Kleine kernreactoren moeten straks energie leveren op plekken waar grote centrales niet passen. Ze beloven schone, lokale energie zonder enorme bouwput, maar hoe goedkoop en haalbaar zijn ze echt?
De bouw van een kerncentrale duurt vele jaren, de kosten lopen in de miljarden en een groot deel van de omgeving verandert in een enorme bouwput. Tegelijkertijd biedt kernenergie klimaattechnisch belangrijke voordelen.Op veel plekken in Europa werken wetenschappers en energiebedrijven daarom aan kernreactoren waaraan de gebruikelijke bezwaren niet of minder zouden kleven: Small Modular Reactors (SMR's). Deze ‘kleine kernreactoren’ zouden relatief goedkoop zijn en in series uit de fabriek moeten gaan rollen. Wat zijn dit voor reactoren en wat mogen we ervan verwachten?
Schepen varen momenteel veelal op zwaar vervuilende stookolie. Omdat de Europese regelgeving rederijen dwingt om alternatieven te verzinnen, ontwikkelen wetenschappers van de TU Delft samen met het bedrijf Allseas momenteel mini-kernreactoren voor schepen. “Het gaat bij Allseas niet om gewone bootjes, maar om schepen zoals de Pioneering Spirit”, vertelt onderzoeker Martin Rohde van de TU Delft. “Dat is een gevaarte van bijna vierhonderd meter lang en ruim honderd meter breed, waarmee ze bijvoorbeeld leidingen leggen, of boorplatformen opruimen. Ze blijven maandenlang op dezelfde plek liggen en verbruiken enorm veel energie.”
Het idee om die energie uit kleine kernreactoren te halen, is niet nieuw. Sommige onderzeeërs en vliegdekschepen, zoals de USS Abraham Lincoln, zijn er al sinds jaar en dag mee uitgerust om decennialang te kunnen varen zonder bijtanken. Toch laten we onze wasmachines liever niet op militaire mini-reactoren draaien. Dit komt omdat deze hoogverrijkt uranium bevatten en dus veel splijtstof dat geschikt is voor kernwapens.
Mini-reactor voor op zee
De SMR’s die ze in Delft helpen ontwikkelen, bevatten juist laagverrijkt uranium, net zoals de gebruikelijke kerncentrales. Het zijn heliumgekoelde, hoge temperatuurkernreactoren, wat betekent dat heliumgas de warmte van de kernsplitsing afvoert naar een turbine die er elektriciteit mee genereert.
De kleine scheepsreactoren moeten 25 MWe aan elektriciteit gaan produceren. Ter vergelijking: een grote, traditionele kerncentrale produceert snel 500 tot 1500 MWe. Een schip als de Pioneering Spirit zal zeker twee van die mini-reactoren nodig hebben, zegt Rohde. “De kernreactoren zijn klein en modulair, zodat je ze, net als batterijen, aaneen kunt schakelen.”
De technologie van deze reactoren is over het algemeen bekend, maar de toepassing op een schip vormt een uitdaging. “Ze moeten specifiek kijken naar de veiligheid van die reactor. Het schip beweegt, schommelt heen en weer. Stel dat het schip zinkt en je wilt die reactor naar boven halen. En wat als er zeewater in komt? Met alles moet je rekening houden.” Na uitvoerige testen op het land moet de bouw van de mini-reactoren voor de schepen rond 2030 van start gaan.
Dit is een interpretatie van een kleine kernreactor, zoals Allseas ze wil gaan bouwen op schepen.
AllseasKlein, snel en goedkoop
Allseas is bepaald niet de enige die werkt aan mini-kernreactoren. Volgens een nucleair dashboard van de OESO zijn wereldwijd 78 ontwerpen in ontwikkeling, waarvan 22 in Europa. De grote belofte van SMR's is dat fabrieken ze in series gaan bouwen. Dat zou hun ontwikkeling sneller en goedkoper maken dan die van grote kerncentrales. Wat betreft die verminderde kosten past volgens Martin Rohde wel enige scepsis. “Of tien SMR's die als batterijen aan elkaar zijn gekoppeld economisch interessanter gaan worden dan een grote kerncentrale, moet de praktijk nog uitwijzen. Op dit moment zijn er nog weinig SMR's, ook al zijn er veel in de planning. Het klinkt overzichtelijk, zo’n kleine module, maar het heeft ook een beetje met marketing te maken.”
Een ander voordeel van seriefabricage, oftewel het maken van veel dezelfde producten, is dat kant en klare mini-reactoren makkelijker zijn te plaatsen waar ze nodig zijn: niet alleen op schepen, maar ook naast energie-intensieve industrieterreinen. Denk aan de haven van Rotterdam, of een staalproducent als Tata Steel. In dat geval hoeft de reactor ook niet aan ons toch al instabiele elektriciteitsnet gekoppeld te worden: hij kan direct leveren aan de grootverbruikers.
