het materiaal dat niet verbrandt, komt in de diverter terecht. Het raakt het oppervlak en wordt afgekoeld en weggepompt,” zegt Kempleton. 

De juiste materialen

“Een van de problemen met de neutronen is dat zij andere atomen kunnen veranderen in andere soorten radioactieve materialen. We moeten ervoor zorgen dat de materialen waaruit we de reactor bouwen geen hoogradioactief of langlevend radioactief afval produceren,” zegt Kempleton.

Momenteel bestaat de oplossing uit staal voor het reactorontwerp, supergeleidende magneten en hoogtemperatuurbestendig wolfraam voor de afschermingswand in de reactor. Wolfraam heeft een goed warmtegeleidingsvermogen, weinig erosie, en het absorbeert niet gemakkelijk tritium, waardoor het niet gemakkelijk andere radioactieve stoffen produceert. 

Testreactoren

De eerste testreactoren voor kernfusie zijn al in bedrijf. In Groot-Brittannië is de kernfusiereactor JET al sterk genoeg om evenveel energie te produceren als de reactor nodig heeft om te draaien. General fusion en Tokamak Energy werken beide in de particuliere sector aan de verwezenlijking van de droom van kernfusie-energie. 

In Zuid-Frankrijk hebben wetenschappers uit de hele wereld zich verenigd om ‘s werelds grootste kernfusiereactor, ITER, te creëren. Het is een grootschalig samenwerkingsproject tussen de 27 EU-lidstaten, Zwitserland, het Verenigd Koninkrijk, China, Rusland, Japan, Zuid-Korea, India en de Verenigde Staten. ITER moet eind december 2025 klaar zijn. De kosten van ITER worden geschat op twintig miljard euro.

Bij voltooiing zal ITER ongeveer vijfhonderd megawatt aan energie gaan produceren. In deze centrale gaan wetenschappers tien jaar experimenteren met het opwekken van energie. Als de test succesvol is, kunnen de eerste commerciële reactoren begin 2050 in bedrijf worden genomen.

DIFFER zet met testrecord nieuwe stap naar kernfusie

Kernfusie is de aloude wens van heel veel energie-onderzoekers: de reacties tussen samensmeltende waterstofkernen in het hart van de zon op aarde nabootsen.