Nieuwe reactoren
In de nucleaire industrie zijn alle handelingen er op gericht de milieueffecten van nucleaire processen zoveel mogelijk te beperken. Het zijn met name twee aspecten van radioactiviteit en straling waar op gelet wordt:
- het voorkomen van ongecontroleerde lozing of verspreiding van radioactieve stoffen
- het afschermen van bronnen die straling afgeven
Veel mensen maken zich zorgen over de effecten van nucleaire processen en installaties op het milieu. Aan de ene kant is dat een terechte zorg, omdat de gevolgen van grote radioactieve lozingen en hoge stralingsvelden ernstig kunnen zijn. Dat kan bijvoorbeeld gebeuren als gevolg van ernstige nucleaire ongevallen.
Aan de andere kant zijn de milieueffecten van nucleaire processen en installaties onder normale omstandigheden bijzonder klein. Dat komt doordat de aanwezigheid van radioactiviteit en straling al bij volstrekt ongevaarlijke niveaus bijzonder goed is te meten waardoor deze ook goed is te beheersen. Als je iets goed kunt meten, kun je namelijk ook effectieve maatregelen nemen. Denk aan het afschermen van stralingsbronnen en het filteren en afscheiden van radioactieve stoffen uit de omgeving waarin ze verkeren (lucht, water, bodem, vaste of gasvormige reststoffen). De effectiviteit van de maatregelen is goed te meten zodat je zeker weet dat je het juiste hebt gedaan.
Milieueffecten door ongelukken en kernproeven
De zorgen die mensen hebben over de milieueffecten van radioactiviteit en straling komen vooral voort uit enkele ernstige ongelukken, zoals Tsjernobyl en Fukushima. Of door bovengrondse militaire kernproeven die enkele decennia geleden zijn gedaan. Door deze ongelukken en proeven zijn radioactieve stoffen ongecontroleerd in het milieu terechtgekomen. Omdat sommige radioactieve stoffen een lange halfwaardetijd hebben, blijven ze lang schadelijk.
In de jaren ‘50 en ‘60 van de vorige eeuw zijn bovengrondse kernproeven gehouden. Daarbij zijn grote hoeveelheden radioactiviteit hoog in de atmosfeer gebracht. Met de daar heersende luchtstromingen hebben die zich over de hele aarde verspreid en werden daardoor extreem verdund, kleiner of vergelijkbaar met van nature aanwezige radioactiviteit. Hoewel onnatuurlijk en ongewenst, vormt deze radioactiviteit geen gevaar voor de gezondheid. De aanwezigheid van bij die kernproeven vrijgekomen radioactiviteit is alleen nog aan te tonen omdat deze zich qua samenstelling onderscheidt van de van nature aanwezige radioactiviteit.
Monitoren atmosfeer
De Nederlandse overheid monitort dag en nacht de hoeveelheid radioactiviteit in de atmosfeer boven ons land. Zij doet dat via het Nationaal Meetnet Radioactiviteit (NMR). Het NMR signaleert de concentraties van radioactieve stoffen in de lucht en brengt die in kaart. Onder normale omstandigheden meet het NMR de concentraties van de van nature daarin voorkomende radioactiviteit. Deze varieert door wind die meer of minder natuurlijke radioactiviteit aanvoert en neerslag die dit uit de lucht neerslaat. Bij een niet-natuurlijke variatie, zoals bij een nucleair ongeval in binnen- of buitenland, geeft het NMR inzicht in de ernst en verspreiding ervan. Meetgegevens worden uitgewisseld met de ons omringende landen.
