Afbrand (burnup): hoe je meer energie uit kernbrandstof haalt
Stel je een blok steenkool voor dat je opstookt in een kachel. Op een gegeven moment is alle bruikbare energie eruit gehaald en blijft er alleen as over. Bij kernbrandstof werkt het in de kern vergelijkbaar, alleen duurt het proces jaren en gaat het niet om verbranding maar om kernsplijting. De term die aangeeft hoeveel energie er uiteindelijk uit een bepaalde hoeveelheid splijtstof is gehaald, heet in het Nederlands 'afbrand' en in het Engels 'burnup'.
Hoe hoger de afbrand, hoe efficiënter een kerncentrale met haar brandstof omgaat: er is minder uranium nodig voor dezelfde hoeveelheid stroom, en er blijft aan het einde minder afval over per opgewekte kilowattuur. Vergelijk het met een auto die verder rijdt op een volle tank: hogere afbrand betekent dat de 'splijtstoftank' van een reactor langer meegaat en efficiënter wordt benut voordat de staaf vervangen moet worden. Het is een van de sleutelbegrippen waarmee ingenieurs de prestaties en veiligheid van bestaande en toekomstige kernreactoren beoordelen.
Wat is het precies?
Kernbrandstof bestaat meestal uit kleine keramische pellets van uraniumoxide, gestapeld in lange metalen staven (splijtstofstaven) die samen een splijtstofbundel vormen. In de reactorkern splijten uraniumatomen onder invloed van neutronen, waarbij warmte en nieuwe neutronen vrijkomen die weer andere atomen laten splijten: een kettingreactie.
Afbrand meet hoeveel energie er per hoeveelheid brandstof is geproduceerd voordat deze wordt vervangen. De standaardeenheid is gigawattdag per ton uranium (GWd/tU) of megawattdag per kilogram (MWd/kgU). Een waarde van bijvoorbeeld 50 GWd/tU betekent dat één ton uranium in de loop van de tijd 50 gigawattdagen aan warmte-energie heeft geleverd.
Terwijl de brandstof afbrandt, verandert de samenstelling: splijtbaar uranium-235 wordt langzaam opgebruikt, en er ontstaan nieuwe stoffen, zoals plutonium (dat deels ook weer splijt en dus meehelpt aan de energieproductie) en allerlei splijtingsproducten. Sommige van die splijtingsproducten, zoals xenon en krypton, vangen neutronen weg of vormen gasbelletjes in de pellet. Daardoor neemt de efficiëntie van de kettingreactie af en zet de brandstof fysiek uit, met meer druk op de metalen ommanteling (cladding) tot gevolg. Op een bepaald punt is de combinatie van dalend rendement en toenemende materiaalbelasting reden om de splijtstofstaven te vervangen, ook al is niet al het uranium 'opgebrand'.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van hogere afbrand is economisch en praktisch: minder splijtstof nodig voor dezelfde hoeveelheid stroom, minder splijtstofwissels (en dus minder stilstand van de centrale), en minder volume aan gebruikte splijtstof dat opgeslagen of verwerkt moet worden. Voor een sector die worstelt met hoge bouwkosten en de vraag hoe je nucleair afval op lange termijn beheert, is dat een aantrekkelijk perspectief.
Er is ook een veiligheidsdimensie. Onderzoekers werken aan zogeheten 'ongevalbestendige splijtstof' (accident tolerant fuel, ATF): nieuwe pelletmaterialen en coatings die bij hoge temperaturen beter standhouden, zodat hogere afbrand niet ten koste gaat van de veiligheidsmarges. Daarnaast is afbrand relevant voor non-proliferatie: brandstof die lang en diep wordt afgebrand, produceert plutonium met een isotopensamenstelling die minder geschikt is voor wapens, wat door voorstanders als bijkomend voordeel wordt genoemd.
Voor de nieuwe generatie reactoren, zoals snelle kweekreactoren en gesmoltenzoutreactoren, is hoge afbrand zelfs een kernonderdeel van de belofte: deze ontwerpen zouden (een deel van) het bestaande radioactieve afval als brandstof kunnen gebruiken en daarbij veel hogere afbrandwaarden kunnen halen dan de klassieke lichtwaterreactoren die nu de meeste kerncentrales vormen.
