Kernenergie staat algemeen bekend als gevaarlijk, eng en een ramp voor het milieu. Dit maakt een kerncentrale de ideale mensenverschrikker. De beste uitvinding ooit om de natuur te beschermen.
Schitterende natuur rond Tsjernobyl
In 1982 ontplofte de Sovjet kerncentrale in het dorpje Tsjernobyl (Oekraïne). Vlak bij de, inmiddels, spookstad Pripyat. Een verouderd ontwerp, samen met een grote lust naar avontuur van de technici leidde tot een meltdown van deze oude reactor. Dit liep uit op een reusachtig drama, waardoor radioactieve neerslag een groot deel van Europa besmette. Zo kwamen er tientallen schoonmakers op een ellendige manier om, door kanker en andere stralingsgerelateerde ziekten. Met de toenmalige westerse ontwerpen, en zeker met de sterk verbeterde ontwerpen van nu, was deze ramp niet mogelijk geweest. Toch kunnen we concluderen dat “Tsjernobyl” voor de natuur als geheel een grote weldaad is geweest. Maar liefst 2800 vierkante kilometer is nu een prachtig natuurgebied, waar maar weinig mensen komen.
Kerncentrale als mensenverschrikker. Een zwarte beer geniet volop van de rust in het prachtige Tsjernobyl-natuurreservaat. Bron/copyright: S. P. Gatsjak, chornobyl.in.ua
Kerncentrale als ultieme mensenverschrikker
Op dit moment teisteren vastgoedbazen natuurgebieden als de Hoge Veluwe. In hoog tempo verstenen campings en is er een onbeheersbare uitbraak van steeds luxere vakantiewoningen. Gemeentes willen ze stoppen, maar met eindeloze bezwaarprocedures, ondersteund door topjuristen, krijgen de projectontwikkelaars keer op keer hun zin.
Maar wat, als er een mooie, sfeervolle kerncentrale midden in de prachtige natuur staat? Het liefst eentje, die af en toe wat pufjes enge radioactiviteit los laat als de projectontwikkelaars te vervelend worden. Uiteraard belicht je dit uitgebreid in de kranten en op teevee, het liefst met een snotterende Bewogen Bekende Nederlander. En, natuurlijk, de schadelijke gevolgen van radioactiviteit voor de seksuele potentie en de kwaliteit van de huid. En zie daar. Illegale paddestoelenpluk is opeens geen probleem meer. Want, paddenstoelen hopen radioactieve stoffen op. Poeliers geef je een geigerteller cadeau, zodat ze elk aangeboden stuk wild kunnen onderzoeken op radioactiviteit. Dat vernietigt ook de markt voor stropers.
Je begrijpt, dat niemand een vakantiehuisje meer wil hebben in de buurt van dat enge ding. Projectontwikkelaars raken hun luxe smaakvolle bosvilla’s voor heren van stand met gouden Rolexen aan de straatstenen niet meer kwijt. Daar kunnen dan de bedreigde dassen en bevers wonen, sfeervol omringd door fluitende winterkoninkjes en fladderende, met uitsterven bedreigde vlinders.
Stel je voor, een kernreactor zo groot als een elektriciteitshuisje. Ze bestaan al in bijvoorbeeld atoomonderzeeërs. Kan de massaproductie van dergelijke kleine kerncentrales onze energieproblemen oplossen?
Small Modular Reactors. Are they now unavoidable?
Op dit moment is de kleinste werkende reactor de Russische EGP-6 licht water-grafietreactor met per eenheid een vermogen van 12 megawatt. Vier van deze eenheden, die in 1974 in gebruik werden genomen, waren voldoende voor een middelgroot dorp, zoals de Russische poolnederzetting Pevek (4000 inwoners). Het ontwerp van de EGP-6 voldoet niet meer aan de huidige, zeer strenge, veiligheidseisen, maar overal ter wereld wordt gewerkt aan alternatieve compacte kernreactoren. Deze zijn zowel nuttig hier op aarde, als in ruimtekolonies op grote afstand van de zon. De enige nieuwe operationele microkernreactoren zijn eveneens Russisch: de RITM-200 en de KLT-40 scheepsreactoren.
Kernenergie werkt altijd en is hiermee betrouwbaarder dan hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind. Alleen waterkracht en geothermische energie komen in de buurt. Is kleinschalige kernenergie de oplossing voor onze energieproblemen?