Het Nationaal Meetnet Radioactiviteit wordt door RIVM beheerd in opdracht van het ministerie van Veiligheid en Justitie en de Inspectie Leefomgeving en Transport. Het beheer is deels uitbesteed, onder andere aan NRG. De 165 meetposten staan vaak in de buurt van brandweerkazernes en meetposten die deel uitmaken van het Landelijk Meetnet Luchtkwaliteit. Bij ongevallen kunnen ook twee meetwagens worden ingezet om op de ongevalslocatie metingen te verrichten. Zie ook de site van het RIVM. Helaas heeft het RIVM besloten deze niet meer beschikbaar te stellen, dus dan hosten we deze zelf maar: Kernenergie Nationaal Meetnet Radioactiviteit van het RIVM (de verloren pagina's)
Verminderen lozingen op Noordzee
De Noordzeestaten werken nauw samen bij het monitoren van radioactieve lozingen op zeewater. Deze worden veroorzaakt door een verscheidenheid aan menselijke activiteiten, variërend van medische handelingen, fosfaatverwerkende industrie, offshore bedrijven en enkele nucleaire activiteiten zoals het recyclen van splijtstoffen. De Noordzeestaten hebben een beleid afgesproken dat in 2020 de nucleaire lozingen op de Noordzee het nulpunt moeten zijn genaderd. Dit beleid is vastgelegd in de OSPAR-conventie.
Het OSPAR-verdrag heet officieel het “Verdrag inzake de bescherming van het mariene milieu in het noordoostelijk deel van de Atlantische Oceaan”. OSPAR staat voor “Oslo” en “Parijs” omdat het verdrag twee eerdere internationale overeenkomsten verving: de conventie van Oslo (1972) over het dumpen van afval in zee en de conventie van Parijs (1974) over de vervuiling van de zee door bronnen op het land. Het verdrag trad in werking op 25 maart 1998.
Voorkomen lozingen kerncentrale
Een kerncentrale zoals die in Borssele heeft nauwelijks milieueffecten. Radioactieve straling en lozingen worden continu gemonitord en blijven ver onder de toegestane limieten. Bovendien stoot een kerncentrale geen rookgassen uit, dus geen broeikasgassen of verzurende stoffen zoals stikstof- of zwaveloxiden. Ook de lozingen via afvalwater worden gemonitord. Daardoor loost een kerncentrale nauwelijks radioactieve stoffen op het oppervlaktewater zodat deze wegvalt tegen de van nature daarin aanwezige radioactiviteit.
In ongevalomstandigheden in de kerncentrale treden allerlei veiligheidssystemen in werking die ervoor zorgen dat de reactor intact blijft en voorkomen dat ongecontroleerde radioactieve lozingen plaatsvinden. Er is een grote hoeveelheid veiligheidssystemen die onverhoopte ongevallen beheersbaar houden, de laatste verdediging tegen onheil is het gebouw van de kerncentrale zelf. Dit gebouw bestaat uit een zeer robuuste, hermetische gesloten bol die radioactieve materialen (gassen, vloeistoffen en vaste stoffen) onder zeer extreme omstandigheden binnen zal houden. EPZ, de exploitant van de kerncentrale, geeft op haar website veel tekst en uitleg hierover. Vooral na het ongeluk in Fukushima is er veel onderzoek verricht naar het voorkomen van radioactieve lozingen in ongevalsomstandigheden. Dit onderzoek staat ook bekend als de Europese stresstest voor kerncentrales. Wie meer wil weten, bezoekt www.epz.nl.
Voorkomen lozingen overige nucleaire installaties
Iedere nucleaire installatie is vergunningplichtig. Houders van een Kernenergiewetvergunning moeten aan strenge voorwaarden voldoen. Daarop is onafhankelijk toezicht door de Kernfysische Dienst. Er moet worden gemeten en geregistreerd wat de hoeveelheid straling is en of er verspreiding is van radioactieve stoffen in en om de plaats van verwerking. De meetwaarden worden ook periodiek gerapporteerd. Lozingen en stralingsdoses zijn gelimiteerd vastgelegd in de vergunning. Afwijkingen moeten worden gemeld. Als er grote afwijkingen zijn of bijzondere omstandigheden, kan de toezichthouder besluiten een nucleaire installatie uit bedrijf te nemen.
