Loodgekoelde reactor: kernenergie zonder waterdamp onder hoge druk
Een loodgekoelde reactor is een type kernreactor waarin niet water, maar vloeibaar lood (of een mengsel van lood en bismut) de warmte uit de reactorkern afvoert. Waar een gewone kerncentrale water gebruikt dat onder hoge druk moet blijven om niet te koken, kan lood bij normale luchtdruk vloeibaar blijven tot bijna 1750 graden Celsius. Dat scheelt enorm: er is geen dikke drukvaten en geen risico dat het koelmiddel plotseling verdampt en een explosie veroorzaakt, zoals bij een waterreactor in het slechtste geval kan gebeuren.
Denk aan het verschil tussen koken in een snelkookpan en koken in een open pan met een vloeistof die pas bij extreem hoge temperaturen gaat koken. In de snelkookpan (de klassieke waterreactor) zit alles onder spanning; als er iets misgaat, kan de druk gevaarlijk oplopen. Bij de open pan (de loodgekoelde reactor) is dat gevaar veel kleiner, simpelweg omdat de vloeistof niet snel gaat koken. Deze eigenschap is een van de redenen waarom loodgekoelde reactoren worden gezien als een mogelijk veiliger alternatief voor de volgende generatie kerncentrales.
Wat is het precies?
In elke kernreactor splitsen atoomkernen (meestal van uranium) en komt daarbij warmte vrij. Die warmte moet worden afgevoerd, anders smelt de reactorkern. Bij de meeste bestaande centrales gebeurt dat met gewoon water, dat tegelijk ook de kernsplitsingsreactie helpt vertragen (modereren). Een loodgekoelde reactor werkt anders op twee manieren tegelijk.
Ten eerste is het koelmiddel vloeibaar lood of een legering van lood en bismut, de zogeheten lood-bismut-eutecticum (afgekort LBE). Dit mengsel smelt al bij ongeveer 123 graden Celsius, terwijl puur lood pas bij 327 graden vloeibaar wordt en pas bij bijna 1750 graden kookt. Doordat de kooktemperatuur zo hoog ligt, hoeft het systeem niet onder druk te staan zoals bij water het geval is. Dat maakt de constructie eenvoudiger en vermindert het risico op een plotselinge drukval bij een lek.
Ten tweede is een loodgekoelde reactor meestal een zogeheten snelle reactor. Dat betekent dat de neutronen die de kernsplitsing veroorzaken niet worden afgeremd, in tegenstelling tot in gewone waterreactoren waar water de neutronen juist vertraagt (matigt) om de reactie beter te kunnen sturen. Lood matigt neutronen nauwelijks, waardoor de reactor in het zogeheten snelle spectrum werkt. Dat heeft als voordeel dat de reactor efficiƫnter gebruik kan maken van uranium en zelfs van kernafval als brandstof, waarover later meer.
Een derde belangrijk kenmerk is dat lood nauwelijks reageert met lucht of water. Dat klinkt vanzelfsprekend, maar het is een groot verschil met natrium, het koelmiddel van een ander veelbelovend reactortype (de natriumgekoelde snelle reactor). Natrium vliegt in brand bij contact met lucht en reageert heftig met water. Lood doet dat niet, wat de veiligheid ten goede komt. Lood heeft echter ook nadelen: het is ondoorzichtig, wat onderhoud en inspectie lastiger maakt, en het is chemisch agressief voor staal bij hoge temperaturen, waardoor speciale, corrosiebestendige legeringen of beschermlagen nodig zijn voor de leidingen en de reactorwand.
Wat wil men ermee bereiken?
De ontwikkeling van loodgekoelde reactoren komt voort uit een aantal wensen die met de huidige generatie waterreactoren lastig te combineren zijn. Het eerste doel is inherente veiligheid: doordat het systeem niet onder hoge druk staat en lood niet ontbrandt, wil men reactoren bouwen die vanzelf, zonder actief ingrijpen, veilig afkoelen bij een storing. Dit heet passieve veiligheid.
Het tweede doel hangt samen met het snelle neutronenspectrum. Snelle reactoren kunnen in potentie langlevend radioactief afval, zoals plutonium en andere zware elementen (actiniden), gebruiken als brandstof en zo ombouwen tot minder langlevend materiaal. Dit proces heet transmutatie. Ook kunnen snelle reactoren, in een zogeheten gesloten splijtstofcyclus, veel meer energie uit dezelfde hoeveelheid uranium halen dan huidige centrales, door verarmd uranium of afval opnieuw te gebruiken als brandstof.
Ten derde streeft men naar hogere bedrijfstemperaturen dan bij waterreactoren mogelijk is. Dat verhoogt de efficiƫntie van de stroomopwekking en opent de deur naar toepassingen als industriƫle proceswarmte of waterstofproductie, naast elektriciteit.
Deze doelen zijn niet uniek voor loodgekoelde reactoren; ze gelden voor meerdere zogeheten Generation IV-ontwerpen, een groep van zes reactortechnologieƫn die internationaal worden ontwikkeld als mogelijke opvolgers van de huidige generatie kerncentrales. De loodgekoelde reactor (Lead-cooled Fast Reactor, LFR) is een van die zes.
