Kan kernafval zorgen voor een energie-oplossing?

Een nieuwe generatie van technologie voor kernreactor staat voor de deur om de kernindustrie te gaan veranderen. Met deze technologie zou men het grootste probleem van kernenergie gaan aanpakken, namelijk het kernafval. Het idee is om het kernafval van de huidige generatie kerncentrales te gebruiken als brandstof voor nieuwe kerncentrales. Voorstanders zeggen dat deze technologie al er ver ontwikkeld is. Tot nu toe was er enorm bezorgd dat deze nieuwe technologie in strijd zou zijn met de afspraken van in het non-prolifiratieverdrag. Het non-prolifiratieverdrag is een verdrag dat het bezit van kernwapens beperkt. Dit is van kracht sinds 1989 en is geratificeerd door 189 landen. Volgens de voorstanders is de know-how beschikbaar om deze technologie in te zetten zonder dat er moeilijkheden optreden met dit verdrag. Deze nieuwe reactoren maken enkel gebruik van gerecycleerde brandstof en is ook veel veiligere dan de huidige. Maar nucleaire critici blijven sceptisch, zeker omdat de industrie veel geld vraagt aan de overheid om een kerncentrale te bouwen waarmee ze deze technologie willen aantonen op commerciële schaal.

Natuurlijk, omdat de klimaatverandering een steeds dreigender probleem vormt, is er veel nood aan energiebronnen waarbij er aanzienlijk minder broeikasgassen worden uitgestoten. Ook blijft de vraag naar energie steeds toenemen. En bij deze twee problemen kan kernenergie een deel van de oplossing vormen. Hiervoor zou men de technologie van een Integral Fast Reactor eens opnieuw moeten bekijken. Een Integral Fast Reactor (IFR) is een ontwerp voor een kernreactor waarbij er gebruik gemaakt wordt van 'fast neutrons' en er geen moderator nodig is. Fast neutrons zijn neutronen met een hoge energie-inhoud. Deze neutronen bewegen aan zeer hoge snelheden (14.000 km/s) en bevatten dus een hoge kinetische energie. In sommige reactoren wordt er gebruik gemaakt van een moderator. Deze moderator zorgt ervoor dat de snelle neutronen, die vrijgekomen zijn tijdens de splijting, dat deze zodanig worden afgeremd dat ze meer kans maken om deel te nemen aan de kettingreactie. Deze kettingreactie slaat op de specifieke reactie waarin neutronen die bij de kernsplijting van bepaalde zware atoomkernen zelf weer worden gebruikt om daarmee in andere kernen gestimuleerde kernsplijting tot stand te brengen. Met deze reactor kan men bijna alle energie uit het gebruikte uranium of thorium gaan gebruiken. En dus leidt dit tot een veel efficiënter gebruik van de brandstof. Maar ook kan het kernafval van andere kerncentrales gebruiken als brandstof. Ook kan men gebruik maken van kernwapens als brandstof voor deze reactoren. De radioactiviteit van het kernafval die men dan verkrijgt aan het einde van het proces van deze integral fast reactor neemt veel sneller af dan bij dat van de huidige kerncentrales. Dit wil zeggen dat het een paar 100 jaar duurt voordat het laag niveau van radioactiviteit aanneemt in plaats van een paar 1000 jaar.

Bij de conventionele lichtwaterreactor is de druk in de kern van de reactor enorm hoog, dit om het water bij deze hoge temperaturen in vloeibare toestand te behouden. Maar in de integral fast reactor is de druk in de kern van de reactor even groot als de atmosfeer druk. Dit zorgt voor een veel veiligere situatie want de werking van het koelsysteem is, door de lage druk, veel eenvoudiger dan wanneer de druk groot is. En zo is het risico dat er een accident gebeurt door een probleem met de koeling van de reactor veel kleiner. Het koelsysteem bij een IFR maakt gebruik van 'koellussen' waarvan de werking berust op natuurlijke convectie in plaats van gedwongen convectie. Convectie staat voor de warmteoverdracht tussen een oppervlak en een fluïdum, dit via warmte mee getransporteerd met het bewegende fluïdum. Bij gedwongen convectie beweegt het fluïdum door een externe bron, bijvoorbeeld een pomp of een ventilator. Bij natuurlijke convectie beweegt het fluïdum zonder externe bron maar door het dalen van de massadichtheid van het fluïdum wanneer het opwarmt. Dit verschijnsel treedt bijvoorbeeld op bij een radiator of in een kookpot. Het voordeel van natuurlijke convectie bij het koelsysteem van een kernreactor is dat wanneer bijvoorbeeld de stroom uitvalt door een defect, het koelend vermogen niet afneemt. Indien het koelend vermogen niet afneemt dan blijft er een relatief groot temperatuurverschil tussen de koude en de warme zijde van het koelsysteem. Dit temperatuurverschil zorgt dus ook voor relatief groot verschil in massadichtheid van de koelvloeistof. Dit verschil in massadichtheid zorgt dan voor voldoende circulatie van de koelvloeistof in het koelsysteem en zorgt er dus voor dat de reactor steeds voldoende gekoeld wordt.

De reactor van een IFR heeft ook een aantal eigenschappen die fungeren als passieve veiligheid. De brandstof en de cladding zijn speciaal hiervoor ontworpen. De cladding is de buitenste laag op de splijtstofstaven, deze zitten dus tussen de brandstof en de koelvloeistof. De splijtstofstaven en de cladding zijn zo gemaakt dat wanneer de temperatuur drastisch toeneemt, dat deze sterk zullen uitzetten. En wanneer deze uitzetten zorgt dit ervoor dat meer neutronen uit de splijtstofstaven kunnen ontsnappen en dus zal de kettingreactie, waarbij de energie vrijkomt, in mindere mate gaan optreden. En dus in andere woorden, zorgt een toename van de temperatuur van de splijtstofstaven ervoor dat het vermogen van deze staven gaat afnemen. In het koelsysteem van een IFR wordt er gebruik gemaakt van vloeibaar natrium. Maar dit zorgt weer voor een aantal veiligheidsproblemen doordat vloeibaar natrium moeilijk handelbaar is. Namelijk wanneer het in contact met lucht dan begint het spontaan te ontbranden en wanneer het in contact komt met water dat vindt er een explosie plaats. Er is dus een groot ontploffingsgevaar wanneer er een waterlek is bij de stoomturbines. Daarom is een IFR ontworpen met een tussenliggende vloeibare metaal koelvloeistof lus tussen de reactor en de stoomturbine. Dit zodat er geen contact mogelijk is tussen het vloeibaar natrium en het water.

De kostprijs van een kerncentrale met een integral fast reactor die gekoeld wordt met vloeibaar natrium en een tussenliggende vloeibare metaal koelvloeistof lus bevat is natuurlijk hoger dan die van de conventionele kerncentrales. De totale kostprijs om zo'n centrale te bouwen zou ongeveer 20% à 30% hoger zijn dan de kostprijs van een conventionele kerncentrale met een lichtwaterreactor. Deze bedragen zijn in de grote orde van een aantal miljarden euro's. Dergelijke gigantische bedragen zijn moeilijk te verzamelen zonder steun van een overheid. En dan zeker wanneer er een nieuwe technologie voor het eerst gebruikt wordt. Dit zorgt voor een bepaalde onzekerheid en dit maakt het allemaal moeilijker om geld te verzamelen.

Critici van het concept, echter, zijn nog niet gewonnen voor deze technologie. Volgens hen is deze technologie gelijkaardig aan de oude maar is deze gewoon in een nieuwe jassen gestoken en wordt deze mooier voorgesteld. Ondanks al deze nieuwe factoren, blijven deze kernreactoren onveilig. Zij voorspellen dat hierdoor, en doordat de kostprijs van de centrale relatief duur is, IFR's geen deel zullen uitmaken van de energiemix in de toekomst. En een ander probleem die bepaalde mensen hebben met de technologie van IFR's, is dat het ervoor zou zorgen dat het eenvoudiger wordt om kernwapens te maken. Namelijk bij vroegere snelle reactoren werd er plutonium gescheiden van de andere radioactieve stoffen die zich bevinden in het kernafval. Plutonium is één van de ingrediënten in kernwapens.

Er is een duidelijk onenigheid tussen de voorstanders en de critici van deze technologie. Maar welke van de twee heeft het bij het juiste eind? Is het zo dat de critici ook gedreven worden door emotionele redenen en daardoor niet altijd objectief zijn? Of is het dat de voorstanders de drastische gevolgen van de risico's niet inzien? Het feit dat er nog geen kerncentrale gebouwd geweest is op commerciële schaal waarbij er gebruik gemaakt wordt van een integral fast reactor zorgt voor een heleboel onzekerheden. Er is wel al een experimentele reactor gebouwd maar er blijft steeds een verschil tussen een reactor op experimentele schaal en één op commerciële schaal. Dit creëert een heleboel onzekerheden. En de discussies tussen de voorstanders en de tegenstanders gaan ook veelal over de mogelijke uitkomsten van deze onzekerheden en de risico's ervan. Maar ergens moeten de risico's van het niet inzetten van deze technologie ook overwogen worden in de discussie. Want deze technologie kan een uitstekend alternatief zijn voor de bulk van de vraag naar energie en dus voor een groot deel dienen als vervanging voor fossiele brandstoffen zoals steenkool.

via [news.nationalgeographic]