Voorkomen verspreiding van nucleaire reststoffen
Wie met radioactieve stoffen omgaat, houdt daarvan een nauwgezette administratie bij. Ook dat is onderdeel van de vergunning. Wie radioactieve afvalstoffen voortbrengt, moet er ook voor zorgen dat die buiten het milieu gehouden worden. Zorgvuldig werken in speciale ruimtes (hot cells, laboratoria) die voorzien zijn van milieutechnologie zoals afvalwaterbehandling en filterstraten zijn bij wet geregeld. In ons land geldt het beleid dat alle radioactieve reststoffen centraal worden verzameld, geïsoleerd, behandeld en beheerd bij COVRA.
In het algemeen geldt dat technisch goed wordt voorkomen dat uit radioactief afval nog iets weg kan lekken naar het milieu. Zo wordt hoogradioactief afval uit kerncentrales gemengd met vloeibaar glas dat in roestvrijstalen containers stolt tot een soort basalt. Het radioactieve afval zit dan vast opgesloten in de matrix van het glas. Het kan zich niet verspreiden in het milieu. Omdat dit roestvrijstalen vat natuurlijk wel veel straling afgeeft, wordt het opgeslagen in een gebunkerd gebouw dat de straling afschermt. Dit geconditioneerde en opgeslagen afval heeft geen invloed meer op het milieu. Dat geldt ook voor het verzamelde laag- en middelactieve afval. De conditionering van dit afval is technisch wat eenvoudiger: afschermen met een verpakking van beton en daarna opslaan in een gebouw zijn daarvoor voldoende. Het milieu ondervindt geen invloed meer van het opgeslagen radioactieve afval.
Kerncentrales maken elektriciteit met warmte die wordt opgewekt in een kernreactor. In de reactorkern wordt een kettingreactie van atoomsplijtingen in gang gezet, onderhouden en geregeld.
Het hoofdbestanddeel is een kern met splijtbaar materiaal, veelal keramisch uraniumdioxyde (UO2).
Daarnaast heeft een reactorkern in het algemeen een koelmiddel, een afscherming tegen straling en regelmechanismen.
Moderator
Een kernreactor heeft ook een ‘remstof’ of ‘moderator’. Dat is een stof met lichte atomen die de splijtingsneutronen afremt. De kans dat een U-235 kern splijt door een neutron is namelijk veel groter als dit neutron eerst wordt afgeremd. Als remstof worden (licht) water (H2O), zwaar water (D2O) en grafiet (C) toegepast. Reactoren met remstof worden thermische reactoren genoemd.
- Zwaar water wordt gevormd door moleculen waarin het waterstofisotoop ¹H is vervangen door het zwaardere waterstofisotoop deuterium, ²H of D.
- In tegenstelling tot in (licht) water, H2O, worden in zwaar water, D2O, neutronen niet of nauwelijks weggevangen. De soortelijke massa van zwaar water bedraagt 1108 kg per m³. Zwaar water wordt uit natuurlijk water geproduceerd, dat 0,015% zwaar water bevat.
- Evenals in zwaar water worden ook in grafiet neutronen niet of nauwelijks weggevangen. In kernreactoren waarbij grafiet wordt toegepast wordt de geproduceerde warmte of met gas – veelal CO2 – of met water afgevoerd.
Snelle reactoren
Daarnaast bestaat er ook een aantal reactoren zonder moderator. Zij worden snelle reactoren genoemd (‘snel’ slaat hierbij terug op de snelheid van de neutronen in de reactor). Ten opzichte van thermische reactoren hebben snelle reactoren een veel hoger percentage splijtbare kernen. Het gaat dan bijvoorbeeld om 20 % verrijkt uranium in plaats van 3 à 4 %. Ook is de kern veel compacter uitgevoerd. Dat is nodig omdat de kans dat een snel neutron een splijtbare kern tegenkomt klein is en deze ook nog splijt nog kleiner is. De vermogensdichtheid is veel groter en dus worden hogere eisen gesteld aan de koeling. Koelen gebeurt met vloeibaar natrium, vloeibaar lood of helium. De gerealiseerde prototypes zijn voornamelijk uitgevoerd met natrium als koelmiddel al heeft Rusland ook een klein aantal onderzeeërs in bedrijf gehad met een reactor die gekoeld werd met een loodlegering.
