Kernreactoren nu en straks

'Groter, veiliger en complexer'

Werking kernreactor en lichtwaterreactoren

Kernreactoren werken met kernsplijting, waarbij zware atoomkernen worden gesplitst in kleinere, lichtere atoomkernen. Hierbij komt warmte vrij waarmee je water kunt omzetten in stoom. Daarmee drijf je vervolgens een stoomturbine aan die elektriciteit produceert. De brandstof van de huidige reactoren is uranium. Bijna al het uranium dat van nature op aarde voorkomt, bestaat uit twee varianten, ofwel isotopen: ongeveer 0,7 procent is uranium-235 en 99,3 procent is uranium-238. Alleen uranium-235 is splijtbaar. Voor de meeste kernreactoren moet natuurlijk uranium verrijkt worden, zodat het 4 tot 5 procent uranium-235 bevat.

Uranium-235 splitst op in twee kleinere kernen als het een neutron, een ongeladen kerndeeltje, invangt. Hierbij komen nieuwe neutronen vrij die op hun beurt weer kernsplijting kunnen veroorzaken. Zo ontstaat er in de splijtstof in een reactorkern een gecontroleerde kettingreactie. Hierbij komt behoorlijk wat energie vrij. Eén gram uranium-235 geeft net zoveel energie als 2500 liter benzine of 3000 kilogram steenkool.

Uranium-235. Bron: Wikimedia, Stefan-Xp. CC-BY-SA-3.0

Een kerncentrale is een reactor waarin deze splijtingsreactie beheerst plaatsvindt, in combinatie met een stoomturbine. "Om een reactor te beheersen moeten er drie dingen onder controle gehouden worden", vertelt Van den Broek. "De koeling van de reactor, zodat hij niet oververhit raakt, de reactiviteit, zodat er niet te veel of te weinig splijtingsreacties plaatsvinden, en het radioactieve materiaal moet in de reactor gehouden worden." Er zijn verschillende ontwerpen mogelijk die hieraan voldoen. Die verschillen bijvoorbeeld in moderatormaterialen. Een moderator remt de te snelle neutronen die vrijkomen bij kernsplijting af. Dat is nodig omdat sommige neutronen anders te snel gaan om een nieuwe kernsplijting te kunnen veroorzaken. Moderatoren zijn bijvoorbeeld water en grafiet. Verder heb je een koelmiddel nodig. Dat kan water zijn, dat tegelijkertijd moderator is, maar gaskoeling met helium of CO₂ kan ook. Er bestaan ook reactoren met vloeibare metalen als koelmiddel en er zijn plannen voor reactoren met gesmolten zouten. Daarover verderop meer.

Lichtwaterreactoren

Wereldwijd zijn er nu ongeveer 450 kerncentrales in bedrijf. Op 1 januari 2019 produceerden die centrales samen 10,3 procent van de elektriciteit in de wereld. Dit zijn vooral lichtwaterreactoren die gewoon water gebruiken als koelmiddel en moderator. De naam 'licht water' geeft het onderscheid aan met de zwaarwaterreactoren die gebruikmaken van zwaar water, waarbij de waterstofatomen in de watermoleculen vervangen zijn door deuteriumatomen, een zwaardere variant van waterstof. Zwaarwaterreactoren kunnen draaien op niet-verrijkt uranium, maar worden tegenwoordig ook met lichtverrijkt uranium aangedreven. Je vindt ze bijvoorbeeld in Canada en Argentinië.

Het voordeel van waterreactoren is dat ze zelfremmend zijn. Als de temperatuur oploopt, dan zet het water uit, waardoor er minder moderatormateriaal is en de kernreacties dus uitdoven. Daardoor kunnen ze niet op hol slaan, zoals gebeurde bij de met grafiet gemodereerde en met water gekoelde kernreactor bij Tsjernobyl, die in 1986 bij een ongeval explodeerde.

Kerncentrale Borssele. Bron: Nucleair Nederland

De twee meest voorkomende reactoren zijn drukwaterreactoren, 70 procent, en kokendwaterreactoren, 16 procent. De eerste kernreactoren, die gebruikt werden voor de aandrijving van onderzeeboten in de jaren vijftig, waren drukwaterreactoren. En de kerncentrale bij Borssele is ook dit type. Deze reactoren werken met gewoon water onder hoge druk: 155 bar. Dit water wordt door het reactorvat gepompt. Hierdoor krijgt het een temperatuur van ongeveer 300 tot 330°C. Omdat dit onder hoge druk gebeurt, verdampt het water niet, maar blijft het vloeibaar. Vervolgens stroomt het naar de stoomgenerator, waar het in een warmtewisselaar terechtkomt. Daar verwarmt het water in een secundair circuit dat onder een lagere druk, 70 bar, staat en daarom wel gaat koken. Zo ontstaat er stoom die de stoomturbine aandrijft om elektriciteit te produceren.

Werking van een drukwaterreactor. Bron: Nuclear Regulatory Commission

Bij kokendwaterreactoren wordt het water onder minder hoge druk, 70 bar, gebracht en raakt het aan de kook in de reactorkern. De stoom die daarbij ontstaat gaat direct naar de stoomturbine toe. “Uit analyses blijkt dat druk- en kokendwaterreactoren even veilig zijn”, vertelt Jan Leen Kloosterman. Toch zijn drukwaterreactoren duidelijk populairder, mogelijk doordat ze wat compacter zijn. Omdat er bovenin het reactorvat stoom-waterscheiders zitten, heb je bij een kokendwaterreactor een groter reactorvat nodig om hetzelfde vermogen te kunnen leveren. Dat drukwaterreactoren gewilder zijn kan ook komen doordat er meer bedrijfservaring met drukwaterreactoren bestaat.

Werking van een kokendwaterreactor. Bron: Nuclear Regulatory Commission

• Volgende pagina 3. Grotere en flexibelere kerncentrales