Vierde generatie reactoren

Printvriendelijke versie

In 2002 publiceerde een forum van tien landen onder leiding van de Verenigde Staten de Generation IV Roadmap. Dat is een selectie van zes te ontwikkelen kernenergiesystemen voor inzet op lange termijn (na 2030). Dit forum introduceerde ook de indeling in generaties van reactoren.

De eerste generatie reactoren betreft de prototypes die met name in de jaren '50 en '60 van de vorige eeuw werden gebouwd. De tweede generatie reactoren betreft de commerciële reactoren die met name in de jaren '70 en '80 van de vorige eeuw grootschalig gebruik van kernenergie mogelijk maakten. De derde generatie bestaat uit een evolutionaire doorontwikkeling (optimalisering) van de tweede generatie reactoren. Dit zijn de meest moderne reactoren die tegenwoordig worden gebouwd. De term vierde generatie reactoren is gereserveerd voor reactoren die revolutionair verschillen van de tweede en derde generatie reactoren door bijvoorbeeld het gebruik van andere koelmiddelen.

Groeiende energiebehoefte

De wereldbevolking groeit evenals het energieverbruik per hoofd van de bevolking. Daarom zal de inzet van kernenergie noodzakelijk blijven om alle mensen te voorzien in hun energiebehoefte. Hiertoe dienen kernenergiesystemen te worden ontwikkeld die substantieel minder grondstoffen verbruiken en minder afval produceren. Met andere woorden kernenergie krijgt een duurzamer karakter.

Naast de opwekking van elektriciteit kan kernenergie ook worden gebruikt voor waterstofproductie, het leveren van proceswarmte, het opbranden van langlevend kernsplijtingsafval en het kweken van splijtstof uit niet-splijtbaar materiaal (b.v. U-238).

Drie van de zes geselecteerde concepten zijn snelle reactoren met verschillende koelmiddelen: natrium, lood en helium. Ook zijn er van twee andere concepten snelle varianten in ontwikkeling met als koelmiddelen gesmolten zout en superkritisch water. De sterke kant van deze reactoren is hun 'duurzame' karakter. Ze zijn zuinig met uranium, in staat om U-238 te converteren naar splijtbaar materiaal en afhankelijk van het ontwerp in staat om een groot deel van het eigen radioactief afval en dat van andere centrales op te branden.

Natrium- en loodgekoelde reactoren

Met name met de natriumgekoelde reactor is reeds in diverse landenervaring opgedaan. In 2012 is er nog 1 natriumgekoelde commerciele centrale in gebruik in Rusland en staan er een aantal testreactoren in India, China, Rusland en Japan. Daarnaast zijn er centrales in aanbouw in India en Rusland.

 

Natriumgekoelde snelle reactor; sodium cooled fast reactor (SFR)

Koeling met natrium heeft echter enkele nadelen. Vanwege de (explosieve) chemische reactie die optreedt bij het contact tussen natrium en water of lucht wordt in dit type centrale de stoom niet opgewekt in het reactorvat. Bij het eventueel breken van een buis in de stoomgenerator zouden de gevolgen erg groot zijn. Daarom is er een extra warmtewisselaar in het natriumcircuit nodig die de warmte vanuit het reactorvat transporteert naar naburige ruimtes. Dit brengt uiteraard hoge extra kosten met zich mee.

Om de nadelen van het gebruik van natrium in een reactor te voorkomen, is de loodgekoelde snelle reactor in ontwikkeling. Een aantal van dit soort reactoren is in gebruik geweest in Russische nucleaire onderzeeërs. Een economisch voordeel van een loodgekoelde reactor ten opzichte van een natriumgekoelde reactor kan behaald worden door de stoomgenerator direct in het lood van het reactorvat te plaatsen. Dit kan met lood omdat lood bij een eventuele breuk in de stoomgenerator geen sterke chemische reactor vertoont zoals natrium. Daarnaast hebben beide concepten veel overeenkomsten. Loodgekoelde reactorontwerpen worden momenteel in Rusland ontwikkeld, maar ook in Europa zijn een aantal loodgekoeldereactorontwerpen in ontwikkeling. Naast een demonstratiereactor, wordt er in Zweden gewerkt aan een opleidings- en trainingsreactor. Tevens is een speciale versie van een loodgekoelde reactor in ontwikkeling in het Belgische Mol.

 

Loodgekoelde snelle reactor; lead cooled  fast reactor (LFR)

Een ander alternatief om de nadelen van het gebruik van natrium tegen te gaan, is om gas als koelmiddel te gebruiken. Dit leidt dan tot de zogenoemde gasgekoelde snelle reactor (GFR). Hierbij wordt voortgebouwd op de kennis die reeds is opgedaan met de hoge temperatuur reactoren die hierna beschreven zullen worden. Grootste uitdaging bij dit concept is gerelateerd met het afvoeren van de vervalwarmte in een ongevalssituatie.

