De 4 generaties kernreactoren
Zo'n vijftig jaar geleden werden de eerste reactoren die elektriciteit konden produceren op basis van kernenergie in gebruik genomen. Sindsdien hebben ze een hele metamorfose ondergaan. Ontdek in dit artikel het verschil tussen de verschillende generaties reactoren en wat de toekomst te bieden heeft.
De reactoren van de eerste generatie, die gekoeld worden met water en gemodereerd met grafiet, zijn ontworpen in de jaren 1950-1960. Intussen zijn die sterk verouderd, maar er bestaan wereldwijd enkele exemplaren die nog steeds actief zijn.
In de jaren 1970-1980 werd de tweede generatie gebouwd. Dat zijn de reactoren die we vandaag nog altijd kennen. De meeste daarvan zijn drukwaterreactoren, zogenaamde PWR-reactoren (PWR staat voor Pressurized Water Reactor), waarbij water onder druk tot erg hoge temperaturen wordt verhit (300 graden Celcius). Ongeveer twee op reactoren in de wereld zijn PWR-reactoren. Er wordt nauwlettend op toegezien dat zij op elk moment voldoen aan de steeds strengere veiligheidsnormen. Daarom worden geregeld verbeteringen aangebracht en systemen vervangen. Van de huidige operationele reactoren van de tweede generatie zijn enkel nog de reactorkuip het originele ontwerp, alle andere onderdelen zijn in de loop der tijd één of meerdere keren vervangen tijdens de 18-maandelijkse controles.
De reactoren van de derde generatie - ook wel de evolutionaire generatie genoemd - zijn nog veiliger dan hun voorgangers en zijn van bij het begin zo ontworpen om langer (60 jaar) mee te gaan. Zij zijn voorzien van innovaties die ontwikkeld konden worden dankzij de tientallen jaren ervaring met de 400 kernreactoren over de hele wereld.
Deze reactoren van de derde generatie worden vooral gekenmerkt door passievere koelingssystemen. Dat betekent dat ze gebruikmaken van natuurkrachten en dat ze blijven draaien ook wanneer er geen externe stroomvoorziening is. Wat de veiligheid betreft, beschikken de modernste reactoren over een dubbele wand* (een bunker in een bunker) en een verbeterde structuur onder de reactor om de bevolking en het milieu te beschermen bij een eventueel incident. Tot slot verbruiken deze nieuwe centrales minder brandstof, waardoor er minder afval wordt geproduceerd.
*Noot: In België beschikken de huidige reactoren (van de tweede generatie) al over dubbele wanden (een bunker in een bunker).
De verschillende reactoren die momenteel worden gebouwd, zijn van de derde generatie.
Generatie IV-reactoren: basis voor de kerncentrales van de toekomst
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 om te bouwen (kleiner en dus minder onderhoud), makkelijker in de operationele fase (bij wijze van spreken niet meer dan een aan of uitknop) 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 deze 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 ook worden ingezet om drinkbaar water 'fabriceren'.
Op het ogenblik waarop onze planeet koolstofarme energie nodig heeft, en met de opkomst van intermittente hernieuwbare energie, leveren kernenergie en de SMR relevante oplossingen.
NAAR HET DOSSIER OVER SMRS
De reactoren met snelle neutronen
- De reactoren met snelle neutronen kunnen zonder beperking alle plutonium als brandstof gebruiken dat door de huidige reactoren wordt geproduceerd, alsook het plutonium dat ze zelf produceren.
- 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.
ASTRID: reactor met snelle neutronen ontwikkeld in Frankrijk
In Frankrijk is het CEA (Commissariaat voor Atoomenergie en alternatieve Energie) belast met het onderzoek naar innovatieve kerntechnologieën. In het kader van de programmawet van 28 juni 2006 betreffende het duurzame beheer van radioactieve stoffen en radioactief afval heeft het CEA aan de overheid een project voorgesteld waarbij een model van een reactor van de vierde generatie wordt voorgesteld. Op deze manier ontwikkelt het CEA een project met een natriumgekoelde reactor met snelle neutronen, ASTRID genoemd (naar 'Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration').
De ontwerpstudies gingen van start in 2010. Astrid zal een technologisch demonstratiemodel zijn waarvan de inbedrijfstelling voor 2040 is voorzien. Het is de bedoeling dat dit type reactor vanaf 2050 wordt gecommercialiseerd. Op dit moment werken 600 mensen van het CEA en van industriële onderzoekspartners aan de verschillende onderdelen van het project: ontwerp van de reactorkern, inspectie van het natrium met ultrasoon, systemen voor de inspectie en het toezicht van de reactor tijdens zijn werking.
Reactoren met gesmolten thoriumzout
Thorium biedt heel wat voordelen. Het metaal thorium 232 komt meer frequent voor in de natuur 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 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 duurzame 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.
Drijvende reactoren
Er vinden momenteel ook proefprojecten plaats met drijvende reactoren. Zoals de naam aangeeft, gaat het om kernreactoren die op drijvende pontons worden gebouwd, die op zee kunnen verplaatst en geïnstalleerd worden om elektriciteit te leveren in afgelegen en moeilijk bereikbare gebieden, zoals het koude Noordpoolgebied. Drijvende reactoren kunnen ook worden gebruikt om zeewater te ontzilten en om te zetten in drinkwater (een energie-intensief procédé, waarvoor kernenergie erg geschikt is).
In Rusland wordt momenteel de eerste drijvende kerncentrale naar zijn bestemming gebracht in Pevek, de meest noordelijke stad in Rusland. Het wordt de eerste operationele drijvende kernreactor en ook de kerncentrale dichtst bij de Noordpool. Ook China is bezig met de bouw van een drijvende SMR, en ook bij het MIT (Massachusetts Institute of Technology) wordt er een eerste Amerikaanse drijvende reactor gebouwd. De kans is groot dat meer landen gaan volgen. Wanneer dat zo is, leest u het hier.
Lees meer
Bronnen: CEA (Frankrijk), IRSN (Frankrijk), SFEN, Terrestrial Energy, ITER, SCK•CEN, Tractebel.