De RITM-200 reactor is (met de eveneens Russische KLT-40) één van de enige twee typen microkernreactoren in serieproductie. Bron: Rosatom.ru
Steeds meer hoopvolle berichten van kernfusieonderzoekers doen vermoeden dat er nu echt iets aan de hand is. Het laatste persbericht, deze keer van de Amerikaanse vliegtuiggigant Lockheed Martin, belooft ongeveer vijf jaar na 2014 een werkend prototype van een compacte fusiecentrale. Komt er dan eindelijk overvloedige en goedkope fusie-energie?
Vorige week beschreven we een compacte fusiecentrale, zoals die wordt ontwikkeld door de universiteit van Washington. Erg veel details over het prototype verstrekten beide onderzoekers niet. De medewerkers van onderzoekslab Skunkworks van Lockheed Martin zijn mededeelzamer. Ook hun systeem belooft een veel compacter alternatief voor de monsterachtige tokamaks, donuts van zeer krachtige magneten die het plasma (extreem heet mengsel van elektronen en atoomkernen) van miljoenen graden heet ingevangen houden.
Werking van de High Beta Fusion Reactor
De HBFR Diagram van de Compact Fusion Reactor van Lockheed Martin. Bron: Lockheed Martin.
Twee injectoren blazen fusiebrandstof in het plasma. Krachtige supergeleidende magneten in de vorm van twee ringen houden het plasma gevangen, waardoor, uiteindelijk, voldoende botsingen plaatsvinden om netto positieve energie op te leveren. De ingevangen neutronen reageren met het lithium om verse tritium op te leveren.
Lockheed Martin: Compact Fusion Research & Development
Elektriciteitscentrale op een vrachtwagen
In het 100 megawatt systeem van Lockheed Martin, dat op een vrachtwagen zou passen en een stad van 50.000 inwoners op westers welvaartspeil van elektriciteit kan voorzien, wordt het plasma gevangen gehouden door een magnetisch veld, dat sterker wordt naarmate de deeltjes verder van de reactorkern af raken. Deze magnetische fles wordt omgeven door een mantel van het zeer lichte metaal lithium, dat dient om waterstof-3 kernen (tritium) te kweken. Dit tritium fuseert met waterstof-2 kernen (deuterium; afkomstig uit zeewater) en levert helium-4 en een neutron, dat met het lithium-6 uit de reactormantel reageert: 6Li + n -> 3H + 4He en zo weer tritium levert.
Hoge bèta
De ‘bèta’ van dit systeem, een high bèta fusion reactor, ligt rond de 1, waar die van ITER twintigmaal zo laag ligt. Met bèta wordt de verhouding weergegeven tussen de magnetische druk en de plasmadruk. Hoe hoger de bèta, hoe minder plasma weglekt. Dit betekent dat er veel minder plasma weglekt uit de Lockheed-reactor, waardoor deze veel compacter en dus ook goedkoper kan zijn dan een traditionele tokamak zoals die van ITER. Een compacte reactor heeft veel oppervlak in verhouding tot de inhoud, waardoor er meer plasma weglekt: de reden waarom reactoren met een lage bèta monsterachtig groot moeten zijn.
Charles Chase on energy for everyone
Relatie met eerdere fusiereactor
Het is opmerkelijk dat Lockheed Martin een week na de presentatie van de UW-reactor met deze mededeling komt. Vermoedelijk voelt Lockheed Martin de hete adem in de nek van de concullega’s aan de Pacifische kust, die binnen de wetenschappelijke gemeenschap de nodige aandacht kregen en zo mogelijk kapitaalkrachtige investeerders kunnen binnenslepen. Op zich kunnen we denk ik alleen maar blij zijn met deze ontwikkeling. Nu er twee, met de Z-pinch meegerekend drie, kansrijke paarden in de race zijn naar commercieel levensvatbare kernfusie, komt goedkope energie ook voor weinig zonnige gebieden zoals Nederland en België binnen bereik. Voor dictatoriale regimes van landen die voornamelijk leven van de verkoop van fossiele brandstoffen, zoals Rusland en de oliestaten, is dit uiteraard een stuk minder prettig nieuws. Voor hun bevolking dan weer meer: zij worden dan de voornaamste belastingbetalers, dus kan hun overheid ze maar beter te vriend houden.
Lockheed Martin doet specifiek onderzoek naar compacte reactoren, omdat ze zeer interessant zijn in de core business van Lockheed: luchtvaart en ruimtevaart. Compact en met zeer veel vermogen, maken ze de nuttige lading van ruimtevaartuigen veel groter (nu is tot 97% van de startmassa van een ruimteschip nodig om de raket te lanceren) en stellen ze vliegtuigen in staat om desnoods jarenlang in de lucht te blijven zonder bij te tanken. Dit geldt ook voor schepen.