Stadsverwarming
In Finland hebben ze andere plannen. Nu al leveren kerncentrales er veertig procent van de elektriciteit. De rest komt grotendeels uit windmolens, waterkrachtcentrales en biomassaverbranding. Om ook de verwarming van grote steden te vergroenen, wil de overheid daar SMR's inzetten. Voor Helsinki ontwikkelt het bedrijf Steady Energy bijvoorbeeld samen met energiebedrijven en onderzoekspartners mini-reactoren die aan de rand van de stad, vijftien meter onder de grond, water voor stadsverwarming moeten verhitten.
“Een traditionele kernreactor produceert warmte. Die warmte wordt omgezet naar stoom om een turbine aan te drijven die elektriciteit produceert”, zegt voorlichter Lauri Muranen van Steady Energy. “Op die manier verlies je ongeveer zestig procent van de energie.” De SMR die Helsinki moet verwarmen, zal, als de plannen doorgaan, via een warmtewisselaar direct het verwarmingswater verhitten. Op die manier gaat minder energie verloren en het ontwerp is minder complex, wat kosten moet schelen. “Onze reactor hoeft bijvoorbeeld minder heet te worden, waardoor de druk ook lager kan blijven dan in een grote kernreactor. En er zijn veel minder bewegende onderdelen.”
Misschien dat Helsinki straks verwarmd wordt door kleine kernreactoren: in de winter kunnen ze aan voor fijne stadsverwarming en in de zomer kunnen er een paar uit.
wirestock_creators, via Magnific.comDe ondergrondse ligging maakt de kernreactor bovendien minder kwetsbaar voor neerstortende vliegtuigen, of drones vanuit buurlanden. “Wij delen een lange grens met Rusland”, zegt Muranen hierover. En in de zomer, als er minder SMR's nodig zijn om alle stedelingen van warmte te voorzien, kunnen ze er gewoon een paar uitzetten. “Grote kerncentrales zijn zo duur, dat ze onophoudelijk moeten draaien om uit de kosten te komen. Dat is bij ons niet het geval.”
De constructie van een pilotproject is al begonnen. Het grootste obstakel is volgens Muranen niet van technische, maar politieke aard. Hoewel alle politieke partijen in Finland voorstander zijn van kernenergie, is het nog de vraag of ook de inwoners zo enthousiast zijn. “Op nationaal niveau is de meerderheid van de Finnen positief over kernenergie, maar we moeten gaan zien of ‘not in my backyard’-gedoe niet gaat dwars zitten.”
Kernafval
Critici van kernenergie maken zich vaak zorgen om de veiligheid, hoewel die bij SMR's nog beter is geborgd, zegt Martin Rohde. “Kleine reactoren kun je veel gemakkelijker koelen dan een grote centrale. Als een ongeluk in het klein gebeurt, is de impact ook kleiner.” Dat geldt zeker voor heliumgekoelde reactoren: zelfs als de heliumstroom wegvalt, voert de reactor zijn eigen warmte af zonder externe koelsystemen.
— Marc Schyns, instituutsdirecteur Nucleaire Innovatieve systemenEr zijn wereldwijd wel honderd SMR-concepten, maar uiteindelijk heeft maar een handvol succes
Een lastiger probleem bij de meeste kernreactoren is het kernafval dat ze veroorzaken. Ook al is het volume daarvan volgens het Internationale Atoomagentschap relatief beperkt, het blijft wel enkele honderdduizenden jaren radioactief. En ook mini-reactoren moeten hun afval ergens kwijt.
Verschillende Europese ontwikkelaars en onderzoekscentra werken daarom aan SMR's die minder hoogradioactief afval veroorzaken. In Nederland ontwikkelt Thorizon bijvoorbeeld een SMR op basis van Thorium-232, die veel minder langlevend afval produceert. In België ontwikkelt het nucleaire onderzoekscentrum SCK CEN een ‘snelle’ loodgekoelde SMR. Deze kan bestaand kernafval hergebruiken.
“Dat heeft als voordeel dat je gebruikte brandstof uit andere centrales kunt hergebruiken”, zegt Marc Schyns, instituutsdirecteur Nucleaire Innovatieve systemen bij SCK CEN. “Wel moet je daaruit eerst uranium recycleren en bewerken in een afzonderlijke fabriek. Daar is een extra investering voor nodig.”
Economische onzekerheden
Of de snelle neutronen-SMR uiteindelijk een succesverhaal wordt, zal de toekomst leren. “Er zijn wereldwijd wel honderd SMR-concepten”, zegt Schyns. “Uiteindelijk zal waarschijnlijk slechts een handvol ervan economisch succesvol zijn.”
En zelfs dat is nog geen uitgemaakte zaak. Vooral de standaardisering van de toeleveringsketen noemt Schyns een grote uitdaging. “Ik heb het dan over allerlei componenten – warmtewisselaars, pompen – en ook de kwalificatie van personeel die aan Europese normen moet voldoen. Kerncentrales zijn altijd alleen maar groter en groter geworden om een schaaleffect te krijgen. En nu komen we met een volledig ander concept, van lagere vermogens en kleinere reactoren om nog goedkopere elektriciteit te krijgen. Om de industrie bereid te krijgen tot investeringen, moet je naar serieproductie evolueren en op Europees niveau standaardiseren.”