Drukwaterreactor: het werkpaard van de kernenergie
Een drukwaterreactor is het meest gebruikte type kerncentrale ter wereld. Het is een installatie waarin de warmte die vrijkomt bij kernsplijting - het splitsen van uraniumatomen - wordt gebruikt om water te verhitten, stoom te maken en uiteindelijk een turbine met generator aan te drijven die elektriciteit opwekt. De naam verwijst naar het water in de reactor, dat onder zeer hoge druk wordt gehouden zodat het niet gaat koken, ook al is het gloeiend heet.
Een handige vergelijking: denk aan een snelkookpan. Door de druk in de pan hoog te houden, kan het water veel heter worden dan de normale honderd graden zonder dat het verdampt. In een drukwaterreactor gebeurt iets vergelijkbaars, maar dan op veel grotere schaal en met kernsplijting in plaats van een gasvlam als warmtebron. Die oververhitte, onder druk gehouden waterstroom geeft zijn warmte vervolgens af aan een tweede, gescheiden watercircuit, dat wél mag koken en de stoom levert voor de turbine.
Wat is het precies?
In het hart van de centrale staat het reactorvat: een dikwandige stalen ketel waarin de splijtstof zich bevindt. Die splijtstof bestaat uit uranium dat licht is verrijkt, wat betekent dat het aandeel van de splijtbare uraniumvariant (uranium-235) is verhoogd van ongeveer 0,7 procent in natuurlijk uranium naar doorgaans 3 tot 5 procent. Dat uranium zit in de vorm van keramische pilletjes in lange metalen staven, die samen splijtstofelementen vormen.
Wanneer een uraniumkern splijt, komt niet alleen warmte vrij maar ook neutronen die weer andere kernen kunnen splijten: een kettingreactie. Om die reactie op gang te houden, moeten de vrijkomende neutronen worden afgeremd. Daarvoor dient het water zelf, dat in deze rol moderator heet: het vertraagt de neutronen zodat ze effectiever nieuwe splijtingen veroorzaken. Hetzelfde water fungeert dus zowel als koelmiddel als als moderator.
Om de reactie te regelen, hangen er controlestaven in de reactorkern, gemaakt van materiaal dat neutronen juist opslokt, zoals boor of cadmium. Door deze staven dieper of minder diep in de kern te schuiven, kan de operator het vermogen van de reactor verhogen, verlagen of, in een noodgeval, de kettingreactie vrijwel direct stilleggen.
Het water rond de splijtstof - het primaire circuit - wordt onder een druk van ongeveer 150 tot 160 bar gehouden, zo'n 150 keer de luchtdruk buiten. Daardoor kan het water tot boven de 300 graden Celsius worden verhit zonder te koken. Dit hete water stroomt naar een stoomgenerator, een groot vat met duizenden dunne pijpjes. Binnen die pijpjes stroomt het radioactieve primaire water, eromheen stroomt schoon water van het secundaire circuit. Via de pijpwanden geeft het primaire water zijn warmte af, waardoor het secundaire water wél gaat koken en stoom vormt.
Die stoom drijft een turbine aan, die op zijn beurt een generator laat draaien die elektriciteit opwekt - in principe hetzelfde principe als in een kolen- of gascentrale, alleen is de warmtebron hier kernsplijting. Na de turbine wordt de stoom in een condensor weer afgekoeld tot water en teruggepompt naar de stoomgenerator. Belangrijk is dat het primaire en secundaire water elkaar nooit rechtstreeks raken: zo blijft de radioactiviteit in het gesloten primaire circuit en bereikt de turbine, die door mensen wordt onderhouden, geen besmet water.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van drukwaterreactoren is het opwekken van grote hoeveelheden elektriciteit zonder directe uitstoot van kooldioxide. Een kerncentrale produceert tijdens bedrijf nauwelijks CO2, wat het een aantrekkelijke optie maakt in een tijd waarin landen hun uitstoot willen terugdringen.
Daarnaast leveren kerncentrales wat in de energiesector basislast wordt genoemd: een constante, voorspelbare stroom elektriciteit, dag en nacht, ongeacht wind of zon. Dat maakt ze aanvullend op wisselvallige bronnen als windmolens en zonnepanelen, al is die combinatie technisch en economisch niet altijd eenvoudig omdat kerncentrales van oudsher niet snel op en af kunnen schakelen.
Een ander doel is leveringszekerheid: minder afhankelijkheid van geïmporteerd gas of olie, omdat uranium relatief compact is te vervoeren en op te slaan, en van weinig verschillende landen komt. Tot slot geldt de drukwaterreactor als een bewezen en relatief veilig ontwerp: het heeft meerdere natuurlijke veiligheidskenmerken, zoals het feit dat de kettingreactie vanzelf afzwakt als de temperatuur te veel stijgt, en decennia aan operationele ervaring wereldwijd.