Bill Gates, ooit de rijkste man op aarde door zijn gevreesde softwareimperium Microsoft, houdt zich tegenwoordig vooral bezig met filantropie. Het grootste wereldprobleem is volgens Gates energietekort. Fossiele brandstoffen worden schaars, lijden nu al tot milieuvervuiling en steeds stijgende CO2-gehaltes in de atmosfeer. Zonne-energie ziet hij als onvoldoende betrouwbaar: alle batterijen op aarde kunnen slechts tien minuten van alle op aarde geproduceerde elektriciteit opslaan. In plaats daarvan heeft hij een nieuwe manier gevonden om het progressieve deel van de bevolking op de kast te krijgen: kernenergie. En wel de experimentele fast-breeder reactor zoals die door zijn pet project Terrapower wordt ontwikkeld.
Innovating to zero! | Bill Gates
Voor Nederland is dit van buitengewoon belang. Ons aardgas raakt snel op en zonne-energie is op onze breedtegraad nog niet erg praktisch.
Het is kinderspel om zelf een kernreactor te maken. Als je maar aan de benodigde materialen kan komen. Gelukkig zijn er de nodige manieren. In de wijzers van opwindbare wekkers zit radium, in combinatie met aluminiumfolie een niet onaardige neutronenbron. Thorium kan je vinden in gloeikousen van ouderwetse gaslampen en als de Amerikanen vlak bij je in de buurt oorlogje hebben gespeeld, val je helemaal in de prijzen, want dan is het een fluitje van een cent om aan verarmd uranium te komen. Met wat neutronen kan je dan zelfs plutonium maken.
How to make a nuclear reactor at home
David Hahn, na enkele jaren illegaal experimenteren met radioactief materiaal.
Overbodig te zeggen dat alhoewel kleinschalige experimenten weinig kwaad kunnen, hoge niveau’s radioactiviteit de nodige narigheid kunnen veroorzaken. Zo was er een zekere David Hahn die er werkelijk alles aan deed om een mini-kerncentrale te bouwen om zijn moeders energierekening wat te drukken. Hij sloopte honderden rookmelders uit elkaar om aan radioactief americium-241 te komen en hoopte in het schuurtje van zijn moeder uiteindelijk een kweekreactor voor uranium en thorium te bouwen.
Hierin slaagde hij niet, maar hij bereikte in dit schuurtje wel niveaus radioactiviteit die duizend maal boven de achtergrondstraling lagen. Het schuurtje eindigde als radioactief afval in Utah volgens de Amerikaanse kernenergiewet en Hahn zette koppig zijn nucleaire project voort. Dat had hij beter niet kunnen doen, zie foto….
Radioactive Boy Scout - How Teen David Hahn Built a Nuclear Reactor
‘Peak uranium’ nadert snel en al zullen kernenergiehaters daar niet rouwig om zijn, het tijdstip waarop alle makkelijk winbare uranium op is, is al over enkele tientallen jaren. Toch gloort er nu hoop voor de kernindustrie. Als het tenminste niet al te laat is…
Uranium is machtig mooi speelgoed. Als we er verstandig mee omspringen tenminste.
Oceaan als uraniummijn
Zeewater bevat ongeveer 3,5 procent zout, maar ook een kleine hoeveelheid zware metalen. Miljarden jaren van erosie spoelden minuscule hoeveelheden van deze metalen in de zee en terwijl water verdampt, blijven deze zware metalen achter in zee. Elke kubieke kilometer zeewater bevat bijvoorbeeld 11 gram goud. Er zit veel meer uranium in zeewater: diezelfde kubieke kilometer bevat 3,3 kg van het radioactieve metaal. Alle zeewater op aarde bevat samen 4,5 miljard ton, voldoende uranium om de bestaande kerncentrales rond de 6500 jaar van brandstof te voorzien. Daar kan je twee nullen achterzetten als het uranium in kweekreactoren wordt opgestookt.
Effectievere methode
Helaas (of gelukkig) was het tot nu toe nogal lastig om uranium uit zeewater te winnen. Weliswaar bestaan er bepaalde materialen waaraan uraniumionen zich bij voorkeur hechten, maar deze gebruiken bleek te duur, lees: te energieintensief.
Een groep Amerikanen haalde Japans onderzoek van tien jaar geleden van de archiefplank.
