Nieuwe reactoren
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.