Kokendwaterreactor: hoe deze kernreactor stoom rechtstreeks uit de reactorkern haalt
Een kokendwaterreactor is een type kernreactor waarin het water dat de splijtingswarmte afvoert, gewoon aan de kook wordt gebracht in de reactorkern zelf. De stoom die daarbij ontstaat, wordt rechtstreeks naar een turbine geleid die een generator aandrijft en zo elektriciteit opwekt. Er zit dus geen tussenstap met een apart stoomcircuit, zoals bij de meest gebruikte kernreactor ter wereld, de drukwaterreactor.
Je kunt het vergelijken met een fluitketel versus een moderne espressomachine met een stoompijpje dat via een warmtewisselaar werkt. Bij de fluitketel (de kokendwaterreactor) gaat de stoom die je ziet ontsnappen direct het werk doen. Bij de espressomachine met warmtewisselaar (de drukwaterreactor) verwarmt het hete water eerst een gescheiden watercircuit, en pas de stoom dáárvan drijft iets aan. Die directe aanpak maakt de kokendwaterreactor mechanisch eenvoudiger, maar brengt ook eigen technische en veiligheidsvraagstukken met zich mee, omdat er radioactief water door de turbine stroomt.
Wat is het precies?
In de kern van een kokendwaterreactor (in het Engels boiling water reactor, afgekort BWR) zitten splijtstofstaven met verrijkt uranium, meestal tot 3 Ã 5 procent uranium-235. Kernsplijting in deze staven wekt warmte op. Gewoon water, dat tegelijk als koelmiddel en als moderator dient (het vertraagt neutronen zodat de kettingreactie in stand blijft), stroomt langs deze staven.
Bij een druk van ongeveer 70 bar — ruim lager dan de circa 155 bar in een drukwaterreactor — kookt water al bij zo'n 285 graden Celsius. Doordat de druk in de kern zelf lager is, mag het water hier dus al verdampen, in tegenstelling tot een drukwaterreactor waar het water onder hoge druk vloeibaar wordt gehouden. De ontstane stoom stijgt op naar de top van het reactorvat, wordt daar van resterende waterdruppels ontdaan door stoomafscheiders en -drogers, en gaat vervolgens rechtstreeks naar de turbine.
Na de turbine wordt de stoom in een condensor weer afgekoeld tot water en teruggepompt naar de reactorkern als voedingswater. Regelstaven, die neutronen absorberen om de reactie te vertragen of te stoppen, worden bij de meeste kokendwaterreactoren van onderaf in de kern geschoven — het tegenovergestelde van drukwaterreactoren, waar ze van bovenaf zakken. Bij oudere ontwerpen zorgen pompen (zogeheten jet pumps) voor extra circulatie van het water; bij nieuwere, vereenvoudigde ontwerpen gebeurt dat steeds vaker via natuurlijke circulatie, waarbij warm water vanzelf opstijgt en kouder water vanzelf terugzakt, zonder mechanische pompen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uitgangspunt van de kokendwaterreactor is eenvoud. Doordat er geen aparte stoomgeneratoren nodig zijn zoals bij een drukwaterreactor, telt het ontwerp minder grote componenten, wat de bouw in theorie goedkoper en het onderhoud overzichtelijker maakt. Minder onderdelen betekent ook minder plekken waar iets kan lekken of falen.
Een tweede doel is passieve veiligheid: bij de nieuwste generatie kokendwaterreactoren, zoals de ESBWR (Economic Simplified Boiling Water Reactor) van GE Hitachi, wil men de reactor ook zonder actief ingrijpende pompen of noodstroom kunnen koelen, puur op basis van zwaartekracht en natuurlijke circulatie, gedurende dagen na een ongewenste uitschakeling.
Daarnaast speelt, net als bij vrijwel alle nieuwe kernenergieprojecten, het bredere doel van CO2-arme, betrouwbare basislaststroom die niet afhankelijk is van wind of zon. De nieuwste kleine, modulaire varianten (SMR's) proberen daarbovenop de bouwtijd en -kosten te verlagen door fabrieksmatige productie van onderdelen in plaats van maatwerk op de bouwplaats.
Voorbeelden uit de praktijk
Dodewaard (Nederland, 1968-1997): Nederlands enige commerciële kokendwaterreactor, met een vermogen van 58 megawatt. Ze leverde bijna dertig jaar stroom voordat ze om politieke redenen werd gesloten, en wordt nu ontmanteld.