Het Japanse proces bleek te weinig effectief. De Amerikanen hebben de methode verbeterd door het materiaal tot nanodraden te versnipperen. Het materiaal blijkt hierdoor veel effectiever uraniumionen te vangen. De kostprijs halveert hierdoor en ligt nu rond de 660 dollar voor een kilo uranium. Ter vergelijking: dat is nog steeds vijf keer de prijs die uraniumproducenten nu krijgen.
Ontdekking komt waarschijnlijk te laat
De prijs van zonnepanelen is nu snel aan het dalen. Voor particulieren (die immers extra heffingen betalen), woestijnlanden en eilanden als Hawaii is zon nu al goedkoper dan netstroom. Het ligt niet echt voor de hand om dure en risicovolle kerncentrales te bouwen, als er nu al een voordelig en milieuvriendelijk alternatief ligt. Hooguit kunnen bestaande kerncentrales nog een paar jaar langer doordraaien. Dan kunnen de elektriciteitsmaatschappijen extra verdienen. Zeg maar het Fukushima idee.
Behalve als handig contragewicht (het is twee keer zo dicht als lood), buurlanden de stuipen op het lijf jagen met kernwapens of materiaal voor pantsers kan je verder niet erg veel met uranium. De radioactiviteit maakt het onhandelbaar voor de meeste toepassingen.
Ruimtevaartuigen
Met één uitzondering. Uranium vormt een ideale brandstof voor ruimtevaartuigen omdat het extreem energiedicht is. Door één kilo uranium te splijten komt evenveel energie vrij als bij de verbranding van miljoenen kilo’s chemische raketbrandstof. Om die reden zou het ook interessant kunnen zijn voor straalvliegtuigen. Een compacte kerncentrale aan boord van een vliegtuig zou een brandstoftank kunnen vervangen en de instromende lucht kunnen verhitten.
En af en toe moet je dan ook een vliegveld voor tientallen jaren ontruimen als er weer eens eentje ploft. Zo creëer je werkgelegenheid voor de bouwindustrie en natuurreservaten midden in stedelijk gebied. Welke stadsbewoner word er nou niet blij van wat vertederende gemuteerde reuzeninsekten in de tuin?
Kernenergie, maar dan slim. Zo zou je de traveling wave nuclear reactor van TerraPower kunnen samenvatten. In deze reactor wordt uit uranium veel meer energie opgewekt. Sterker nog: kernafval van andere centrales kan verwerkt worden. Te mooi om waar te zijn? Niet volgens Bill Gates, die flink investeert in deze veelbelovende technologie.
Dwarsdoorsnede van de reactor.
Kernenergie anno nu: vervuilend en verspillend
Een gemiddelde kernreactor gebruikt misschien een procent of twee à drie van het uranium dat als kernbrandstof wordt gebruikt. Zonde, om meerdere redenen. De splijtbare vorm van uranium, U-235, maakt maar 0,7% van alle uranium uit. Natuurlijk uranium moet dus door een energievretend, ingewikkeld verrijkingsproces opgewerkt worden. Een tweede nadeel is dat uranium, als het eenmaal sterk verrijkt is tot vele tientallen procenten U-235, ook tot atoombom is om te bouwen. Een verrijkingsfabriek gaat namelijk probleemloos door met verrijken, ook bij hoge percentages. Een onaangenaam vooruitzicht als die fabriek in handen is van een gewetenloze dictator.
Een derde nadeel is dat er heel veel radioactief afval wordt geproduceerd. De niet-opgestookte rest van de brandstof blijft namelijk nog honderdduizenden jaren hoog-radioactief.
Kortom: wat we zoeken is een techniek waarmee je vrijwel alle uranium kan opstoken, zodat er zo min mogelijk overblijft. Zo kan je uit een kilo uranium veel meer energie halen en zijn onze energieproblemen voor de eerstkomende paar miljoen jaar verleden tijd.
Oplossing gevonden voor het centrale probleem wat betreft kernenergie?
Het Californische bedrijfje TerraPower lijkt precies dat gevonden te hebben. Hun product is overtuigend genoeg om zelfs Bill Gates over te halen grootaandeelhouder te worden. Samengevat komt het proces er op neer, dat een lange staaf verarmd uranium (uranium dat bijna geheel uit U-238 bestaat dus) aan één kant wordt ‘aangestoken’ met een kleine lading uranium-235 rijke brandstof. De neutronen die hierbij vrijkomen, veranderen uranium-238 in twee tussenstappen in plutonium-239, dat net als uranium-235 kan splijten. Dit effect is bekend. Nieuw is dat een methode is ontwikkeld om deze reactie zeer langzaam van de ene kant van de staaf naar de andere kant te laten kruipen. In een jaar of vijftig is de staaf opgebrand. Al die tijd levert de reactie energie zonder dat de brandstofstaven vervangen hoeven te worden.
