Heliumcirculator: de pomp die hogetemperatuur-kernreactoren draaiende houdt
Stel je een kernreactor voor waarin niet water, maar een gas rondstroomt om de warmte weg te voeren: helium. Om dat gas rond te pompen door de hete reactorkern, de leidingen en de warmtewisselaars is een speciale machine nodig: de heliumcirculator. Vergelijk het met de circulatiepomp in een cv-installatie thuis, die water door de radiatoren stuwt — alleen werkt de heliumcirculator met een gas in plaats van een vloeistof, bij extreem hoge temperaturen en onder hoge druk, en moet hij decennialang vrijwel storingsvrij draaien in een omgeving met straling.
De heliumcirculator is geen alledaags apparaat maar een zwaar technisch onderdeel, soms zo groot als een kleine vrachtwagenmotor, dat tienduizenden omwentelingen per minuut kan maken. Hij vormt de kern van een reactortype dat bekendstaat als de hogetemperatuur-gasgekoelde reactor (HTGR), een van de kandidaten voor een volgende generatie kernenergie. Dit artikel legt uit wat de heliumcirculator doet, waarom onderzoekers en bedrijven er hun hoop op vestigen, en hoe ver de techniek werkelijk is.
Wat is het precies?
In de meeste kerncentrales ter wereld stroomt water door de reactorkern. Dat water koelt de splijtstof en wordt vervolgens gebruikt om stoom te maken die een turbine aandrijft. In een hogetemperatuur-gasgekoelde reactor gebeurt hetzelfde principe, maar dan met heliumgas in plaats van water. Helium is een edelgas: het reageert vrijwel nergens mee, wordt niet of nauwelijks radioactief door bestraling (in tegenstelling tot water, dat wel geactiveerd kan raken), en kookt of bevriest niet in het temperatuurbereik van de reactor. Daardoor kan de reactor bij veel hogere temperaturen werken dan een watergekoelde centrale: uitlaattemperaturen van 700 tot 950 graden Celsius zijn gebruikelijk, tegen ongeveer 300 graden bij een klassieke drukwaterreactor.
Om dat hete helium continu te laten stromen — van de reactorkern, waar het warmte opneemt, naar een warmtewisselaar of stoomgenerator, waar het die warmte weer afgeeft — is een pomp nodig die tegen gas onder hoge druk is opgewassen. Dat is de heliumcirculator: in feite een grote, snel draaiende ventilator of compressor die het gas door het gesloten circuit stuwt. De rotor draait doorgaans met tienduizenden omwentelingen per minuut en wordt aangedreven door een elektromotor.
Een aantal technische keuzes maakt de heliumcirculator bijzonder. Omdat helium-atomen extreem klein zijn, lekken ze makkelijker weg dan bijvoorbeeld lucht of stikstof — gewone asafdichtingen met olie zouden niet alleen lekken, maar de olie zou bij hoge temperatuur en straling ook leidingen en onderdelen kunnen vervuilen (contamineren). Daarom drijven de meeste moderne circulatoren op magnetische lagers: de as zweeft op een magnetisch veld in plaats van op mechanische kogellagers, zodat er geen smeermiddel nodig is en er vrijwel niets kan lekken. Dat maakt het onderdeel duurder en technisch veeleisender om te bouwen, maar wel betrouwbaarder op de lange termijn.
Omdat de continue koeling van de reactorkern een veiligheidskritieke functie is, worden circulatoren vaak dubbel of meervoudig uitgevoerd, zodat de reactor kan blijven draaien of veilig kan afkoelen als er één uitvalt. Sommige moderne ontwerpen zijn bovendien zo gebouwd dat de splijtstof ook zonder werkende circulator — dus zonder gedwongen koeling — passief warmte kwijt kan via geleiding en straling, wat een belangrijk veiligheidsargument is voor dit reactortype.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van de heliumgekoelde hogetemperatuurreactor is een combinatie van veiligheid en veelzijdigheid. De splijtstof bestaat in dit type reactor vaak uit kleine, keramisch omhulde deeltjes — bekend als TRISO-deeltjes, genoemd naar hun drievoudige beschermlaag — die pas bij temperaturen ver boven de normale bedrijfstemperatuur beschadigd raken. Ontwerpers stellen daarom dat een meltdown zoals in Tsjernobyl of Fukushima bij dit ontwerp fysiek vrijwel uitgesloten is. Dat is een stevige claim die vooralsnog vooral op berekeningen en kleinschalige tests berust, en nog niet op decennia praktijkervaring met grote commerciële eenheden.
Daarnaast maakt de hoge uitlaattemperatuur van het helium — bij sommige ontwerpen tot 950 graden Celsius — de reactor interessant voor meer dan alleen elektriciteitsopwekking. Bij zulke temperaturen kan de warmte ook direct worden gebruikt voor industriële processen die nu vaak met aardgas worden verhit, zoals staalproductie, chemische synthese of de productie van waterstof. Dat sluit aan bij een bredere ambitie: kernenergie niet alleen inzetten voor het elektriciteitsnet, maar ook voor het verduurzamen van zware industrie die moeilijk te elektrificeren is.
