Natriumgekoelde reactor
Een natriumgekoelde reactor is een type kernreactor waarin niet water, maar vloeibaar natriummetaal wordt gebruikt om de warmte uit de reactorkern af te voeren. Dat klinkt exotisch, maar het principe is vergelijkbaar met de radiator in een auto: er stroomt een vloeistof langs de hete onderdelen die de warmte meeneemt naar een plek waar die nuttig gebruikt kan worden, in dit geval om stoom te maken en een turbine aan te drijven. Het bijzondere is de keuze voor natrium als koelmiddel, en de manier waarop deze reactoren met neutronen omgaan.
Waar een gewone kerncentrale water gebruikt, dat de neutronen afremt ("modereert") zodat ze gemakkelijker splijtingsreacties veroorzaken, laat een natriumgekoelde reactor de neutronen juist snel bewegen. Dit type staat daarom bekend als een snelle reactor (fast reactor). Die snelle neutronen kunnen niet alleen het gangbare splijtbare uranium-235 splijten, maar ook het veel algemenere uranium-238 omzetten in nieuw splijtbaar materiaal (plutonium-239). Daardoor kan een natriumgekoelde reactor in theorie veel efficiënter met uraniumvoorraden omgaan, en zelfs bepaald radioactief afval van andere centrales als brandstof gebruiken. Het is dit vooruitzicht dat natriumgekoelde reactoren al decennialang aantrekkelijk maakt voor onderzoekers, ondanks de technische hindernissen.
Wat is het precies?
De kern van het ontwerp is simpel te schetsen in stappen. In de reactorkern vindt kernsplijting plaats, waarbij warmte vrijkomt. Vloeibaar natrium stroomt langs de splijtstofstaven en neemt die warmte op. Het natrium wordt vervolgens naar een warmtewisselaar gepompt, waar de warmte wordt overgedragen aan een tweede circuit, en uiteindelijk aan water dat verdampt tot stoom voor een turbine.
Natrium heeft als koelmiddel een aantal praktische voordelen. Het geleidt warmte uitstekend, veel beter dan water, waardoor de reactor efficiënt gekoeld kan worden. Belangrijker nog: natrium kookt pas bij ruim 880 graden Celsius, terwijl water al bij 100 graden kookt. Daardoor kan het systeem op normale atmosferische druk werken in plaats van de zeer hoge druk (rond de 150 keer de atmosferische druk) die nodig is in een gangbare drukwaterreactor. Minder druk betekent een kleinere kans op een explosieve breuk van leidingen.
Daar staat een lastig nadeel tegenover: natrium reageert heftig met water en vlam vat bij contact met lucht. Om te voorkomen dat een lek in de stoomgenerator natrium in aanraking brengt met water, gebruiken de meeste ontwerpen een extra, tussenliggend natriumcircuit dat niet radioactief is. Dat maakt de installatie complexer dan een gewone kerncentrale. Bovendien is natrium ondoorzichtig, wat onderhoud en inspectie van onderdelen binnen de kern bemoeilijkt: technici kunnen niet simpelweg naar binnen kijken zoals bij een waterreactor.
Een ander kenmerk is dat deze reactoren vaak zonder moderator werken: er zit geen grafiet of extra water in de kern om neutronen af te remmen. Dat is bewust, want juist de snelle neutronen maken het "kweken" (breeding) van nieuwe splijtstof uit uranium-238 mogelijk. Reactoren die specifiek zijn ontworpen om meer splijtstof te produceren dan ze verbruiken, heten kweekreactoren of breeder reactors; niet elke natriumgekoelde reactor is per se een kweekreactor, maar het ontwerp leent zich er wel goed voor.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van natriumgekoelde reactoren draait om drie zaken: brandstofefficiëntie, afvalvermindering en, in nieuwere ontwerpen, flexibiliteit in het elektriciteitsnet. Een snelle kweekreactor kan in theorie tachtig tot honderd keer meer energie uit dezelfde hoeveelheid uranium halen dan een gangbare reactor, omdat het overgrote deel van natuurlijk uranium (het niet-splijtbare uranium-238) alsnog bruikbaar wordt gemaakt.
Daarnaast kunnen deze reactoren, mits daarvoor ontworpen, langlevende radioactieve stoffen uit gebruikte splijtstof van gewone kerncentrales "verbranden" en zo omzetten in kortlevender afval. Dat zou de opslagtermijn van hoogradioactief afval fors kunnen verkorten, al blijft dit voorlopig grotendeels theoretisch en afhankelijk van opwerkingstechnologie die zelf ook uitdagingen kent.
Een nieuwere motivatie, zichtbaar bij het Amerikaanse Natrium-project, is het combineren van een natriumgekoelde reactor met warmteopslag in gesmolten zout. Zo'n installatie kan warmte tijdelijk opslaan en op piekmomenten extra elektriciteit leveren, wat de reactor beter laat samenwerken met wisselvallige bronnen als zon en wind op het elektriciteitsnet.