In vergelijking met een thermische reactor is de technologie van snelle reactoren lastiger te beheersen. Toch is er een goede reden om ze toch te ontwikkelen. Een snelle reactor kan namelijk het veelvoorkomende maar niet-splijtbare U-238 omzetten in het wel-splijtbare plutonium, Pu-239. Een snelle reactor kan zelfs meer splijtbaar materiaal produceren dan hij verbruikt, en wordt in dat geval dikwijls een kweekreactor genoemd. Een snelle reactor kan echter ook ingezet worden om de hoeveelheid hoog radioactief afval te verminderen.
Kweekreactor
Een kweekreactor heeft voordelen en nadelen. Als er op deze manier een grote hoeveelheid splijtstof beschikbaar komt, kan kernenergie ook op lange termijn een significante rol spelen in de wereldenergievoorziening. Men spreekt in zo’n geval wel van duurzame opwekking van kernenergie. Aan de andere kant voedt het idee van een grote voorraad splijtbaar uranium en plutonium de angst voor misbruik. Met Pu-239 kunnen ook kernwapens worden gemaakt. Tussen 1970-1990 richtten maatschappelijke protesten tegen kernenergie zich met name op de snelle reactoren waarvan Kalkar (een reactor die door Duitsland, België en Nederland gezamenlijk werd ontwikkeld) het bekendste voorbeeld werd. De centrale werd wel gebouwd, maar nooit in bedrijf genomen.
Containment
Westerse kernreactoren zijn altijd omgeven door een zogenaamd biologisch schild om straling tegen te houden. Dat is gemaakt van enkele meters dik beton. Daarnaast is de reactor met zijn hulpsystemen geplaatst in een zogenaamd ‘containment’. Dat is een enkele centimeters dikke stalen omhulling in de vorm van een cilinder of bol. Dat voorkomt dat eventuele uit het systeem ontsnapte radioactiviteit in het milieu terechtkomt. De meeste kerncentrales hebben daaromheen nog een buitenste omhulling van circa een meter dik beton. Dat houdt onheil van buitenaf tegen, bijvoorbeeld neerstortende vliegtuigen.
Vermogensregeling
Bij een stationaire bedrijfsvoering van een kernreactor wordt de neutronendichtheid in de reactorkern zoveel mogelijk constant gehouden. Bij de splijting van een uraniumkern ontstaan gemiddeld 2,4 neutronen. Voor de splijting is slechts één neutron nodig. De overige neutronen worden geabsorbeerd of verdwijnen uit het systemen. Er is dus evenwicht tussen de productie van neutronen in de splijtstof en het invangen, verdwijnen of absorptie van neutronen.
Neutronenabsorptie in de kern vindt plaats in:
- regelstaven die sterk neutronenabsorberende materialen bevatten zoals borium, cadmium, indium en hafnium;
- de splijtstof, maar zonder splijting te veroorzaken;
- overige materialen die zich in de splijtstofelementen bevinden, zoals splijtingsproducten en splijtstofomhulling (bijvoorbeeld zircaloy);
- het omringende koelmiddel (bijvoorbeeld water).
Door de regelstaven uit of in de reactorkern te bewegen kan het opgewekte vermogen binnen zekere grenzen op de gewenste waarde worden ingesteld.