Voorbeelden uit de praktijk
De kerncentrale Borssele in Zeeland is een drukwaterreactor die sinds 1973 in bedrijf is en daarmee een van de langst draaiende centrales van dit type ter wereld. Ze wordt beheerd door EPZ en levert nog altijd een substantieel deel van de Nederlandse kernenergie.
In de Amerikaanse staat Georgia gingen in 2023 en 2024 de reactoren Vogtle 3 en Vogtle 4 in bedrijf, gebouwd volgens het AP1000-ontwerp van Westinghouse. Het project liep jaren uit en de kosten liepen fors op ten opzichte van de oorspronkelijke raming, maar het was de eerste nieuwe kerncentrale in de Verenigde Staten in decennia.
Olkiluoto 3 in Finland, een reactor van het Franse EPR-ontwerp, kwam in 2023 in commerciële dienst na een bouwperiode van bijna achttien jaar, ruim tien jaar langer dan gepland. In Frankrijk zelf werd de vergelijkbare Flamanville 3, ook een EPR, eind 2024 aangesloten op het elektriciteitsnet, eveneens na jarenlange vertraging.
In de Verenigde Arabische Emiraten bouwde Zuid-Korea de Barakah-centrale, bestaande uit vier APR1400-reactoren die tussen 2021 en 2024 achtereenvolgens in bedrijf kwamen. Dit project verliep, in tegenstelling tot de westerse voorbeelden, grotendeels op tijd en binnen budget.
Hoe ver is de techniek?
De drukwaterreactor is geen nieuwe technologie. Het basisontwerp stamt uit de jaren vijftig van de vorige eeuw, oorspronkelijk ontwikkeld voor nucleair aangedreven onderzeeërs, en werd vanaf de jaren zestig op grote schaal toegepast voor elektriciteitsopwekking. Wereldwijd is de drukwaterreactor, samen met de nauw verwante Russische VVER-variant, verantwoordelijk voor het overgrote deel van alle operationele kernreactoren.
Toch is bewezen technologie niet hetzelfde als eenvoudig te bouwen. De meest recente generatie grote reactoren in westerse landen, zoals de EPR- en AP1000-ontwerpen, ging bij vrijwel elk project gepaard met jarenlange vertragingen en aanzienlijke kostenoverschrijdingen. Ook het Britse project Hinkley Point C, eveneens een EPR, kampt met herhaalde vertragingen en is inmiddels vele miljarden duurder uitgevallen dan begroot. Oorzaken zijn onder meer verouderde toeleveringsketens, gebrek aan recente bouwervaring, strenge veiligheidseisen en complexe vergunningstrajecten.
Als reactie hierop richt de sector zich steeds meer op kleine modulaire reactoren (SMR's): kleinere, fabrieksmatig te bouwen drukwaterreactoren die in theorie goedkoper en sneller te realiseren zijn. Deze technologie bevindt zich echter nog grotendeels in de ontwerp- en vergunningsfase; op enkele demonstratieprojecten na, vooral in China en Rusland, draaien er nog geen commerciële SMR's op grote schaal. Of de belofte van lagere kosten en kortere bouwtijden ook in de praktijk wordt waargemaakt, moet nog blijken.
Wie werken eraan?
De belangrijkste ontwerpers en bouwers van drukwaterreactoren zijn Westinghouse (Verenigde Staten, ontwerper van het AP1000) en Framatome, samen met energiebedrijf EDF (Frankrijk, verantwoordelijk voor het EPR-ontwerp). In Rusland ontwikkelt en bouwt staatsbedrijf Rosatom de VVER-reactoren, een eigen familie van drukwaterreactoren die wereldwijd wordt geëxporteerd, onder meer naar Turkije en Egypte.
In Zuid-Korea is KHNP (Korea Hydro & Nuclear Power) verantwoordelijk voor het APR1400-ontwerp, terwijl in China de China National Nuclear Corporation (CNNC) het eigen Hualong One-ontwerp bouwt, onder meer bestemd voor binnenlandse groei en export.
Toezicht en standaardisering op internationaal niveau lopen via het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA), een orgaan van de Verenigde Naties dat veiligheidsnormen opstelt en inspecties uitvoert. In Nederland wordt kerncentrale Borssele beheerd door EPZ, terwijl de Autoriteit Nucleaire Veiligheid en Stralingsbescherming (ANVS) toezicht houdt op de veiligheid van Nederlandse nucleaire installaties.