De kernreactoren van de toekomst
De toekomst van de kernenergie wordt vandaag al geschreven. Er wordt overal geïnnoveerd in de ontwikkeling van kernenergie en in de vele andere toepassingen van de kerntechnologie. Maak in dit artikel kennis met enkele veelbelovende technologieën.
Hoe zien de toekomstige kerncentrales er uit?
Alle reactoren die op dit moment worden gebouwd, zijn al van de generatie III+ en beschikken over verbeterde veiligheidsvoorzieningen, met name dankzij passieve veiligheidssystemen (zonder menselijke tussenkomt). En bepaalde reactoren van de generatie IV zijn nagenoeg bouwklaar.
Verder in de toekomst richt het onderzoek zich op fusiereactoren dankzij met name de tokamak ITER (wordt op dit moment gebouwd), die de grootste en krachtigste fusiemachine zal zijn die ooit is gebouwd.
Op dit moment wordt over de hele wereld intens onderzoek gedaan naar meerdere technologieën, de zogenaamde 4e generatie. Daarmee wil men technologische splitsingsopties ontwikkelen. Deze reactoren zijn nog veiliger en verminderen de afvalproductie aanzienlijk.
Dit zijn de reactoren waarvan de ontwikkeling op dit moment het verst gevorderd is:
- ITER: kernfusie;
- SMR's: kleine kernreactoren;
- De reactoren met gesmolten thoriumzout.
ITER en kernfusie: de zon op aarde
Kernfusie, dat is vandaag ITER! ITER is een wereldwijd project. Het verzamelt 35 landen die samen de grootste tokamak willen bouwen die ooit is ontworpen. ITER moet aantonen dat fusie als energiebron kan worden gebruikt om elektriciteit in grote hoeveelheden te produceren.
ITER is een demonstratiemodel op grote schaal waarvan de bouw in 2010 in het Zuid-Franse Cadarache is begonnen. Einde 2017 hebben de verantwoordelijken van ITER officieel aangekondigd dat 50% van alle activiteiten die onontbeerlijk zijn om het eerste plasma te produceren zijn uitgevoerd. Dit eerste plasma is voorzien voor einde 2025 en de eerste activiteiten met deuterium-tritium voor 2035.
Het vervolg van het programma voorziet op lange termijn de bouw van een demonstratiemodel voor elektriciteitsproductie die alle ervaring van ITER zal integreren.
ITER werd specifiek ontworpen om:
- Een fusievermogen van 500 MW te produceren;
- Het geïntegreerde beheer aan te tonen van technologieën van een centrale die via fusie elektriciteit produceert;
- Een zelfversterkend plasma van deuterium-tritium tot stand te brengen;
- Te experimenteren met de productie van tritium;
- De veiligheid van een fusievoorziening aan te tonen. Een van de belangrijkste doelstellingen van ITER is aantonen dat de fusiereacties die in het plasma voorkomen geen impact hebben op de bevolking en het milieu.
Hoe werkt het?
De fusiereactoren werken niet op atoomkernsplitsing zoals dat het geval is voor de kernreactoren van de huidige 3e generatie. Met kernfusie willen we heel kleine waterstofatomen (deuterium en tritium) samensmelten om onbeperkte energie te produceren. Zoals de zon doet.
Heel wat onderzoekers bestuderen dit natuurlijke fenomeen en de manier om het te beheersen. Verschillende experimentele prototypes ('tokamaks', stellarator …) zijn in de wereld actief om het belang en de haalbaarheid van deze weg naar energieproductie te bestuderen.
Small Modular Reactors: voldoen aan de veranderlijke energiebehoeften
De SMR, of small modular reactors, zijn 'minireactoren' die in de vorm van modules bestaan. Ze zijn goedkoper gebouwd, bieden eveneens een maximale flexibiliteit om zich aan te passen aan de elektriciteitsbehoefte, bijvoorbeeld op industriële sites of in afgelegen gebieden. De interesse voor de SMR groeit wereldwijd. In België zijn SCK•CEN en Tractebel koplopers op het gebied van innovatie.
Waarom kleine eenheden?
De flexibele en autonome SMR kunnen gemakkelijk voldoen aan de veranderlijke energiebehoeften. Het is niet de bedoeling dat ze de klassieke kerncentrales vervangen, die continu koolstofarme energie leveren, maar ze kunnen een aanvulling vormen op de huidige oplossingen voor de elektriciteitsproductie.
De SMR zijn bijvoorbeeld heel nuttig in afgelegen gebieden die niet over een elektriciteitsnet of zelfs over industriële sites beschikken. Ze kunnen bovendien drinkbaar water 'fabriceren'.
Op het ogenblik waarop onze planeet koolstofarme energie nodig heeft en met de opkomst van onderbroken hernieuwbare energie, leveren kernenergie en de SMR relevante oplossingen.
De reactoren met snelle neutronen
De reactoren met snelle neutronen hebben enkele voordelen:
- De reactoren met snelle neutronen kunnen zonder beperking alle plutonium gebruiken dat door het park met actuele reactoren of door henzelf wordt geproduceerd.
