Uranium en kerncentrales

Uranium

Natuurlijk uranium erts bestaat voornamelijk uit het isotoop U-238 en voor een klein deel, 0,7%, uit het splijtbare isotoop U-235. U-238 heeft drie neutronen meer in de kern maar is chemisch verder identiek aan U-235. Voor gebruik als brandstof, in een kernreactor om elektriciteit op te wekken, moet het uranium worden verrijkt. Dat wil zeggen dat het aandeel U-235 omhoog moet. Het uraniumerts wordt daarvoor gezuiverd en vermalen tot uraniumoxide (U₃O₈), dit oxide wordt omgezet in het gas uraniumhexafluoride (UF₆). In een verrijkingsinstallatie worden de twee isotopen van uranium, U-235 en U-238, gescheiden. Het lichtere U-235 wordt verrijkt tot maximaal 5%. Het verrijkte uraniumhexafluoride wordt weer omgezet in uraniumoxide en dit poeder wordt samengeperst tot pellets die in de splijtstofstaven van een kerncentrale worden gebruikt. In de kerncentrale wordt met verrijkt uranium elektriciteit werd opgewekt [WEC], [Volkskrant].

De veiligheid van kerncentrales

De kans dat er in een kerncentrales iets fout gaat is klein, maar de gevolgen ervan kunnen groot zijn. In het verleden hebben er een aantal grote kernrampen plaatsgevonden; onder andere in Harrisburg, Tsjernobyl en Fukushima. Wereldwijd hebben er zich in kerncentrales acht (gedeeltelijke) kernsmeltingen voorgedaan; twee in Amerika, twee in Europa en vier in Japan inclusief Fukushima. Bij de Tsjernobylcentrale in de Oekraïne was een gebied van 3000 km² jarenlang ontoegankelijk vanwege radioactieve besmetting. De stad Tsjernobyl is sinds 1986 een spookstad, pas onlangs is deze stad weer veilig voor mensen verklaard. Groente en fruit uit dit gebied zijn echter nog steeds niet eetbaar. De radioactieve besmetting van Tsjernobyl heeft naar schatting 5000 gevallen van kanker veroorzaakt, vooral schildklierkanker, het kunnen er echter ook 36.000 geweest zijn. Bij de laatste kernramp, in 2011 in Fukushima in Japan, is een gebied met een straal van 20 kilometer rondom de centrale onbewoonbaar verklaard als gevolg van radioactieve besmetting. Ruim 160.000 mensen werden noodgedwongen uit het gebied geëvacueerd. In de Amerikaanse staat South Carolina werden radioactieve wespennesten gevonden. De radioactiviteit was afkomstig van opgeslagen radioactief afval, wat door de wespen werd verspreid [Volkskrant], [WEC].

Nieuwe kerncentrales

Onder invloed van het streven om de CO₂ uitstoot te verminderen worden er in de komende jaren meer kerncentrales gebouwd. Nederland overweegt om twee tot vier kerncentrales te bouwen; het is nog niet duidelijk waar deze kerncentrales moeten komen te staan. Zeker 15 andere landen hebben plannen om in totaal 53 centrales te bouwen met een totaal vermogen van ruim 57 GW. In Finland heeft een nieuwe kerncentrale in april 2023 de eerste stroom geleverd. Frankrijk gaat zeker 6 en mogelijk 14 nieuwe kerncentrales bouwen. Zweden wil het aantal kerncentrales fors uitbreiden. Uiterlijk in 2035 moeten er 2 nieuwe kerncentrales in bedrijf zijn en in 2045 moet de opwekcapaciteit zijn vergroot met 10 kerncentrales. Ook Groot Brittannië zet concrete stappen om het aantal kerncentrales uit te breiden [Volkskrant]