Voorbeelden uit de praktijk
De Experimental Breeder Reactor II (EBR-II) van het Amerikaanse Idaho National Laboratory testte tussen de jaren zeventig en negentig metalen splijtstof die afbrandwaarden tot boven de 100 GWd/tU haalde, ver boven wat gangbare lichtwaterreactoren aankunnen. Deze experimenten vormen nog steeds een referentiepunt voor ontwerpers van snelle reactoren.
De Russische BN-800, een natriumgekoelde snelle reactor bij Beloyarsk die sinds 2016 commercieel elektriciteit levert, is momenteel een van de weinige operationele reactoren wereldwijd die met hoge afbrand en gemengde uranium-plutoniumbrandstof (MOX) werkt. Rosatom gebruikt de ervaringen hiermee voor het geplande, grotere vervolgontwerp BN-1200.
In de Verenigde Staten bouwt TerraPower, het bedrijf van onder anderen Bill Gates, samen met GE Hitachi aan de Natrium-reactor in Kemmerer, Wyoming, waarvan de bouw in 2024 is gestart. Dit is een natriumgekoelde snelle reactor die is ontworpen voor metalen splijtstof met een hogere afbrand dan gangbare lichtwaterreactoren.
China bracht in 2023 de CFR-600, een natriumgekoelde snelle reactor bij Xiapu, voor het eerst kritiek; het project van China National Nuclear Corporation (CNNC) moet onder meer aantonen dat hogere afbrand op industriële schaal haalbaar is.
Ook in de bestaande vloot van lichtwaterreactoren is de trend zichtbaar: fabrikanten als Westinghouse, Framatome en Global Nuclear Fuel testen sinds eind jaren 2010 in Amerikaanse reactoren nieuwe cladding-materialen (zoals chroom-gecoat zirkonium) waarmee de toegestane afbrand stapsgewijs omhoog kan, van historisch circa 45-50 GWd/tU naar waarden boven 60 GWd/tU.
Hoe ver is de techniek?
Voor gangbare lichtwaterreactoren is afbrandverhoging een geleidelijk, incrementeel proces. Toezichthouders zoals de Amerikaanse Nuclear Regulatory Commission (NRC) staan hogere afbrandlimieten pas toe na uitgebreide bestralingstests en veiligheidsanalyses, omdat hogere afbrand ook betekent dat de brandstof zich anders gedraagt bij eventuele ongevalscenario's. Sinds de jaren negentig is de gemiddelde afbrand in westerse reactoren gestaag gestegen, van ruwweg 30-35 naar 45-55 GWd/tU, met verdere stappen die momenteel worden goedgekeurd.
Voor snelle reactoren en gesmoltenzoutontwerpen, die in theorie afbrandwaarden van honderd GWd/tU of meer aankunnen, staat de techniek minder ver: dit zijn overwegend demonstratie- en prototypeprojecten. De BN-800 is de belangrijkste operationele uitzondering; de meeste andere snelle-reactorprojecten, zoals het Franse ASTRID-programma, zijn de afgelopen jaren vertraagd of stopgezet (ASTRID werd in 2019 geannuleerd) vanwege kosten en veranderende prioriteiten.
De belangrijkste technische obstakels blijven materiaalkunde: hoe voorkom je dat de splijtstofommanteling bij hoge afbrand gaat zwellen, barsten of splijtingsgassen lekt, en hoe blijft de brandstof voorspelbaar gedrag vertonen bij een storing. Dat onderzoek is arbeidsintensief, omdat elke nieuwe brandstofvariant jarenlange bestralingstests en nabestralingsonderzoek vergt voordat een vergunning wordt verleend.
Wie werken eraan?
Op het gebied van fabrieksmatige brandstofontwikkeling voor bestaande reactoren zijn Westinghouse, Framatome en Global Nuclear Fuel (een samenwerking van GE, Hitachi en Toshiba) de grote namen, vaak in samenwerking met nationale laboratoria als het Amerikaanse Idaho National Laboratory (INL) en Oak Ridge National Laboratory (ORNL), die de bestralingstests uitvoeren.
Voor de nieuwe generatie snelle en gesmoltenzoutreactoren lopen Rosatom (Rusland), TerraPower en GE Hitachi (Verenigde Staten), CNNC (China) en, in kleinere mate, Europese initiatieven zoals het Franse CEA voorop. Toezichthouders als de Amerikaanse NRC en het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) spelen een centrale rol bij het opstellen van veiligheidsnormen rond afbrand, terwijl de OECD Nuclear Energy Agency (NEA) internationale kennisuitwisseling over splijtstofprestaties coördineert.