- Ze kunnen elk type uranium verbranden. Door alle uit de grond gewonnen uranium te gebruiken, verhonderdvoudigen ze de hoeveelheid energie die uit een hoeveelheid natuurlijke uranium kan worden gewonnen.
- Ze verminderen ook de radiotoxiciteit, de levensduur en de hoeveelheid van het eindafval. De natriumgekoelde reactoren met snelle neutronen zijn een referentie die al over een aanzienlijke ervaring beschikt.
Reactoren met gesmolten thoriumzout
Thorium biedt heel wat voordelen. Het metaal thorium 232 komt meer voor dan uranium en kan voor nagenoeg 100% worden gebruikt.
Thorium kan de ontwikkeling van een nieuwe nucleaire sector ondersteunen. En dit met name in landen als India en China, die over veel thorium beschikken. Het zijn twee landen die belangrijke programma's uitvoeren voor de langetermijnontwikkeling van reactoren op basis van thorium. China en de Verenigde Staten financieren een onderzoeksprogramma om deze techniek op industriële schaal te ontwikkelen. China heeft zelfs verklaard tegen 2030 een reactor te willen bouwen. De combinatie van de technologie met gesmolten en die met thorium zorgt enerzijds voor veiligheid en energetische efficiëntie, en anderzijds voor overvloedige energie en het vermijden van afval met lange levensduur.
Er worden in de hele wereld diverse initiatieven ontwikkeld, ook in Europa. Voor het gebruik van thorium moet evenwel een nieuwe procedé worden voorzien dat verschilt van het huidige nucleaire procedé. In Frankrijk voert het Centre National de Recherche Scientifique van Grenoble onderzoek uit. We moeten erkennen dat thorium een mogelijke optie op hele lange termijn is. De huidige splijtstofcyclus met uranium wordt perfect beheerst en de voorziening van uranium is voor ten minste de volgende 200 jaar verzekerd.
Enkele voorbeelden uit de buurt
In december 2013 hebben Orano (vroeger AREVA) en Solvay een overeenkomst gesloten om thorium te exploiteren. Deze overeenkomt omvat met name een onderzoeks - en ontwikkelingsprogramma om onder meer het gebruik ervan als mogelijk brandstof voor kerncentrales van de nieuwe generatie te onderzoeken.
In Nederland zijn de wetenschappers van het Nuclear Research and Consultancy Group (NRG) van Petten in augustus 2017 met experimenten gestart om beter de verschillende aspecten van de werking te begrijpen van een reactor met gesmolten die thorium als brandstof gebruikt. Deze experimenten werden gevoerd in samenwerking met het Joint Research Center van Karlsruhe van de Europese Commissie. Het project heet SALIENT, wat staat voor SALt Irradiation ExperimeNT.
In Frankrijk bestuderen bestuderen onderzoekers ven het CNRS in Grenoble de voor- en nadelen van de reactoren met gesmolten thoriumzout.
Reactoren met gesmolten zout (Molten-Salt Reactors)
Bij een reactor met gesmolten zout zit het brandbare materiaal in de warmtegeleider ingewerkt. Het verschil met de huidige reactoren is essentieel: het brandbaar materiaal is vloeibaar en niet langer vast.
Het is de bedoeling om de energieproductie en de recyclage van het brandbaar materiaal in eenzelfde installatie onder te brengen. De reactoren met gesmolten zout zijn in staat om duizenden jaren lang overvloedige zuivere en schone energie te leveren tegen betaalbare prijzen. De reactoren met gesmolten zout kunnen ook worden ontworpen om te zorgen voor een follow-up van de automatische vulling. Deze kwaliteit is essentieel in het geval een deel van de elektriciteit wordt geproduceerd door onderbroken bronnen zoals de zon en de wind.
Reactoren met gesmolten uraniumzout
Bepaalde reactoren blijven verrijkt uranium-235 gebruiken. Ze zijn een onderdeel van de technologieën van reactoren van de 4e generatie die tegen 2030 beschikbaar zouden kunnen zijn.
De Canadese onderneming Terrestrial Energy ontwikkelt een reactor met gesmolten zout die IMSR (Integral Molten Salt Reactor) wordt genoemd en een brandstof heeft op basis van ongeveer 5% verrijkt uranium 235. Deze reactor zou een elektrisch vermogen van 190 MW kunnen halen en zou volgens de ontwikkelaars in bedrijf kunnen worden gesteld tegen het einde van de jaren 2020 of het begin van de jaren 2030.
De Canadese regelgevende instantie heeft in ieder geval eind 2017 aangekondigd dat Terrestrial Energy aan de eerste van drie fasen van de 'inspectie vóór licentie' (pre-licensing review) heeft voldaan. Deze goedkeuring van de Canadian Nuclear Safety Commission is een belangrijke stap naar de bouw van een reactor van de 4e generatie. Terrestrial Energy heeft al beslist om zijn eerste centrale te bouwen op de site van de 'Canadian National Labs' in Chalk River, Ontario.
Naast elektriciteitsproductie kan dit reactortype ook warmte leveren voor industriële toepassingen zoals in de chemische sector en om zeewater te ontzilten.
Bronnen: CEA (Frankrijk), IRSN (Frankrijk), SFEN, Terrestrial Energy, ITER, SCK•CEN, Tractebel.