Ontwikkelingen in kerncentrales

Kleine modulaire kernreactoren

Een nieuwe ontwikkeling zijn kleine modulaire kernreactoren, de zogenaamde SMR (Small Modular Reactor). Dit is een relatief kleine kerncentrale waarvan de reactor in een fabriek wordt gebouwd en op de plaats van bestemming wordt geassembleerd. De reactor heeft meestal een beperkt vermogen van enkele tientallen tot enkele honderden megawatt in tegenstelling tot de huidige centrales die vermogen hebben van 500 tot 1500 MW. Een SMR kan in serie geproduceerd kunnen worden, waarmee de kosten omlaag gaan. Een SMR is modulair, modulaire kernreactoren zijn veiliger, sneller te bouwen en produceren minder radioactief afval. Door het relatief kleine vermogen zijn SMR's makkelijker zijn in te passen in het elektriciteitsnet en zijn flexibeler in te zetten dan de huidige kerncentrales. Ze kunnen daar worden neergezet worden waar elektriciteitsvraag groot is. De restwarmte van de SMR kan, in de omgeving van de centrale, gebruikt worden voor industriële processen of voor het verwarmen van gebouwen. Met een SMR kan ook waterstof worden geproduceerd als het elektriciteitsaanbod uit hernieuwbare bronnen hoog is, of als de elektriciteitsvraag laag is. Er kunnen gemakkelijk reactoren worden bijgeplaatst als de vraag naar elektriciteit stijgt. Ze produceren echter nog altijd radioactief afval dat tienduizenden jaren gevaarlijk blijft. De kosten van dit type reactoren zijn nog hoog en ze zijn nog in ontwikkeling.

De huidige SMR's, die in aanbouw zijn, zijn gebaseerd op de hetzelfde technische principe als de grote kerncentrales van de zogenoemde derde generatie. Er wordt momenteel een dergelijke centrale van 300 MW gebouwd in Canada, die in 2028 elektriciteit moet gaan leveren. Echt kleine reactors van 5 tot 50 MW worden niet verwacht voor 2045. De Europese Commissie zet in op de ontwikkeling van kleine modulaire kernreactoren om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. De nucleaire energie dient dan als vervanger voor de gascentrales die nu bijspringen als de energie uit wind en zon tekort schiet. De Europese Commissie streeft naar het in gebruik nemen van de nieuwe reactoren vanaf 2030. De Britse overheid trekt 3 miljard euro uit om de ontwikkeling van SMR's te financieren. Er worden 3 kleine kernreactoren (SMR) gebouwd door Rolls Royce die in 2035 op het elektriciteitsnet worden aangesloten. Ook in Nederland wordt door de ANVS (Autoriteit Nucleaire Veiligheid en Stralingsbescherming) gekeken naar de mogelijkheden van SRM's. De ANVR heeft oriënterend overleg gevoerd met drie partijen die van plan zijn in Nederland een SMR te bouwen [ANVS].

Thorium als kernbrandstof

Een alternatief voor uranium, als brandstof, is thorium. Een thoriumreactor is inherent veilig en gebruikt kernbrandstoffen efficiënter dan de bestaande reactoren. De reactor kan ook kernafval als nieuwe brandstof gebruiken. Een thoriumreactor produceert ook kernafval, maar het is minder langlevend radioactief afval. De halfwaarde van het radioactieve afval is ongeveer 30 jaar waardoor het afval na 300 jaar niet meer schadelijk is. Een klein deel van het afval moet nog wel duizenden jaren worden opgeborgen. Dat is nog steeds lang, maar minder lang dan de vele tienduizenden jaren dat hoog radioactief afval, uit gewone kerncentrales, moet worden bewaard. Thorium is in overvloed beschikbaar. Thorium kan worden opgelost in zout wat bij hoge temperaturen vloeibaar wordt en door de reactor kan stromen, daarom wordt een thoriumreactor ook wel een gesmoltenzoutreactor genoemd. Om de kernreactie op gang te brengen is wel een klein beetje verrijkt uranium of plutonium nodig.

In Nederland wordt, door het bedrijf Thorizon, gewerkt aan een gesmoltenzoutreactor met thorium als brandstof. Een van de grootste uitdagingen is de ontwikkeling van een materiaal dat jarenlang bestand is tegen hoge straling en de hoge temperatuur van het gesmolten zout. Het bedrijf Thorizon opende in 2026, in Eindhoven, een test laboratorium voor een gesmoltenzoutreactor waarin prototypes, van een kerncentrale op thorium, kunnen worden beproefd. In 2028 moet er een testreactor draaien en in 2032 moet de eerste commerciële reactor elektriciteit leveren. Een thoriumcentrale is een optie voor de kerncentrales, die in Nederland moeten worden gebouwd. In China werkt een experimentele thorium reactor, die inmiddels een jaar in bedrijf is. De reactor zet het licht radioactieve thorium-232 om in de kernbrandstof uranium-233. Dit is de eerste operationele gesmoltenzoutreactor ter wereld die succesvol thorium als brandstof heeft gebruikt [Volkskrant].