Het concept is ontwikkeld in Rusland (toen: de Sovjetunie) in de jaren vijftig. Na Russische, Amerikaanse, Nederlandse en Oekraïense feasability studies is het bedrijf nu aan het werk met het ontwikkelen van een prototype. De eerste reactors moeten voor 2020 Ã 2025 in bedrijf zijn. In de video wordt het concept uitgelegd.
Enorme voorraden verarmd uranium
Alleen al in de VS is er 700 000 ton verarmd uranium opgeslagen. Op dit moment wordt dat voornamelijk misbruikt voor militaire doeleinden. De gevolgen – uraniumvergiftiging en verhoogde kankervorming bij de Iraakse burgerbevolking – zijn ernstig. Volgens berekeningen van TerraPower[2] is acht ton verarmd uranium voldoende om 25 miljard kilowattuur op te wekken, meer dan heel Nederland in een jaar aan stroom gebruikt. Een snelle berekening leert dat met alle 700 000 ton verarmd uranium uit alleen al de Amerikaanse voorraden, de totale energiebehoefte van de wereld voor bijna twintig jaar te dekken is, met de voorraden uit de rest van de wereld meegerekend ongeveer veertig jaar. Niet gek voor afvalmateriaal. Wat de door schulden geplaagde Amerikanen ook zeer zal aanspreken: de totale waarde van de elektriciteit die met het Amerikaanse afvaluranium is op te wekken is zes keer zo hoog als de waarde van de Amerikaanse overheidsschuld.
Het plaatje wordt helemaal zonnig als ook het uranium in zeewater meegerekend wordt: 4,3 miljard ton, equivalent aan meer dan 200 000 jaar wereldenergieverbruik. De thoriumvoorraad en uraniumvoorraden op het land, een veelvoud, zijn dan nog niet meegerekend.
In deze verarmd-uranium granaat zit evenveel kernenergie als in duizenden vaten olie. Toch wordt dit gebruikt om oliebronnen mee te veroveren. Hoezo dom?
We staan op een tweesprong wat betreft kernenergie. Kerncentrales blijken ook kwetsbaar voor aardbevingen, overstromingen en stroomuitval. Hoe gaan we daarmee om? We hebben een paar opties, met bijbehorende voor- en nadelen:
1. We gaan gewoon op dezelfde weg door. We blijven dezelfde kerncentrales bouwen. Dat wordt heel moeilijk want de omwonenden zijn geschrokken van Fukushima en eisen meer veiligheid en meer voorzorgsmaatregelen.
2. We gaan betere, superveilige kerncentrales bouwen, die nog beter bestand zijn tegen natuurrampen. Die centrales worden veel duurder. Het zal veel langer duren voordat de hoge kosten zijn terugverdiend. En het wordt nooit helemaal veilig: dat vormt een politiek probleem. Deze aanpak lost de problemen van de huidige centrales niet op.
3. We sluiten de oude, kwetsbare centrales. Het probleem is dat de stroom die nu nog in die centrales wordt opgewekt, gebruikt wordt. De oude kerncentrales, die nu in Duitsland zijn stilgelegd, zijn misschien niet essentieel voor de Duitse energievoorziening, maar ze maken deel uit van een groot internationaal netwerk, waarin elektriciteit wordt verhandeld. Een importeur van elektriciteit (Italië bijv.) kan nu moeilijker voldoende energie vinden. Als Rusland oude, onveilige kerncentrales vervangt door gasgestookte centrales, dan komt de export van aardgas naar Europa in de knel. Groot-Brittannië kampt al met een tekort aan aardgas: sluiten van de oude kerncentrales kan leiden tot elektriciteits-tekorten en stroomuitval.
4. Stoppen met de bouw van nieuwe kerncentrales en sluiten van oude onveilige centrales. Er zijn nu te weinig betrouwbare alternatieven. Slechts enkele landen kunnen zich deze veilige oplossing veroorloven.
Overige opmerkingen: De uitgewerkte radioactieve splijtstof moeten worden opgeslagen in koelbassins, die ook veilig blijven bij aardbevingen en burgeroorlogen.
Een combinatie van optie 2 en 3 lijkt de aangewezen weg. Maar de gevolgen voor de elektriciteitsvoorziening zijn groot.
