Het eerste nieuwe type kerncentrale zal worden gebouwd op een idyllische locatie in de wereld, tussen meren, rivieren en bossen. 400 kilometer van Toronto en Montreal, vlakbij het Canadian Nuclear LaboratoryTerrestrial Energy-bedrijf wil een prototype bouwen van de ‘Integral Molten Salt Reactor’, kortweg IMSR. De startup belooft dat de reactor, die gesmolten zout als koelmiddel gebruikt, zuiniger en veiliger zal werken dan de huidige systemen. In november 2017 nam de overeenkomst de eerste hindernis weg in het evaluatieproces door de Canadese autoriteiten.

Er zijn momenteel wereldwijd 448 kernreactoren actief. Acht daarvan zijn nog steeds operationeel in Duitsland en zullen uiterlijk in 2022 worden uitgeschakeld. Door het gebruik van kernenergie geleidelijk af te schaffen, heeft de Bondsrepubliek echter een speciale benadering van het energiebeleid gekozen. Het is niet alleen Canada dat een mooie toekomst heeft voor nieuwe kerncentrales. Wereldwijd zijn er momenteel 58 reactoren in aanbouw. 39 daarvan zijn gemaakt in Azië. Luchtvervuiling en smog in India en China is een van de redenen. 70 procent van de Chinese elektriciteit wordt opgewekt uit steenkool. De eerste kerncentrale werd daar pas in 1991 operationeel. Om een ​​sterke economische groei te behouden zijn nieuwe elektriciteitsbronnen nodig die de luchtvervuiling terugdringen. Organisaties zoals het Intergouvernementeel Panel voor Klimaatverandering (IPCC). of het Internationale Energieagentschap (IEA) ziet kernenergie zelfs als onderdeel van een mondiale strategie om de opwarming van de aarde onder de doelstelling van twee graden te houden. Eenmaal aangesloten op het elektriciteitsnet produceren kerncentrales relatief weinig koolstofdioxide, wat bijdraagt ​​aan de door de mens veroorzaakte klimaatverandering.

In een kernreactor komt energie vrij in een kettingreactie door de gecontroleerde splijting van zware, onstabiele atoomkernen. De eerste gecontroleerde kettingreactie vond 75 jaar geleden plaats in Chicago in een onderzoeksreactor ontwikkeld door Nobelprijswinnaar Enrico Fermi in de natuurkunde. In de lichtwaterreactoren die tegenwoordig het meest worden gebruikt, worden snelle neutronen die worden geproduceerd tijdens het radioactieve verval van splijtstof – meestal verrijkt uranium – eerst vertraagd. Dit gebeurt door een moderator, bijvoorbeeld water of grafiet. Een vertragend neutron heeft een grotere kans om door een van de zware atoomkernen te worden opgevangen en te splijten. De resulterende lichte atoomkernen dragen bindingsenergie die vrijkomt in de vorm van kinetische energie. Bovendien ontstaan ​​er vrije neutronen, die op hun beurt de kern splitsen, waardoor een zichzelf in stand houdende kettingreactie ontstaat. De materialen in de reactor worden warm door de kinetische energie van de splijtingsproducten. De resulterende warmte wordt afgevoerd door een koelmiddel – vaak water – en drijft een turbine aan.

Toekomstige energiecentrales liggen op de tekentafel

Kernreacties komen in verschillende generaties voor, waardoor we kunnen begrijpen hoe de technologie zich verder heeft ontwikkeld. Generatie I omvat de eerste experimentele reactoren uit de jaren vijftig en zestig. Vanaf generatie II konden deze energiecentrales vanaf het midden van de jaren zestig economisch als energiecentrales worden geëxploiteerd. Veel van de energiecentrales die vandaag de dag in bedrijf zijn, behoren tot de tweede generatie kernreactoren; De beschadigde energiecentrales van Tsjernobyl en Fukushima kwamen er ook uit. De meeste kernreactoren die tegenwoordig worden gebouwd, worden generatie III- of III+-centrales genoemd. Generatie III beschrijft de vooruitgang op het gebied van geavanceerde lichtwaterreactoren; Generatie III+ is gebaseerd op een ‘evolutionair’ veiligheidsconcept dat bevindingen uit incidenten en ongevallen van de afgelopen decennia integreert in de retrofit van bestaande systemen en de bouw van nieuwe reactoren.