Heliumgekoelde hoge temperatuurreactor

Van de andere geselecteerde concepten heeft met name de hoge temperatuur reactor (HTR) een stevige basis. De helium gekoelde hoge temperatuur reactor (HTR) verhit koelmiddel tot een zo hoog mogelijke temperatuur. Dat is goed voor een hoog omzettingsrendement in elektrische energie in combinatie met de productie van industriële proceswarmte. De temperatuur bedraagt 700 tot 1000°C (te vergelijken met 325°C voor de licht water reactoren). De splijtstof zit niet in metalen buizen, maar direct als korrels in grafiet. Helium wordt als koelmiddel gebruikt. Er zijn twee varianten van splijtstofelementen. In de eerste variant zit de splijtstof opgesloten in  tennisbalvormige elementen. In de tweede variant zit de splijtstof opgesloten in zeskantige blokelementen. Bij het balvormige concept (kogelbedreactor of pebble bed reactor) wordt de reactorkern letterlijk vol gegooid met splijtstofballen. De reactorkern van de blokvormigeHTR wordt gevormd door de blokken te stapelen. Het principeschema van de  pebble bed reactor  is weergegeven in figuur 8. Deze HTR heeft, evenals de CANDU, een continue splijtstofcirculatie en dus een hoge beschikbaarheid.

 

Hoge temperatuur reactor, type kogelbedreactor (HTR)

 

Omdat zowel in Duitsland als in de Verenigde Staten de licht water reactor al snel de industrie domineerde heeft de HTR na de eerste generatie geen commerciële rijpheid bereikt. Momenteel is echter de zgn. modulaire HTR in een vergevorderd stadium van ontwikkeling. Gebaseerd op een Duits ontwerp dat nooit gebouwd is, vindt deze ontwikkeling vooral in China en tot 2010 ook in Zuid-Afrika plaats. China beschikt over een kleine testreactor van dit type. Japan heeft ook een HTR testreactor, met een aangepaste versie van het Amerikaanse blokkensysteem.

De modulaire HTR is naar aanleiding van het kernsmeltongeval van de kerncentrale Three Miles Island in de Verenigde Staten in 1979 ontworpen om kernsmeltongevallen uit te sluiten. Hiertoe is het reactorvermogen klein (400 MWth of kleiner). Dat is circa tien maal zo klein als een moderne LWR. De reactorkern is lang en smal zodat de warmte te allen tijde kan worden afgevoerd. Een noodkoelsysteem is bij dit reactortype daarom niet nodig. Strikt gezien, is als vierde generatie reactor de de Very High Temperature Reactor geselecteerd. Daarom wordt door sommigen de ‘gewone’ HTR wel aangeduid als generatie drie plus reactor. Aangezien het hier echter meer om naamgeving dan om een verschil in techniek gaat, wordt de HTR in dit overzicht gerekend onder de vierde generatie reactoren. 

Overige ontwikkelingen

Een heel ander type is een compacte opvolger van de lichtwaterreactor, de Super-Critical Water Reactor (SCWR). Bij dit type wordt het koelwater onder zo'n hoge druk gebracht (250 bar), dat er geen onderscheid meer is tussen vloeistof en damp. Het water bevindt zich in de zogenaamde superkritische toestand, wat voor het reactorsysteem betekent dat de voordelen van de drukwater- en de kokendwaterreactor gecombineerd worden. Enerzijds zijn er geen kookverschijnselen, en anderzijds is er slechts één koelcircuit.

Het meest innovatieve reactortype is de gesmolten zout reactor. Hiervan bestaan verschillende varianten. Meestal wordt verwezen naar de variant waarbij de splijtstof is opgelost in het koelmiddel. Van dit concept hebben in de jaren 60 en 70 van de vorige eeuw enkele prototypen een tijd geopereerd. Voor commercieel gebruik en voor aanpassingen aan huidige stand der techniek zal echter nog een lange doorontwikkeltijd nodig zijn. Van deze variant bestaat ook een subvariant waarbij geen moderatie plaatsvindt. Een snelle variant dus.

Een geheel ander concept verwijst naar de gasgekoelde hoge temperatuur reactoren. Dit type gesmolten zout reactor wordt ook wel AHTR of geavanceerde hoge temperatuur reactor genoemd. Het idee hierbij is dat door gebruik gesmolten zout als koelmiddel, dat een veel beter warmtetransport heeft, de reactor veel compacter en economischer gebouwd zal kunnen worden. Met name in de Verenigde Staten wordt hiernaar veel onderzoek gedaan.