Met de nieuwe kernongelukken in het reactorcomplex Fukushima I als gevolg van de aardbeving en tsunami laait de discussie tussen voor- en tegenstanders van kernenergie weer op. Tegenstanders zeggen dat de gevaren en kosten van kernenergie niet opwegen tegen de voordelen. Klopt dit? De voordelen van kernenergie Kernenergie kent een aantal aanzienlijke voordelen. Er hoeven geen dure olie of kolen te worden geïmporteerd. De hoeveelheid energie die vrij komt is enorm: in theorie per kilo uranium 22 miljoen kilowattuur, meer dan in honderd ton steenkool of zeshonderd vaten aardolie zit. In feite is het verarmde uranium dat bij de invasie in Irak was gebruikt, duizend tot tweeduizend ton, in theorie voldoende om evenveel energie op te wekken als het land in een tot twee jaar in de vorm van aardolie exporteert.
De CO2-uitstoot, waar veel klimaatactivisten zich overdreven zorgen over maken, is in verhouding ook laag: een tiende van die van een kolencentrale als alles wordt meegerekend. De EREOI, de hoeveelheid energie die in een kerncentrale moet worden gestopt om er elektriciteit uit te krijgen, is ook behoorlijk en te vergelijken met een kolencentrale: 1:10. Geen wonder dat gezien deze voordelen, energiebedrijven graag extra kerncentrales willen bouwen en vooral de centrales als ze er staan lang open willen houden. Staat de kerncentrale er eenmaal, dan zijn de kosten van brandstof in verhouding zeer laag, slechts een derde van de kosten van de centrale zelf. Een kerncentrale, zoals die in Borssele, langer open laten levert dus veel geld op.
Maar ook nadelen… Kerncentrales kennen drie grote nadelen die alle te maken hebben met radioactiviteit: het risico op het verspreiden van materialen om atoombommen mee te maken, kernafval en het risico dat een kerncentrale ontploft of gaat lekken. De brandstof in een doorsnee kerncentrale is te arm om er een atoomwapen van te maken. Wel kunnen er zogeheten vuile bommen mee geproduceerd worden: bommen die als ze ontploffen een grote hoeveelheid radioactief materiaal verspreiden.
De ontplofte reactor in Tsjernobyl, ingepakt in een betonnen sarcofaag, is nog steeds een stille getuige van de ramp die daar in 1982 plaatsvond. – Carl Montgomery, public domain via Flickr
Een kerncentrale zoals die in Borssele produceert 12 ton radioactief afval per jaar. Zou Nederland alle energie met kerncentrales opwekken, dan wordt dat ongeveer vierhonderd ton per jaar. Weliswaar is dat veel minder dan de vliegas die een enkele kolencentrale produceert, maar deze vliegas wordt als grondstof in de bouw gebruikt terwijl kernafval met een moeizaam en kostbaar proces verwerkt moet worden of – zoals in de VS – ondergronds opgeslagen. Hoogradioactief kernafval blijft honderdduizenden jaren gevaarlijk.
Een ander nadeel is de kans op ongelukken. In een kernreactor wordt een kettingreactie plaats: als neutronen uranium-235 kernen raken, splijten deze, waardoor weer andere neutronen vrijkomen. Een kernreactor bewaart een precair evenwicht tussen het uitdoven van deze kernreactie en het ontploffen. Vaak wordt met behulp van neutronenvangende regelstaven de reactie gecontroleerd. Loopt de reactie uit de hand, dan zullen de reactorstaven smelten. In het ergste geval ontstaat een totale meltdown: de plas zeer zwaar (uranium is zwaarder dan lood), hoogradioactief metaal vreet zich een weg door het beton van de centrale naar beneden en komt uiteindelijk in de grondwaterlaag terecht, waardoor een enorme stoomwolk en dus ontploffing ontstaat.
Als de koelinstallatie defect is, kan de reactor zo oververhit raken dat deze ontploft en radioactieve stoffen vrijkomen. Dit is gebeurd in de Japanse Fukushima-I reactor van veertig jaar oud die toch al op het punt stond buiten bedrijf gesteld te worden. In dit geval was de dieselgenerator die het backup-koelsysteem aandreef, weggespoeld door de tsunami. Moderne kerncentrales zijn weliswaar omgeven door veel veiligheidsmaatregelen maar niet alle omstandigheden zijn te voorzien. Dit is ook de reden dat in moderne reactorontwerpen gebruik wordt gemaakt van zogeheten passieve beveiliging: als de centrale om welke reden dan ook uitvalt, stopt de kernreactie direct, bijvoorbeeld omdat een elektromagneet wordt uitgeschakeld die voorkomt dat neutronenvangende staven tussen de splijtstof zakken. Snelle kweekreactoren werken met een poel van vloeibaar metaal onderin de reactor dat, mocht er een meltdown optreden, de warmte afvoert en ook neutronen vangt. De rampen in Fukushima en Tsjernobyl waren zo te voorkomen geweest.