Om kernreactoren van de vierde generatie te ontwikkelen en marktklaar te maken, kwamen in 2001 negen landen en instellingen samen om het Generation IV International Forum (GIF) te vormen: Argentinië, Brazilië, het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, Japan, Canada, Zuid-Afrika, Zuid-Korea en Amerika. Zwitserland, Rusland, China en Australië doen nu mee. Duitsland is indirect vertegenwoordigd als onderdeel van de Europese Gemeenschap voor Atoomenergie, waarvan GIF ook lid is.

Volgens de visie van het forum moeten Generatie IV-faciliteiten efficiënter omgaan met brandstof, minder kernafval produceren, economisch concurrerend zijn en voldoen aan strenge normen met betrekking tot de veiligheid en de verspreiding van radioactief materiaal voor wapens. Het doel is om “inherent veilige” systemen te creëren die passief crises of andere verstoringen en ongelukken vermijden, uitsluitend gebaseerd op de natuurwetten en niet afhankelijk zijn van actieve menselijke of technologische interventies. GIF heeft zes verschillende soorten reactoren geïmplementeerd, waaronder zogenaamde kweekreactoren, die meer splijtstof produceren dan ze verbruiken, en “snelle reactoren”, waarvoor geen moderator nodig is om snelle neutronen te gebruiken in een kettingreactie.

Vier Generatie IV-kandidaten

Vier van deze concepten hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen, zegt Björn Becker, ingenieur nucleaire technologie bij de Society for Plant and Reactor Safety (GRS), die federale en deelstaatregeringen adviseert:

SFR (natriumgekoelde snelle reactor)

In een “natriumgekoelde snelle reactor” De reactorkern bevindt zich in een plas vloeibaar natrium. Hij werkt zonder moderator. Natrium heeft betere thermodynamische eigenschappen dan water, waardoor reactoren bij hogere temperaturen kunnen worden bedreven, waardoor hun rendement hoger is. Bovendien werkt de reactorkern bij atmosferische druk. Theoretisch belooft dit een lager risico op ongevallen vergeleken met lichtwaterreactoren onder druk. Natrium is echter een zeer reactief element. Daarom wordt de gegenereerde warmte overgedragen naar het tweede natriumcircuit in de warmtewisselaar. Dit betekent dat er geen radioactief koelmiddel mag ontsnappen als er een lek ontstaat. In het derde circuit wordt het water vervolgens verdampt om een ​​stoomturbine aan te drijven. SFR kan functioneren als kweekreactor. Er kan ook opgewerkte brandstof uit conventionele lichtwaterreactoren worden gebruikt. De SFR gaat dan functioneren als een afvalverbrandingsinstallatie die ook nieuwe brandstof produceert.

VHTR (reactor op zeer hoge temperatuur)

In een “hogetemperatuurreactor” bestaat de kern uit grafietbolletjes met daarin kleine keramische korrels uranium of thorium als brandstof. Grafiet fungeert als moderator. Heliumgas verwijdert de gegenereerde warmte. De temperatuur loopt op tot meer dan 1000 graden Celsius en drijft turbines aan om elektriciteit op te wekken. Dit concept kent een zeer hoog rendement. Naarmate de reactortemperatuur stijgt, neemt de kans op splijting van uraniumkernen af. Dit leidt tot de maximale theoretische reactortemperatuur behorend bij het ontwerp. Als het onder het smeltpunt van het reactormateriaal ligt, zal de reactorkern niet smelten. Grote hoeveelheden warmte kunnen ook worden gebruikt als proceswarmte om waterstof te produceren of steenkool te raffineren.

LFR (loodgekoelde snelle reactor)

“Loodgekoelde snelle reactoren” worden ook wel “nucleaire batterijen” genoemd. Het maakt gebruik van snelle neutronen, een lood-bismut-legering om warmte af te voeren en kan 15 tot 20 jaar meegaan zonder nieuwe brandstof. De LFR wordt gekoeld door natuurlijke convectie. Omdat de brandstof lange tijd in de reactor blijft, neemt de kans op kernsplijting per atoom toe. Koolstofdioxide wordt gebruikt als werkgas om elektriciteit op te wekken. Lood en bismut hebben een zeer hoge dichtheid; Hogere gewichten vereisen sterkere constructies om aardbevingen te weerstaan. De bouwkosten zijn daardoor relatief hoog. Als de legering lekt of niet heet genoeg is, zal deze uitharden en kan de reactor niet worden gebruikt.