Ten slotte hopen ontwikkelaars met kleinere, modulaire HTGR-eenheden de bouwtijd en financiële risico's van kerncentrales te verkleinen, in tegenstelling tot de zeer grote, dure projecten die de sector de afgelopen decennia kenmerkten.
Voorbeelden uit de praktijk
De vroegste heliumcirculatoren draaiden al in de jaren zestig. De Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor (AVR) in Jülich, Duitsland, was van 1967 tot 1988 een experimentele kiezelbedreactor (pebble-bed reactor, genoemd naar de bolvormige splijtstofkorrels die als kiezels door de kern rollen) die liet zien dat het principe werkte. Later kampte de installatie met verontreiniging van onderdelen door versleten splijtstofbollen — een les die latere ontwerpen hebben proberen te verwerken.
Een opvolger, de THTR-300 in Hamm-Uentrop, eveneens in Duitsland, draaide van ongeveer 1985 tot 1989 als grotere kiezelbedreactor, maar werd na politieke druk — mede door de kernramp in Tsjernobyl — en technische tegenvallers stilgelegd en later ontmanteld. In de Verenigde Staten liep in dezelfde periode de Fort St. Vrain-centrale in Colorado (1976-1989), gebouwd door General Atomics, eveneens op heliumkoeling; ook dit project kende problemen met de circulatoren en werd na ruim een decennium gesloten.
China heeft de techniek sindsdien het verst doorontwikkeld. Na de kleine testreactor HTR-10 van de Tsinghua-universiteit, die begin jaren 2000 in bedrijf kwam, volgde de HTR-PM bij Shidao Bay: een centrale met twee reactormodules die naar verluidt eind 2021 voor het eerst stroom op het net leverde, waarna enkele jaren later de commerciële exploitatie van start ging. Het is wereldwijd de eerste hogetemperatuur-gasgekoelde reactor die de stap naar commerciële elektriciteitsproductie heeft gemaakt.
In de Verenigde Staten ontwikkelt het bedrijf X-energy zijn Xe-100-ontwerp, mede gefinancierd via het Advanced Reactor Demonstration Program van het Amerikaanse ministerie van Energie, met een beoogde eerste toepassing bij een fabriek van chemieconcern Dow in Seadrift, Texas. Japan onderzoekt met de testreactor HTTR van onderzoeksinstituut JAEA vooral de combinatie van heliumkoeling met waterstofproductie, na een herstart van de reactor rond 2021 na een lange stilstand.
Hoe ver is de techniek?
De heliumcirculator zelf is geen nieuwe uitvinding: het basisprincipe is sinds de jaren zestig beproefd, en de kerntechniek — magnetisch gelagerde, hogetoerentalcompressoren voor heet gas — wordt ook in andere industrieën toegepast. De uitdaging zit minder in de vraag of het kán, en meer in de vraag of het op commerciële schaal betrouwbaar, veilig en betaalbaar genoeg is om te concurreren met bestaande energiebronnen.
Met de HTR-PM in China is voor het eerst aangetoond dat een heliumgekoelde hogetemperatuurreactor op commerciële schaal elektriciteit kan leveren, iets wat de eerdere Duitse en Amerikaanse projecten uit de jaren tachtig niet volhielden. Toch gaat het wereldwijd nog om een handvol operationele of in aanbouw zijnde eenheden, tegenover honderden watergekoelde reactoren. Westerse projecten zoals de Xe-100 bevinden zich nog in de ontwerp- en vergunningsfase, en net als bij vrijwel elk kernenergieproject van de afgelopen decennia is vertraging ten opzichte van eerdere planningen eerder regel dan uitzondering.
Belangrijke obstakels zijn onder meer de hoge kosten van hittebestendige materialen, de complexiteit van toeleveringsketens voor onderdelen zoals de circulator zelf, en het feit dat toezichthouders in veel landen hun vergunningskaders nog moeten aanpassen aan dit reactortype. Onafhankelijke, langjarige bedrijfservaring met grootschalige commerciële eenheden — vergelijkbaar met de decennia aan gegevens die er over watergekoelde reactoren bestaan — ontbreekt nog grotendeels.
Wie werken eraan?
China loopt momenteel voorop, met de HTR-PM als vlaggenschip, ontwikkeld door een samenwerking tussen het Institute of Nuclear and New Energy Technology (INET) van de Tsinghua-universiteit, energiebedrijf China Huaneng Group en staatskernenergiegroep CNNC. In de Verenigde Staten is X-energy de belangrijkste ontwikkelaar, met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie; General Atomics bouwt voort op zijn ervaring met Fort St. Vrain voor eigen hogetemperatuurontwerpen.
In Europa was Duitsland met de onderzoekscentra in Jülich historisch de pionier van de kiezelbedtechniek, al is het land na de sluiting van THTR-300 en de latere volledige kernuitstap niet meer actief betrokken bij nieuwe reactorbouw. Het Franse bedrijf Framatome levert onder meer componenten en expertise voor hogetemperatuurreactortechnologie aan internationale projecten. Japan onderzoekt via JAEA vooral de combinatie met industriële warmtetoepassingen, en ook Zuid-Korea en Polen hebben de afgelopen jaren interesse getoond in HTGR-technologie voor industriële warmtelevering.