Wegen de voordelen tegen de nadelen op? Ook olie en kolen hebben ernstige nadelen, bijvoorbeeld de noodzaak om oorlogen te voeren in olierijke landen of de noodzaak, deze te vriend te houden. Gas is een relatief schone brandstof, maar raakt net als olie en makkelijk winbare steenkool ook snel op. Wind is te onregelmatig, zon is er in Nederland in de winter veel te weinig. Blauwe stroom, energie winnen uit het “mengen” van zout met zoet water, is interessant, ook constant maar niet voldoende om in meer dan een kwart van onze energiebehoefte te voorzien. Als we alle rivieren volledig uitmelken. Golfslag, gecombineerd met windmolens op zee zou voor een deel kunnen, misschien. Echter: het potentieel is beperkt.
Bij kerncentrales worden de risico’s en de kans op dodelijke ongevallen verplaatst naar het eigen land. Kernreactoren waarin ongelukken zijn gebeurd, waren hetzij sterk verouderd (Fukushima), hetzij door menselijke fouten ontploft (Tsjernobyl). Er zijn geen gevallen bekend van moderne kernreactoren die ontploft zijn.
Wel is er nog steeds geen goede oplossing om van het kernafval af te komen. Het gebruik van snelle kweekreactoren zorgt dat we meer energie uit dezelfde hoeveelheid uranium kunnen halen en vormt hiermee mogelijk een gedeeltelijke oplossing voor het kernafvalprobleem, er is dan immers veel minder brandstof nodig en ontstaat ook minder afval, maar het fundamentele probleem blijft hetzelfde.
Fossiele brandstoffen raken nu in hoog tempo op. Vooral op hogere breedtes, wil het nog niet erg opschieten met zonne-energie. Kan kernenergie ons redden uit de nood?
Wat is het principe van kernenergie?
Kernenergie maakt gebruik van de energie in atoomkernen. De kracht waarmee deeltjes in de atoomkern elkaar aantrekken en afstoten is de sterke kernkracht. Deze kracht is vele ordes van grootte groter, dan de krachten die verantwoordelijk zijn voor chemische reacties. Daarom komt er miljoenen malen meer energie vrij als een kilo uranium wordt gesplitst, dan als een kilo uranium wordt verbrand tot uraniumoxide.
IJzerkernen, die met bijna zestig kerndeeltjes middelzwaar zijn, zijn energetisch gezien het gunstigst.
Cerenkovstraling rond een reactorkern. Deze straling, veroorzaakt door subatomaire deeltjes die sneller reizen dan het licht in (hier) water, komt vaak vrij bij de opwekking van kernenergie. Bron
Er komt dus energie vrij als grote kernen (zoals die van uranium met 235 of 238 kerndeeltjes) gesplitst worden in kleinere (kernsplijting). Of als kleine kernen (zoals die van waterstof met maar één of twee kerndeeltjes) samensmelten tot grotere (kernfusie). In beide gevallen komen de nieuwe kernen dichter in de buurt van ijzer. Kernfusie is zeer lastig onder controle te brengen. Zestig jaren van intensief onderzoek hebben nog steeds geen werkende kernfusiecentrale opgeleverd. In de praktijk is kernsplijting de enige vorm van kernenergie die we kunnen gebruiken. Als je waterstofbommen niet meerekent, dan.
Instabiele kernen
Van sommige zware atoomsoorten (zoals uranium-235) zijn de kernen metastabiel. Als er een extra kerndeeltje zoals een neutron bij komt, dan valt de kern snel uit elkaar. Namelijk, in kleinere kernen en in neutronen, die de reactie op gang houden. Hierbij komt veel energie vrij. Dit gebeurt in kerncentrales en, in een kettingreactie, in atoombommen.
Kerncentrales moeten dus de hoeveelheid neutronen indammen om te voorkomen dat de centrale verandert in een atoombom. Bijvoorbeeld, door neutronen absorberende cadmiumstaven in de kern te laten zakken. Daarom zijn moderne kerncentrales passief ontworpen. Namelijk, als de stroom om elke reden dan ook uitvalt, zakken de staven direct. Deze staven vegen alle vrijkomende neutronen op. En stoppen zo de kernreacties.