Voorbeelden uit de praktijk
Natriumgekoelde reactoren zijn geen nieuw idee; de geschiedenis gaat terug tot het begin van het kernenergietijdperk. De Amerikaanse experimentele reactor EBR-I wekte in 1951 in Idaho voor het eerst ter wereld elektriciteit op uit kernenergie, met een natrium-kaliumlegering als koelmiddel. De opvolger EBR-II draaide decennialang en werd in de jaren tachtig gebruikt om passieve veiligheidskenmerken van dit reactortype te demonstreren.
In Frankrijk bouwde men Phénix (in bedrijf van 1973 tot 2009) en de veel grotere Superphénix (1985–1997), destijds de grootste snelle kweekreactor ter wereld met een vermogen van ruim 1200 megawatt. Superphénix kampte herhaaldelijk met natriumlekken en hoge kosten en werd uiteindelijk om politieke en economische redenen gesloten, een tegenslag die het imago van dit reactortype lang heeft gedrukt.
Rusland bouwde de meest succesvolle reeks tot nu toe: BN-600 bij Beloyarsk draait al sinds 1980, en de opvolger BN-800 is sinds 2016 in commercieel bedrijf. Een grotere versie, BN-1200, staat al jaren op de tekentafel maar is herhaaldelijk uitgesteld.
China zette in 2011 zijn experimentele CEFR bij Peking in bedrijf en bouwt sindsdien de grotere demonstratiereactor CFR-600 bij Xiapu in de provincie Fujian, met de eerste van twee eenheden die de afgelopen jaren op het net is aangesloten. India werkt al sinds 2004 aan de PFBR (Prototype Fast Breeder Reactor) bij Kalpakkam; het project is herhaaldelijk vertraagd door technische en regelgevende obstakels. In de Verenigde Staten ontwikkelt TerraPower, het bedrijf van onder meer Bill Gates, samen met GE Hitachi het Natrium-ontwerp, met een demonstratieproject in Kemmerer, Wyoming, op de plek van een uitgefaseerde kolencentrale.
Hoe ver is de techniek?
Natriumgekoelde reactoren zijn technisch het meest volwassen type onder de zogeheten Generation IV-ontwerpen, juist omdat er al zoveel praktijkervaring mee is opgedaan sinds de jaren vijftig. Toch is de commerciële doorbraak tot nu toe uitgebleven. Meerdere ambitieuze projecten zijn stopgezet of stilgelegd: Superphénix in Frankrijk sloot in 1997, en de Japanse prototypereactor Monju werd na een ernstig natriumlek en brand in 1995 grotendeels buiten bedrijf gehouden en in 2016 definitief afgeschreven, na tientallen miljarden yen aan kosten zonder dat er noemenswaardig elektriciteit was geleverd.
De grootste terugkerende obstakels zijn de kosten (natriumsystemen zijn duurder om te bouwen en te onderhouden dan waterreactoren), de complexiteit van het omgaan met een brandbaar koelmiddel, en de noodzaak van gespecialiseerd, corrosiebestendig materiaal. Ook opwerking van de splijtstof, nodig om echt van de kweekcapaciteit te profiteren, is politiek gevoelig vanwege het risico op verspreiding van kernwapenmateriaal.
Aan de andere kant laat Rusland met de BN-600 en BN-800 zien dat langdurig, betrouwbaar commercieel bedrijf mogelijk is. Nieuwere westerse initiatieven zoals TerraPower's Natrium-project proberen de lessen uit eerdere mislukkingen te verwerken, onder meer door te kiezen voor een kleiner, gestandaardiseerd ontwerp in plaats van zeer grote eenmalige centrales. Niettemin blijft de tijdlijn onzeker: vergunningsprocedures, toeleveringsketens voor speciaal verrijkt uranium (HALEU) en bouwervaring met dit type reactor zijn schaars, waardoor vertragingen in dit veld eerder regel dan uitzondering zijn geweest.
Wie werken eraan?
Rusland is via staatsbedrijf Rosatom en de centrale bij Beloyarsk het land met de meeste operationele ervaring. China ontwikkelt zijn programma via de China National Nuclear Corporation, met steun van de overheid als onderdeel van bredere ambities op het gebied van kernenergie. India's programma wordt getrokken door Bhavini (Bharatiya Nabhikiya Vidyut Nigam) en het Indira Gandhi Centre for Atomic Research.
In de Verenigde Staten is TerraPower de belangrijkste private speler, in samenwerking met GE Hitachi Nuclear Energy, dat voortbouwt op eerder Amerikaans onderzoek naar snelle reactoren (het zogeheten PRISM-ontwerp). Frankrijk heeft via het onderzoeksinstituut CEA decennialange kennis opgebouwd, ook al ligt het eigen bouwprogramma stil sinds de sluiting van Superphénix. Op internationaal niveau coördineert het Generation IV International Forum, een samenwerkingsverband van onder meer de VS, Frankrijk, Japan, China, Rusland en de EU, onderzoek naar de natriumgekoelde snelle reactor als een van zes veelbelovende reactorconcepten voor de toekomst. Ook het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) volgt en ondersteunt de ontwikkeling van dit reactortype wereldwijd.