Generatie IV-reactor: de volgende generatie kernenergie
Een generatie IV-reactor is een nieuw type kerncentrale dat wordt ontworpen om veiliger, zuiniger en veelzijdiger te zijn dan de kerncentrales die nu wereldwijd draaien. De term slaat niet op één specifiek ontwerp, maar op een verzameling van zes verschillende reactorconcepten die internationale onderzoekers hebben geselecteerd als de meest kansrijke kandidaten voor de toekomst van kernenergie.
Vergelijk het met de overstap van een benzineauto met carburateur naar een moderne hybride wagen: het basisprincipe (verbranding, of in dit geval kernsplijting) blijft hetzelfde, maar vrijwel alle onderdelen eromheen zijn opnieuw doordacht. Generatie IV-reactoren gebruiken bijvoorbeeld andere koelmiddelen dan gewoon water, kunnen op hogere temperaturen draaien en zijn vaak zo ontworpen dat ze zichzelf automatisch afkoelen bij een storing, zonder dat er pompen of operators aan te pas hoeven te komen.
Wat is het precies?
Om te begrijpen wat er 'generatie IV' aan is, moet je eerst weten wat de eerdere generaties waren. Generatie I waren de allereerste experimentele reactoren uit de jaren vijftig en zestig. Generatie II omvat het grootste deel van de huidige wereldwijde vloot, waaronder de meeste Nederlandse en Europese kerncentrales, gebouwd tussen pakweg 1970 en 1990. Generatie III en III+ zijn de verbeterde ontwerpen die sinds de jaren negentig worden gebouwd, met extra veiligheidssystemen. Generatie IV is de volgende stap: reactoren die nog niet commercieel in bedrijf zijn, maar wel al volop worden ontwikkeld en getest.
Het Generation IV International Forum (GIF), een samenwerkingsverband van veertien landen dat in 2001 werd opgericht, koos uit meer dan honderd voorstellen zes technologieën die het meest kansrijk leken. Het belangrijkste verschil met bestaande reactoren zit in het koelmiddel: waar de meeste huidige centrales gewoon water gebruiken om warmte af te voeren en stoom te maken, gebruiken generatie IV-ontwerpen bijvoorbeeld vloeibaar natrium, gesmolten zout, vloeibaar lood of hete gassen zoals helium.
Die keuze heeft grote gevolgen. Vloeibaar natrium en gesmolten zout geleiden warmte veel beter dan water en koken pas bij veel hogere temperaturen. Daardoor kan de reactor op hogere temperatuur draaien zonder dat de druk in het systeem oploopt, wat een belangrijk veiligheidsvoordeel is: een drukvat dat kan barsten, zoals bij een traditionele reactor, is hier veel minder aan de orde. Sommige ontwerpen, zoals de zogeheten 'fast reactor' (snelle reactor), gebruiken bovendien snelle neutronen in plaats van vertraagde (thermische) neutronen. Dat maakt het mogelijk om ook het merendeel van het uranium te benutten in plaats van slechts een klein percentage, en zelfs om bepaald radioactief afval van oudere reactoren als brandstof te hergebruiken.
Een ander voorbeeld is de hogetemperatuurreactor die met kogelvormige brandstofelementen werkt, de zogeheten 'pebble bed'-reactor. Duizenden brandstofbolletjes ter grootte van een tennisbal, elk gevuld met minuscule uraniumkorreltjes omhuld door keramische lagen, rollen door de reactorkern en worden gekoeld door heliumgas. Omdat elk bolletje zijn eigen splijtingsproducten insluit, blijft de reactor ook bij extreme oververhitting binnen veilige grenzen, zonder actief ingrijpen.
Wat wil men ermee bereiken?
De ontwikkeling van generatie IV-reactoren komt voort uit een aantal concrete doelen die de sector zichzelf begin deze eeuw stelde. Ten eerste veiligheid: de nieuwe ontwerpen moeten zogeheten 'inherent veilig' zijn, wat betekent dat natuurkundige wetten zoals zwaartekracht en warmte-uitzetting een meltdown voorkomen, ook als alle actieve veiligheidssystemen uitvallen.
Ten tweede efficiëntie: huidige reactoren benutten slechts ongeveer 1 procent van de energie-inhoud van uranium, de rest verlaat de centrale als afval. Snelle reactoren kunnen dat percentage in theorie vertienvoudigen, wat betekent dat dezelfde hoeveelheid uranium veel meer stroom oplevert en er minder mijnbouw nodig is.
Ten derde afvalvermindering: sommige generatie IV-ontwerpen kunnen langlevend radioactief afval, zoals plutonium en andere transuranen uit bestaande kerncentrales, gebruiken als brandstof. Daardoor wordt bestaand afval deels 'opgebrand' en neemt de hoeveelheid materiaal die duizenden jaren moet worden opgeslagen af.
Tot slot economie en veelzijdigheid: doordat sommige ontwerpen op veel hogere temperaturen draaien (soms boven de 700 graden Celsius, tegenover ongeveer 300 graden bij bestaande reactoren), kunnen ze niet alleen elektriciteit leveren maar ook proceswarmte voor de industrie of voor het maken van waterstof. Ontwikkelaars claimen bovendien dat kleinere, fabrieksgebouwde varianten sneller en goedkoper te bouwen zijn dan de gigantische centrales van nu, al moet dat in de praktijk nog worden bewezen.