Voorbeelden uit de praktijk
Loodgekoeling is geen nieuw idee. De Sovjet-Unie bouwde in de jaren zeventig en tachtig van de vorige eeuw de Alfa-klasse aanvalsonderzeeĆ«rs (Project 705), aangedreven door compacte reactoren gekoeld met lood-bismut. Deze onderzeeĆ«rs waren opvallend snel en klein, maar het onderhoud van de reactoren bleek lastig en kostbaar, en de vloot werd na verloop van tijd uit dienst genomen. Deze ervaring leverde niettemin decennia praktijkkennis op die latere ontwerpen beĆÆnvloedt.
In Rusland loopt sinds 2021 de bouw van de BREST-OD-300, een demonstratiereactor van 300 megawatt elektrisch vermogen bij de Siberische Chemische Combinatie in Seversk. Het project maakt deel uit van het bredere Proryv-programma (Russisch voor 'doorbraak') van staatsbedrijf Rosatom, dat een gesloten splijtstofcyclus met loodkoeling wil demonstreren, inclusief een fabriek voor het opnieuw verwerken van splijtstof op dezelfde locatie.
In Belgiƫ werkt onderzoeksinstelling SCK CEN in Mol al langere tijd aan MYRRHA, een onderzoeksfaciliteit die lood-bismut combineert met een deeltjesversneller (een zogeheten accelerator-driven system, ADS). Het doel is onder meer onderzoek naar transmutatie van kernafval en materiaalonderzoek voor toekomstige reactoren. Het project wordt in fasen gerealiseerd, waarbij eerst kleinere onderdelen worden gebouwd voordat de volledige faciliteit verrijst.
In Zweden ontwikkelt het bedrijf Blykalla (voorheen LeadCold) het ontwerp SEALER, een kleine modulaire loodgekoelde reactor die bedoeld is voor afgelegen locaties, zoals mijnbouwsites in noordelijke gebieden. In Italiƫ en Roemeniƫ werken onderzoeksinstellingen als ENEA en ICN Pitesti, samen met de industrie, aan ALFRED (Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator), een Europees demonstratieproject. Ook China ontwikkelt loodgekoelde onderzoeksreactoren, zoals de CLEAR-serie van het Institute of Nuclear Energy Safety Technology (INEST), onderdeel van de Chinese Academie van Wetenschappen.
Hoe ver is de techniek?
Ondanks decennialange ervaring, grotendeels via de militaire toepassing in de Sovjet-onderzeeƫrs, staat de civiele loodgekoelde reactor nog vroeg in haar ontwikkeling. Er draait wereldwijd nog geen commerciƫle loodgekoelde centrale; alle huidige projecten zijn onderzoeksfaciliteiten, prototypes of demonstratieprojecten.
Rusland is met BREST-OD-300 het verst gevorderd qua bouw van een reactor op relevante schaal, maar zoals bij veel eerste-van-hun-soort kernprojecten is de planning in de loop der jaren meermaals bijgesteld en is voorzichtigheid bij het inschatten van een definitieve opstartdatum op zijn plaats. Ook de andere projecten, zoals MYRRHA en ALFRED, kennen vertragingen ten opzichte van eerdere planningen, deels door de complexiteit van de techniek en deels door beperkte financiering.
De belangrijkste technische obstakels zijn de corrosie van staal in heet, vloeibaar lood, wat vraagt om nieuwe legeringen of beschermende coatings, en de ondoorzichtigheid van lood, die inspectie en onderhoud bemoeilijkt in vergelijking met een doorzichtig medium. Daarnaast is industriƫle ervaring met het op grote schaal bouwen, vullen en onderhouden van loodsystemen nog beperkt, wat elk nieuw project tot een leertraject maakt.
Het Generation IV International Forum, het internationale samenwerkingsverband dat de ontwikkeling van dit soort reactoren coƶrdineert, plaatste loodgekoelde reactoren altijd in een tijdshorizon van enkele decennia voor brede, commerciƫle inzet. Gezien de huidige stand van zaken lijkt commerciƫle toepassing op grote schaal, als die er al komt, eerder in de jaren 2030 of later te verwachten dan op korte termijn.
Wie werken eraan?
Rusland is via staatsbedrijf Rosatom en het Proryv-programma de partij met het meest vergevorderde bouwproject. In de Europese Unie combineert Belgiƫ, via SCK CEN, onderzoek naar transmutatie met de ontwikkeling van MYRRHA, terwijl Italiƫ (ENEA, Ansaldo Nucleare) en Roemeniƫ (ICN Pitesti) samenwerken aan het ALFRED-demonstratieproject, vaak aangeduid met de projectnaam FALCON-consortium. Zweden brengt met het bedrijf Blykalla een meer commercieel gerichte, kleinschalige benadering met het SEALER-ontwerp.
China investeert eveneens in loodgekoelde technologie via onderzoeksinstellingen als INEST, onderdeel van de Chinese Academie van Wetenschappen, met de CLEAR-serie van onderzoeksreactoren. In de Verenigde Staten bestaat academische en industriƫle belangstelling, onder meer vanuit nationale laboratoria, al is daar de ontwikkeling van andere Generation IV-typen, zoals natriumgekoelde reactoren, tot dusver dominanter. Internationaal wordt de coƶrdinatie tussen deze landen en instellingen mede vormgegeven binnen het Generation IV International Forum en onder toezicht van het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA).