Kernenergie neemt een vlucht (deel 2): ​​de voortdurende ontwikkeling van reactoren

Door Samuel Furfari en Ernest Mund.

Duik in het tweede deel van ‘Nuclear Power Takes Off‘, geschreven door Samuel Furfari, professor aan de Universiteit van Brussel, en Ernest Mund, emeritus buitengewoon hoogleraar aan de UCL.

Voortbouwend op de basis die is gelegd in het eerste deel, waarin de escalerende vraag naar elektrische energie werd benadrukt, ontvouwt dit volgende hoofdstuk het boeiende verhaal van de historische ontwikkeling van nucleaire technologie.

De huidige lock-in van kernenergie

Op 2 december 1942 voert een team van natuurkundigen onder leiding van Enrico Fermi van de Universiteit van Chicago de eerste neutronenkettingreactie uit in een met grafiet gemodereerde stapel genaamd CP-1. Deze kettingreactie is gebaseerd op de kernsplijting van uranium-235, een natuurkundig fenomeen dat vier jaar eerder in Duitsland werd ontdekt. Er ontstaat een nieuwe technologie waarbij fysieke processen extreem grote hoeveelheden thermische energie vrijgeven. Op dat moment was de topprioriteit voor de Verenigde Staten een snel einde van de Tweede Wereldoorlog. Het is duidelijk dat de nieuwe technologie veel militaire toepassingen heeft. Deze worden onmiddellijk ontwikkeld in het kader van het zogenaamde Manhattan Project dat in 1945 tot de vernietiging van Hiroshima en Nagasaki leidde. Na het einde van de Tweede Wereldoorlog ontstaat er een nieuwe dreiging die ook om militaire strategie vraagt: het Sovjet-imperialisme. Destijds beschouwden sommige hoge commandanten van de Amerikaanse marine de nucleaire voortstuwing van onderzeeërs als een belangrijk afschrikmiddel, waardoor langdurige verblijf onder water mogelijk werd. Soortgelijke vooruitzichten deden zich voor bij de Amerikaanse luchtmacht, hoewel het vanaf het begin moeilijker lijkt om ze te verwezenlijken. 

Natuurkundigen waren zich al vroeg bewust van de verscheidenheid aan mogelijke kettingreagerende systemen, afhankelijk van de keuze van de moderator (een licht element zoals waterstof, deuterium of koolstof voor het vertragen van hoogenergetische splijtingsneutronen) en koelmiddel (licht – of zwaar water, gasvormige of vloeibare metalen). De grafietgemodereerde CP-1-reactor bood een uitstekende neutronenbalans, maar grafiet leidt tot minder compacte faciliteiten dan watergemodereerde reactoren. Lichtwaterreactoren (LWR) hebben daarentegen een minder gunstige neutroneneconomie dan grafiet- of zwaarwaterreactoren (D₂ O). Maar omdat de reactorgrootte absoluut noodzakelijk was voor voortstuwingssystemen voor onderzeeërs, werd voor de Amerikaanse marine gekozen voor LWR (Weinberg, 1994). Omdat industriegiganten als Westinghouse en General Electric al snel bij het marineprogramma betrokken werden, zouden de commerciële energiereactoren die zouden volgen uiteraard tot dezelfde technologie behoren, waarbij licht verrijkt uranium in U ²³⁵ ≤5%) nodig zou zijn. Het Verenigd Koninkrijk en Frankrijk kozen aanvankelijk voor natuurlijk uranium (U_nat ) en grafiet, terwijl Canada voor zijn CANDU-lijn koos voor U_nat en zwaar water. In de loop van de tijd werden van de op U_nat gebaseerde varianten alleen CANDU-reactoren in stand gehouden, waarbij de Engelse en Franse grafietgemodereerde en gasgekoelde reactoren geleidelijk werden verdrongen door de suboptimale LWR’s, waardoor lock-in werd afgedwongen (Cowan, 1998). 

Shippingport, de eerste civiele PWR-reactor (Generation-II), werd in 1957 gelanceerd met een vermogen van 60 MWe. Vijf jaar later kwam BR3, de eerste PWR-installatie buiten de VS, gebouwd bij het SCK•CEN Mol in België. Shippingport was in veel opzichten een mijlpaal. In het bijzonder werd de mogelijkheid aangetoond om (1) U²³³ uit Th²³² te kweken met thermische neutronen. Hoewel de thermische neutronenveredeling niet werd uitgebuit, concentreerde R&D zich destijds hoofdzakelijk op de snelle neutronenveredeling. 

De eerste commerciële LWR-eenheden die begin jaren ’70 werden gebouwd, hadden een vermogen van ruim boven de 400 MWe om de investeringen te optimaliseren en de energiekosten te verlagen. Een basiskenmerk van de startende industrie – met duidelijke economische gevolgen – was dat geen twee energiecentrales precies hetzelfde waren. Deze praktijk is niet veranderd, hoewel er geleidelijk technische elementen worden ingevoerd die de LWR-concepten in de komende tien jaar kunnen veranderen.

Vooruitgang in de LWR-technologie aan de Oregon State University (OSU) Portland in de jaren ’90, met de ontwikkeling van zogenaamde integrale PWR’s, met hun stoomgeneratoren (SG) in hun drukvaten, waardoor het risico op ongelukken met verlies van koelvloeistof aanzienlijk werd verminderd (LOCA), zijn het begin geweest van een nieuw industrieel paradigma: in de fabriek gemaakte eenheden met een veel kleiner vermogen (∼75 MWe), het zogenaamde Small Modular Reactor (SMR)-concept. Figuur 6 illustreert het verschil tussen conventionele en SMR-ontwerpen van LWR’s. Let op de opname van de SG in het reactorvat met een verkort primair koelmiddelcircuit in het laatste ontwerp. NuScale, een nakomeling van het OSU nucleaire R&D-team, zal waarschijnlijk de eerste SMR-ontwerper zijn die vóór het einde van het decennium een ​​energiecentrale met zes energiemodules van 77 MWe installeert in het Idaho National Laboratory (INL). Andere lichtwater-SMR-systemen met geïntegreerde SG zullen binnenkort op de markt verschijnen in China (ACP100), Frankrijk (Nuward) en het Verenigd Koninkrijk. In het laatste geval is Rolls-Royce – beter bekend om zijn luxe auto’s – de architect-ingenieur van Britse kernonderzeeërs die een SMR met drukwater van 470 MWe ontwikkelt. In maart 2023 ondertekende het een intentieverklaring met de Poolse groep Industria om drie SMR’s in te zetten om de energie-infrastructuur van het bedrijf koolstofvrij te maken.

Het economische concurrentievermogen van SMR’s ten opzichte van grote reactoren is een belangrijk onderwerp. Het is de afgelopen tien jaar uitgebreid bestudeerd (Boarin et al., 2012) en er is nog steeds geen definitieve conclusie getrokken (Mignacca en Locatelli, 2020). De meeste auteurs zijn het erover eens dat het schaaleffect niet de enige factor is waarmee rekening moet worden gehouden. Co-siting-economieën, modulariteit en bouwtijd zijn eveneens zeer relevante parameters. Ten slotte bestaat er overeenstemming over de noodzaak van een analyse van de ontmantelingskosten van SMR-locaties, die moet worden vergeleken met de ontmantelingskosten van grote energiecentrales. Het buiten gebruik stellen van meerdere kleinere installaties kan goedkoper zijn, maar moet worden beoordeeld.

Vroege activiteiten in geavanceerde reactorsystemen

Toen de Amerikaanse marine de nucleaire voortstuwing van haar onderzeeërs goedkeurde, was de Amerikaanse luchtmacht op zoek naar nucleaire voortstuwing voor vliegtuigen (ANP). Omdat de waterreactoren niet in staat waren de temperatuurniveaus te leveren die nodig zijn voor de voortstuwing van vliegtuigen (∼750 °C), stelden natuurkundigen van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) een alternatief neutronenkettingreagerend systeem voor, gebaseerd op gesmolten zouten die voor hoge temperaturen zorgen.

Het eerste systeem dat bekend staat als ARE (Aircraft Reactor Experiment) werd in 1954 kritisch. Het werd gevolgd door MSRE (Molten Salt Reactor Experiment) in 1965, dat vier jaar lang in bedrijf was. Beide systemen waren zeer succesvol. De technologie verschilde fundamenteel van de originele van Fermi, met een vloeibare uraniumtetrafluoride-brandstof in plaats van een metallische uranium-brandstof. In die tijd waren Alvin Weinberg en Eugene Wigner gefascineerd door homogene nucleaire systemen, die gemakkelijk wiskundig te modelleren waren. Ze bevorderden de ontwikkeling van ORNL van twee systemen die gebruik maakten van een sterk verrijkte waterige oplossing van uraniumoxidesulfaat: het Homogene Reactor Experiment (HRE) en de Homogene Reactor Test (HRT). Deze vier succesvolle faciliteiten – ARE, MSRE, HRE, HRT – zijn misschien wel de belangrijkste van de 13 die bij ORNL zijn gebouwd, over het ontwerp van nucleaire systemen voor de toekomst, genaamd Generation-IV (Rosenthal, 2010).

Kernenergie van de toekomst 

In 2001 lanceerde het Amerikaanse ministerie van Energie (USDOE) een initiatief om nucleaire technologieën te identificeren die voldoen aan strenge veiligheids-, milieu-, economische en non-proliferatiecriteria voor de toekomstige productie van primaire energie. Er werd een studiegroep opgericht met de naam Generation-IV International Forum (GIF). Verschillende landen reageerden op de oproep (2) en identificeerden zes technologieën die aan deze vereisten voldeden: gasgekoelde snelle reactoren (GFR), natriumgekoelde snelle reactoren (SFR), superkritische waterreactoren (SCWR) reactoren op zeer hoge temperatuur (VHTR), loodgekoelde snelle reactoren (LFR) en gesmoltenzoutreactoren (MSR), schematisch weergegeven in figuur 7.

De gesmoltenzouttechnologie die in de jaren vijftig bij ORNL was getest in de ARE- en MSRE-experimenten werd door de GIF-experts beschouwd als een van de meest aantrekkelijke en veilige nucleaire technologieën om de volgende redenen:

• De afwezigheid van water in de reactorkern elimineert het risico van een verlies van koelmiddelongeval (LOCA), zoals het geval was bij het Three Mile Island-ongeval in 1979. Het elimineert ook het risico van waterstofexplosie als gevolg van zirkonium/waterreacties die kan voorkomen op blootgestelde bekleding van brandstofstaven bij hoge temperaturen (een gebeurtenis die plaatsvond in Fukushima); 
• De afwezigheid van natrium elimineert het risico van zeer exotherme chemische reacties; 
• Ook een druk dichtbij de atmosferische druk, de vloeibare toestand van de brandstof en gunstige neutroneneigenschappen (sterk negatieve temperatuurreactiviteitscoëfficiënt) dragen bij aan de veiligheid; 
• Het feit dat de brandstof voor MSR’s bij bedrijfstemperaturen (∼700 °C) zich in de vloeibare fase bevindt, maakt het gemakkelijker om verse brandstof toe te voeren dan in systemen met vaste brandstof. Hoewel dit een delicate operatie is, is een regelmatige aanvoer mogelijk, wat bij vastebrandstofsystemen niet het geval is. Er is daarom geen behoefte aan een reactiviteitsreserve voor de lange termijn, die het risico van een Tsjernobyl-achtig ongeval elimineert;
• De samenstelling van het gesmolten zout is zodanig dat de vloeibare toestand tot 1.400 °C kan worden gehandhaafd, ruim boven de bedrijfswaarden. Als om welke reden dan ook de temperatuur van het zout daalt tot onder 459 ° C, de smelttemperatuur van het lithiumberylliumfluoride (LBF) waaruit het is samengesteld, vindt stolling plaats met massabehoud van de niet-vluchtige splijtingsproducten.

Deze zijn allemaal in detail beschreven in de eerste Generation-IV-technologieroadmap (US DOE NERAC, 2002).

De verminderde ongevalsrisico’s van MSR hebben een positieve impact op de reactoreconomie, door de behoefte aan actieve systemen om de veiligheid van de installaties te garanderen, zoals die welke in de huidige LWR-centrales worden gebruikt, te verminderen.

Tenslotte het ultieme belang: installaties voor gesmolten zout met snelle neutronenspectra zouden de weg openen naar een vermindering van de nucleaire ‘verplichtingen’ van de huidige reactoren (plutonium en kleine actiniden met zeer lange halfwaardetijden) die in laatstgenoemde onbeheersbaar zijn. Het inbrengen van deze verbruikte splijtstof als brandstofbron in deze SRM’s zou tegelijkertijd de resterende energie-inhoud ervan exploiteren en een zeer problematische ecologische aanwezigheid van radio-isotopen met enkele honderdduizenden halfwaardetijden elimineren.

De conclusies van de Generation-IV Roadmap zorgden over de hele wereld voor een heropleving van de belangstelling voor technologie, die begin jaren tachtig in een lethargie was beland. Veel huidige MSR R&D-projecten zouden binnen de komende 15 tot 20 jaar tot prototypes moeten leiden (Furfari en Mund, 2022, IAEA 2020). Figuur 8 toont enkele van de meest geavanceerde in verschillende landen. 

Er moet aandacht worden besteed aan de projecten Moltex, Elysium, TerraPower en Mosart. Dit zijn vier snelle reactorprojecten die specifiek zijn ontworpen om niet alleen conventionele hulpbronnen te exploiteren (²³⁵ U en ²³⁹Pu geproduceerd uit de conversie van ²³⁸ U), maar ook de bestaande voorraad verbruikte splijtstof uit de huidige LWR- en CANDU-reactoren met een aanzienlijk bereik aan actinidekernen. Terwijl ze dit doen, transformeren ze een vanuit milieuoogpunt niet-duurzame erfdienstbaarheid – voor de meest fervente tegenstanders van kernenergie – in een energiebron die kan worden gebruikt totdat alle aanwezige splijtbare kernen zijn uitgeput. TMSR is, zoals de naam al aangeeft, gericht op de exploitatie van de thoriumbrandstofcyclus, een belangrijke minerale rijkdom in China. TMSR is de enige faciliteit die is ontwikkeld met twee verschillende opties: een versie met gesmolten zoute brandstof of een versie met vaste brandstof die gebruik maakt van kiezelstenen met TRISO-deeltjes (Dalin Zhang et al., 2018).

De meeste installaties vallen in de categorie SMR, met elektriciteitseenheden van minder dan of gelijk aan 300 MWe. Afhankelijk van de beoogde toepassingen kunnen de vermogenseenheden zo laag zijn als 45 MWe. Dit is het geval voor exemplaren van Terrapower’s MCFR die is geselecteerd door Core Power, een Brits maritiem bedrijf om de voortstuwing op zee koolstofvrij te maken (Furfari en Mund, 2022). 

Toekomstige MSR-systemen zullen naast Generatie II en Generatie III LWR’s bestaan ​​met een vermogen groter dan 1,6 GWe. Hun splijtstofcycli zullen synergetisch zijn, zoals blijkt uit figuur 9. In principe zal alles afhangen van de uraniumwinning, maar MSR’s met snelle neutronenspectra zullen de kleine actiniden die in LWR’s worden gegenereerd elimineren en de voorraad kernafval met een lange levensduur verkleinen. Alle faciliteiten zullen elektriciteit leveren, maar daarnaast zal MSR ook warmte op hoge temperatuur leveren voor industrieel gebruik (stadsverwarming, waterontzilting) en eindenergie voor de voortstuwing van schepen.   

Industriële warmteproductie is van het grootste belang, zoals uiteengezet in (Furfari en Mund, 2020). In het huidige energiebeleid wordt het gebruik van warmte te vaak verwaarloosd. De crisis van 2022 in Duitsland heeft deze fundamentele behoefte aan ‘eindenergie’ benadrukt, die de chemische industrie hard nodig heeft. Vierennegentig procent van het aardgas dat in Duitsland wordt gebruikt, wordt voor thermische doeleinden gebruikt. 

De MSR-warmte kan ook een energiebron worden voor de thermische ontleding van water en waterstofproductie. Een Green Deal-vereiste van het EU-beleid voor versnelde waterstofproductie uit variabele en intermitterende hernieuwbare energiebronnen zou deze waterstofproductie kunnen blokkeren, ondanks de hieronder getoonde economische en ecologische nadelen. 

Einde van deel 2/3

***

Lees deel één: Kernenergie komt van de grond (Deel 1): voldoen aan de groei van de mondiale vraag naar elektriciteit

Lees deel drie: Kernenergie komt van de grond (Deel 3): Terug naar Euratom?

(1) Dat wil zeggen splijtbare kernen produceren die groter zijn dan het kernverbruik dat gepaard gaat met de energieproductie. 

(2) Argentinië, Brazilië, Canada, Frankrijk, Japan, Zuid-Korea, Zuid-Afrika, het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten, later vergezeld door Zwitserland, de EU, China, Rusland en Australië

(3) De acroniemen luiden als volgt: SSR-W ( Stable Salt Reactor Wasteburner ), MCSFR ( Molen Chloride Salt Fast Reactor ), MCFR ( Molen Chloride Fast Reactor ), CMSR ( Compact Molten Salt Reactor ) en IMSR ( Integratal Molten Salt Reactor ). ), TMSR ( Thorium gesmolten zoutreactor ).

Referenties 

Boarin S., Locatelli G., Mancini M, & Ricotti ME (2012). Financiële casestudies over kleine en middelgrote modulaire reactoren. Nucleaire technologie, deel 178, 218–232.

Cowan R. (1990). Kernenergiereactoren: een onderzoek naar technologische lock-in . The Journal of Economic History, deel 50, 541–567. 

Dalin Zhang en al. (2018). Overzicht van conceptueel ontwerp en fundamenteel onderzoek van gesmoltenzoutreactoren in China . Int J Energie Res. 2018; 42:1834-1848,

Furfari S., & Mund E. (2020), Hernieuwbare energie in de EU: van perceptie naar realiteit , Energy Literacy, 27-11-2020,  https://www.connaissancedesenergies.org/tribune-actualite-energies/energies- renouvelables-dans-lue-de-la-perception-aux-realites .

Furfari S., & Mund E. (2022). Geavanceerde kernenergie voor schone maritieme voortstuwing , Eur. Fys. J.Plus 137:747.

Mignacca B., & Locatelli G. (2020). Economie en financiën van kleine modulaire reactoren: een systematische review en onderzoeksagenda. Hernieuwbare en duurzame energiebeoordelingen 118.

Rosenthal, MW (2010). Een verslag van de dertien kernreactoren van het Oak Ridge National Laboratory . ORNL/TM-2009/181.

Weinberg AM (1994). Het eerste nucleaire tijdperk: het leven en de tijden van een technologische fixer. Springer New York.

US DOE NERAC. (2002) Een technologische routekaart voor kernenergiesystemen van generatie IV https://www.gen-4.org/gif/upload/docs/application/pdf/2014-03/gif-tru2014.pdf .

Par Argonne National Laboratory – oorspronkelijk op Flickr geplaatst als Advanced Test Reactor core, Idaho National Laboratory Geüpload met F2ComButton, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27024528