Naar schatting is de EREOI tien. Er komt namelijk ongeveer tien keer zoveel energie uit een kerncentrale als het kost om de centrale te bouwen en de uranium te winnen. Dit is te vergelijken met een kolencentrale.
Kerncentrales en hergebruik van uranium
Kerncentrales zijn oorspronkelijk door de Amerikanen ontworpen om kernwapens mee te kunnen maken. Daarom wordt een lastig, energievretend proces gebruikt om uranium te verrijken tot een splijtbare 3-5% (van nature bevat uranium maar 0,72% uranium-235). Want dat proces is handig om uranium geschikt te maken voor gebruik in atoombommen, denk dan aan 70-80% U-235. Met het verarmde uranium (dat vrijwel zuiver U-238 is) maken Amerikaanse wapenfabrikanten mooie dingen voor het Amerikaanse leger. Denk aan sterke tankpantsers en alles doordringende kogels. Wat niet alleen de vijand, maar ook de eigen soldaten en Iraakse kindertjes erg ziek maakt. Want uranium is naast zwak radioactief, ook extreem giftig.
Uiteraard is net als in bijvoorbeeld kolencentrales maar een fractie van deze energie uiteindelijk in elektriciteit om te zetten. Kerncentrales werken met een stoomturbine. De hitte die vrijkomt bij de kernreactie verdampt water of een andere vloeistof, waarvan de damp een dynamo aandrijft. Kerncentrales bereiken ongeveer 30% rendement.
CANDU: kernenergie zonder atoombommen
De Canadese noorderburen hadden niet zoveel geld en ook geen behoefte aan atoombommen. Ze vonden daarom de energiezuiniger, en veel veiliger, CANDU-reactor uit. Deze werkt op niet-verrijkt, natuurlijk uranium. CANDU, een aanmerkelijk slimmer concept, is 30-40% zuiniger dan bijvoorbeeld Borssele. Sterker nog: het afval van Borssele kan in een CANDU opgestookt worden. Een CANDU kan ook thorium (dat drie keer zo veel voorkomt als uranium) opstoken. Reken er alleen niet op dat er een CANDU in Nederland komt. We hebben hier één van de grootste uraniumverrijkende fabrieken ter wereld, Urenco, die zoals bekend veel aan ontwikkelingssamenwerking deed.
Kweekreactoren: meer lol van je uranium
Van nature wordt een paar procent van het U-238 in een reactor ook getroffen door neutronen.
In deze verarmd-uranium granaat zit evenveel kernenergie als in duizenden vaten olie. Toch wordt dit gebruikt om oliebronnen mee te veroveren. Een beetje dom.
Dit verandert dan in plutonium (Pu-239), dat net zo makkelijk splijt als uranium-235. Ook met plutonium kan je dus atoombommen maken. En, omdat dit chemisch verschilt van uranium, is het makkelijker uit het kernafval te halen. Stel, je bent in staat om alle U-238 in een reactor om te zetten in Pu-239. Dan zou dat de opbrengst in energie meer dan 100x groter maken.
Dat kan met een kweekreactor. Dat is een kernreactor, die meer splijtbaar materiaal produceert dan deze consumeert. Een kweekreactor verwerkt eerst een beginlading van verrijkt uranium of plutonium, Dit om de reactie op gang te brengen. Daarna volgt een vulling met uranium-238 en/of thorium. Nadeel van kweekreactoren is dat de kernreactie lastiger te beheersen is. Er zijn hoge neutron dichtheden nodig om veel nieuwe kernbrandstof te produceren. Dat brengt het systeem dichter bij een snel uit de hand lopende kettingreactie. Dit maakt kweekreactoren ingewikkeld, duur en storingsgevoelig.
Thoriumreactoren
India beschikt over ongeveer een derde van de thoriumvoorraad in de wereld. Thorium, een zwaar, hard grijswit metaal, komt drie keer zo veel voor als uranium. Geen wonder dat vooral India onderzoek doet naar kernreactoren waarin thorium een belangrijke rol speelt. Een andere prettige kant aan thorium is dat vrijwel alles reageert en dat thorium vrijwel geheel voorkomt als thorium-232, de splijtbare vorm. Een thoriumreactor is dus in feite al een kweekreactor. Op dit moment wordt door de Indiërs veel onderzoek gedaan naar thorium. India onderzoek de mogelijkheden om thorium-gebaseerde reactoren werkend en winstgevend te krijgen. Als dit lukt, zal er voor vele honderden jaren voldoende energie zijn voor de gehele wereld. Tijd genoeg dus om nieuwe energiebronnen zoals fusie te ontwikkelen.