Splijtstof wisselen
In een reactor zit een zekere hoeveelheid splijtstof om de reactor gedurende langere tijd te laten draaien. Veelal wordt eenmaal per jaar een gedeelte van de aanwezige splijtstof vervangen door nieuwe. De splijtstof blijft dus drie tot vier jaar in de reactor. De overmaat aan splijtstof heeft tot gevolg dat de vermenigvuldigingsfactor, zonder aanvullende maatregelen, groter dan 1 is. Om de reactor te kunnen regelen en te laten functioneren worden materialen in de kern gebracht die gemakkelijk neutronen absorberen. Hierdoor kan de vermenigvuldigingsfactor omlaag worden gebracht. De reactorregeling wordt vaak tot stand gebracht door regelstaven die het aantal neutronen in de reactor snel omlaag brengen. Langzame veranderingen veroorzaakt door de afname van de splijtstof worden gecompenseerd door opbrand van in het koelwater aangebracht boorzuur (in een drukwaterreactor) of van neutronenabsorbers (gadolinium) in de splijtstof (in een kokendwaterreactor).
Veiligheidseisen
Het Internationaal Atoomenergie Agentschap (IAEA) heeft eisen vastgelegd voor de bouw en het laten werken van kernreactoren. Ook is voorgeschreven op welke wijze een veiligheidsanalyse moet worden uitgevoerd. De Nederlandse overheid hanteert deze IAEA voorschriften naast de eigen algemene risicocriteria. Die zijn vastgelegd in het Nationaal Milieubeleidsplan en de nota Omgaan met Risico’s van Straling van het ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer (VROM). Daarboven stelt de overheid nog een aantal extra eisen voor reactoren, zoals:
- een dubbele reactorinsluiting;
- bestendigheid tegen externe invloeden zoals een overstroming, een gaswolkexplosie en een neerstortend vliegtuig.
Leren van ongelukken
Van ernstige reactorongelukken, waarvan die van Tsjernobyl (1986) en Fukushima (2011) de ernstigste waren, wordt door de sector veel geleerd. Via internationale structuren zoals de EU, de IAEA en de World Association of Nuclear Operators (WANO) worden analyses, resultaten en nieuwe kennis uitgewisseld. Op basis daarvan worden fysieke en organisatorische maatregelen genomen die kerncentrales over de hele wereld steeds veiliger maken.
Na Tsjernobyl zijn veel kerncentrales in de wereld flink veiliger gemaakt met bijvoorbeeld sterkere veiligheidsomhullingen (containment), het inbrengen van extra (meervoudig uitgevoerde) veiligheidssystemen en de nadruk op een gezonde veiligheidscultuur onder de medewerkers. Ook is wereldwijd afgesproken incidenten en ongelukken snel en open te melden. Niet alleen om snel passende (gezondheids)maatregelen te kunnen nemen, maar ook om van elk incident te kunnen leren. Om duidelijkheid te geven over de ernst van een ongeluk werd de INES-schaal ingevoerd. Met deze schaal van 1-7 wordt de ernst van een ongeluk geklasseerd.
In de Europese Unie werden na ‘Fukushima’ alle kerncentrales aan een stress test onderworpen. In die onderzoeken werden alle kerncentrales aan (theoretische) ongevalsituaties blootgesteld die steeds zwaarder werden gemaakt. Gekeken werd wat een kerncentrale hebben kan voor hij bezwijkt. Op basis van deze uitkomsten werd vastgesteld wat de veiligheidsmarge is boven op de vergunningseisen. Ook konden verbetermaatregelen worden gedefinieerd die de veiligheidsmarge verder zouden vergroten. In Duitsland zijn om politieke redenen de oudste kerncentrales meteen gesloten zonder op de uitslag van de stress tests te wachten.
Generatie I, II, III en IV
In het algemeen spreken we over:
- Generatie I reactoren, de eerste experimentele reactoren van eind jaren vijftig, begin jaren zestig. Vrijwel allemaal gesloten
- Generatie II reactoren: de eerste serie economische rendabele en commercieel geexploiteerde (vermogens)reactoren. Inmiddels zijn de bestaande Generatie II reactoren allemaal gemoderniseerd, sommige zijn of worden gesloten
- Generatie III reactoren: de huidige nieuwbouwcentrales, een evolutionaire doorontwikkeling van Generatie II reactoren
- Generatie IV reactoren: innovatieve, revolutionair vernieuwde concepten. Momenteel alleen nog op de tekentafel of in de experimentele fase.