MSR (molted-zoutreactor)

Gesmoltenzoutreactoren kunnen worden bedreven bij hoge temperaturen en atmosferische druk. Hierdoor wordt de reactor efficiënter en veiliger in het produceren van elektriciteit vergeleken met conventionele reactoren. De eerste experimenten werden in de jaren vijftig uitgevoerd in het Oak Ridge National Laboratory in de Amerikaanse staat Tennessee. Tot nu toe is echter geen enkele reactor van dit type in bedrijf geweest. De gesmoltenzoutreactor heeft drie circuits. Ten eerste fungeert gesmolten zout als koelmiddel. Daarin worden brandstoffen opgelost die ook in de vorm van zouten aanwezig zijn, bijvoorbeeld uraniumfluoride. Het gesmolten zout wordt door een reactorkern van grafiet gepompt, die als moderator fungeert. Er ontstaat een kettingreactie en het zout warmt op tot bijna 800 graden Celsius. Het zout stroomt vervolgens naar een eerste warmtewisselaar, die de warmte zonder brandstof overbrengt naar een tweede gesmolten zoutcircuit. Dit is anders dan SFR, dit is bedoeld om gevaar te voorkomen als er een lek ontstaat. Daarna volgt een derde circuit dat de turbine aandrijft. Als inherent veiligheidskenmerk bevindt zich onder de grafietkern een klep die zal smelten als het systeem niet langer voldoende wordt gekoeld. Het zout stroomt vervolgens naar een tank waar het passief wordt gekoeld. Gesmolten zout is zeer corrosief, daarom moeten speciale metaallegeringen worden gebruikt om MSR te maken.

Twee van de overige zes concepten in GIF zijn: “snelle gasgekoelde reactor” GFR (gasgekoelde snelle reactor)die snelle neutronen en helium als koelmiddel gebruikt en bij zeer hoge temperaturen werkt, en “superkritische lichtwaterreactor” SCWR (superkritische watergekoelde reactor), dat water onder hoge druk gebruikt als koelmiddel en moderator zodat er geen faseovergang plaatsvindt, en goedkoop en gemakkelijk te maken is. Volgens Björn Becker van GRS zijn GFR en SCWR de afgelopen jaren achtergebleven. In principe moet de term toekomstige technologie met voorzichtigheid worden gebruikt voor GIF-ideeën, legde hij uit. Sommige concepten bestaan ​​al tientallen jaren. Volgens Becker is het onmogelijk om in zijn algemeenheid te zeggen of en welke zal winnen en welke de veiligste zal zijn.

Kleine reactor, kant-en-klaar

De meeste reactoren in aanbouw produceren een hoog vermogen van meer dan één gigawatt – genoeg om elektriciteit te leveren aan een grote stad. Maar in de komende decennia zouden kleinere, gedecentraliseerde systemen, genaamd ‘Small Modular Reactors’ (SMR), belangrijker kunnen worden. SMR heeft een vermogen van minder dan 500 megawatt. Ze zullen in fabrieken als modules in massa worden geproduceerd en vervolgens ter plaatse worden geassembleerd om grotere energieopwekkingseenheden te vormen. Sommige deskundigen hopen dat deze productie- en exploitatiemethode voor een betere veiligheid zal zorgen. Dit zal investeringen in elektriciteitscentrales ook goedkoper maken dan bestaande of in aanbouw zijnde elektriciteitscentrales.

Sommige Generation IV GIF-concepten kunnen ook in modulaire vorm worden geïmplementeerd. Dat is hoe het zal gebeuren gesmolten zoutreactor van Terrestrial Energy met een streefvermogen van 400 megawatt en SMR modulair ontwerp. Deze centrales kunnen ook in afgelegen gebieden worden gebouwd, bijvoorbeeld om natuurlijke hulpbronnen in de vorm van elektriciteit en proceswarmte te benutten. Als verdere obstakels in het goedkeuringsproces kunnen worden overwonnen en technische uitdagingen kunnen worden overwonnen, zou een dergelijk project tegen het einde van de jaren 2020 kunnen worden geïmplementeerd. De toekomstige reactor wordt in Canada in gebruik genomenop een prachtige groene plek tussen meren, rivieren en bossen.