Voorbeelden uit de praktijk
In China ging in december 2021 de HTR-PM in bedrijf bij Shidaowan, twee gekoppelde hogetemperatuur-pebble-bed-reactoren met een gezamenlijk vermogen van 200 megawatt. Dit is wereldwijd de eerste generatie IV-reactor die daadwerkelijk stroom aan het net levert, en ging eind 2023 in commerciële exploitatie.
Eveneens in China werd in december 2023 de CFR-600 aangesloten op het elektriciteitsnet, bij Xiapu in de provincie Fujian. Dit is een met vloeibaar natrium gekoelde snelle reactor met een vermogen van 600 megawatt; een tweede, identieke eenheid is in aanbouw.
In de Verenigde Staten begon TerraPower, het bedrijf van Bill Gates, in juni 2024 met de bouw van de Natrium-reactor bij Kemmerer, Wyoming. Dit is eveneens een natriumgekoelde snelle reactor, ontwikkeld samen met GE Hitachi Nuclear Energy, met een bijzonderheid: het ontwerp bevat een tank met gesmolten zout die overtollige warmte kan opslaan, zodat de centrale tijdelijk extra stroom kan leveren wanneer zon en wind even minder opleveren.
In Tennessee kreeg Kairos Power in december 2023 een bouwvergunning van de Amerikaanse toezichthouder NRC voor Hermes, een kleinschalige testreactor die met gesmolten fluoridezout wordt gekoeld. Het gaat om een demonstratie-eenheid zonder elektriciteitsproductie, bedoeld om ervaring op te doen voor latere commerciële centrales.
In Rusland draait sinds 2016 de BN-800 bij Beloyarsk, een natriumgekoelde snelle reactor die als voorloper van generatie IV geldt. Rusland bouwt daarnaast, als onderdeel van het Proryv-project, sinds 2021 de BREST-OD-300 bij Seversk: een reactor gekoeld met vloeibaar lood, een technologie die extra corrosie- en materiaaluitdagingen met zich meebrengt.
Hoe ver is de techniek?
Generatie IV-reactoren bevinden zich in verschillende ontwikkelfases, en geen enkel ontwerp is nog op grote schaal commercieel bewezen. De Chinese HTR-PM is de enige die al langere tijd stroom levert aan het net; de meeste andere projecten zitten in de bouw- of vergunningsfase.
De ontwikkeling verloopt trager dan de sector begin deze eeuw voorspelde. Toen het GIF-samenwerkingsverband in 2001 werd opgericht, werd commerciële inzet van meerdere generatie IV-ontwerpen rond 2020-2030 verwacht; die planning is voor de meeste technologieën met minstens tien tot vijftien jaar opgeschoven. Belangrijke obstakels zijn onder meer de beschikbaarheid van geschikte splijtstof: veel ontwerpen hebben zogeheten HALEU nodig (hoogverrijkt laagverrijkt uranium, verrijkt tot tussen de 5 en 20 procent), een brandstof waarvoor wereldwijd nog nauwelijks industriële productiecapaciteit bestaat buiten Rusland.
Ook vergunningverlening is lastig: toezichthouders zoals de Amerikaanse NRC en de Nederlandse Autoriteit Nucleaire Veiligheid en Stralingsbescherming (ANVS) hebben hun regelgeving grotendeels gebaseerd op watergekoelde reactoren, en moeten nu nieuwe beoordelingskaders ontwikkelen voor natrium-, zout- en gasgekoelde systemen. Daarnaast kampen materialen met natrium, gesmolten zout of vloeibaar lood met corrosie- en lekkage-uitdagingen die in de praktijk lastiger blijken dan op papier. Tot slot lopen de kosten van demonstratieprojecten regelmatig fors op ten opzichte van de oorspronkelijke begroting, zoals bij meerdere Amerikaanse en Europese projecten is gebleken.
Wie werken eraan?
Het Generation IV International Forum coördineert internationaal onderzoek en telt onder meer Frankrijk, Japan, China, Rusland, Zuid-Korea, Canada, de Verenigde Staten en de Europese Unie (via Euratom) als leden.
In de Verenigde Staten steunt het ministerie van Energie via het Advanced Reactor Demonstration Program sinds 2020 onder andere TerraPower en X-energy, dat met partner Dow Chemical een Xe-100 pebble-bed-reactor bouwt bij een chemiefabriek in Seadrift, Texas. Ook Kairos Power en Terrestrial Energy (met Canadese wortels) ontwikkelen eigen ontwerpen.
China is via de staatsbedrijven CNNC en Huaneng, samen met de Tsinghua-universiteit, verantwoordelijk voor zowel de HTR-PM als de CFR-600 en geldt momenteel als koploper wat betreft daadwerkelijk gebouwde en aangesloten generatie IV-reactoren.
Rusland ontwikkelt via staatsbedrijf Rosatom al decennialang ervaring met natrium- en loodgekoelde snelle reactoren, met de BN-serie en het Proryv-project als recentste stappen. In Europa onderzoekt het Belgische SCK CEN met het MYRRHA-project een met lood-bismut gekoelde onderzoeksreactor, terwijl Frankrijk via het CEA-onderzoeksinstituut eerder met het ASTRID-project aan een natriumreactor werkte, een project dat in 2019 werd stopgezet vanwege budgetoverwegingen.