Fukushima Daiichi (Japan): de zes reactoren van deze centrale waren oudere kokendwaterreactoren van het type Mark I, gebouwd tussen 1971 en 1979. Na de aardbeving en tsunami van 2011 vielen de koelsystemen uit, wat leidde tot kernsmelt in drie reactoren. Deze ramp heeft wereldwijd de veiligheidseisen voor kokendwaterreactoren, met name rond noodkoeling en waterstofafvoer, aanzienlijk aangescherpt.
Kashiwazaki-Kariwa (Japan): met zeven reactoren, waaronder geavanceerde kokendwaterreactoren (ABWR), de grootste kerncentrale ter wereld qua opgesteld vermogen. Enkele eenheden zijn na 2011 stilgelegd en worden geleidelijk herstart onder strengere regelgeving.
BWRX-300 in Darlington, Canada: Ontario Power Generation begon in 2022 met de bouw van de eerste BWRX-300, een kleine modulaire kokendwaterreactor van GE Hitachi met een vermogen van circa 300 megawatt. De start van commerciële elektriciteitsproductie wordt rond 2029 verwacht, en het project geldt als een van de meest concrete SMR-trajecten wereldwijd.
Poland (Orlen Synthos Green Energy): het Pools-Amerikaanse samenwerkingsverband tussen Synthos en het Poolse energiebedrijf Orlen plant meerdere BWRX-300-eenheden op Poolse bodem, met een beoogde eerste centrale in de tweede helft van dit decennium, al zijn definitieve investeringsbeslissingen en tijdlijnen nog in beweging.
Hoe ver is de techniek?
De kokendwaterreactor is geen nieuwe technologie: de eerste commerciële centrale, Dresden-1 in de Verenigde Staten, ging in 1960 in bedrijf. Wereldwijd draaien er momenteel enkele tientallen kokendwaterreactoren, vooral in Japan, de Verenigde Staten, Zweden, Zwitserland, Duitsland (uitgefaseerd) en Mexico. Daarmee is de basistechniek volwassen en goed gedocumenteerd.
Wat wél volop in ontwikkeling is, zijn de nieuwere generaties. De ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) draait sinds 1996 in Japan en geldt als bewezen Generatie III-techniek. De ESBWR is in 2014 door de Amerikaanse toezichthouder NRC gecertificeerd, maar er is tot nu toe geen enkele ESBWR daadwerkelijk gebouwd; het ontwerp bestaat dus vooral op papier en in vergunningsdossiers.
De grootste huidige dynamiek zit in de BWRX-300, de kleine modulaire variant. Het project in Darlington is het verst gevorderd wereldwijd onder de nieuwe generatie SMR's, met een mikpunt voor opstart eind jaren 2020. Zulke tijdlijnen in de kernenergiesector lopen echter vaker uit dan dat ze gehaald worden, en de daadwerkelijke bouwkosten per megawatt moeten nog bewijzen dat ze concurrerend zijn met andere vormen van stroomopwekking. Vergunningstrajecten, toeleveringsketens voor gespecialiseerde onderdelen en de beschikbaarheid van geschoold personeel blijven de belangrijkste knelpunten.
Wie werken eraan?
GE Hitachi Nuclear Energy (GEH), een samenwerkingsverband tussen het Amerikaanse General Electric en het Japanse Hitachi, is wereldwijd de belangrijkste ontwikkelaar van kokendwaterreactoren, van de klassieke BWR-lijn tot de ABWR, ESBWR en BWRX-300.
Ontario Power Generation (OPG) in Canada bouwt momenteel de eerste BWRX-300 en fungeert daarmee als praktijktoetssteen voor de hele sector.
In Japan zijn TEPCO en Tohoku Electric Power grote exploitanten van kokendwaterreactoren, terwijl toezichthouder de Japanse Nuclear Regulation Authority na Fukushima de veiligheidseisen fors heeft aangescherpt.
In de Verenigde Staten houdt de Nuclear Regulatory Commission (NRC) toezicht op vergunningen en ontwerpcertificering, terwijl in Polen Orlen Synthos Green Energy de aanjager is van BWRX-300-plannen. Internationaal coördineert het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) veiligheidsstandaarden en kennisdeling tussen landen die met deze reactortechniek werken.