Zwaarwaterreactor
Een zwaarwaterreactor is een type kernreactor waarin niet gewoon water, maar "zwaar water" wordt gebruikt om de kernreactie in goede banen te leiden. Zwaar water lijkt sprekend op gewoon water, maar de waterstofatomen erin zijn vervangen door deuterium: een iets zwaardere variant van waterstof met een extra neutron in de kern. Dat kleine verschil in gewicht blijkt in de praktijk een groot voordeel op te leveren voor kernreactoren.
Het voordeel zit hem hierin: een zwaarwaterreactor kan draaien op natuurlijk uranium, zoals dat rechtstreeks uit de mijn komt, zonder het kostbare en politiek gevoelige proces van verrijking. Vergelijk het met een auto die op gewone benzine rijdt in plaats van op een speciaal, duur mengsel dat eerst in een fabriek moet worden samengesteld. Voor landen zonder toegang tot verrijkingstechnologie is dat een aantrekkelijke eigenschap, en het is precies de reden waarom dit reactortype al decennialang wordt gebruikt, met name in Canada en India.
Wat is het precies?
In elke kernreactor met uraniumsplijting is een moderator nodig: een stof die de snelle neutronen die vrijkomen bij kernsplijting afremt. Alleen langzame ("thermische") neutronen kunnen efficiënt nieuwe splijtingen veroorzaken in uranium-235, het splijtbare deel van natuurlijk uranium. Zonder moderator dooft de kettingreactie vanzelf uit.
De meeste reactoren ter wereld gebruiken gewoon water als moderator. Dat werkt, maar gewoon water absorbeert ook relatief veel neutronen zonder ze nuttig te gebruiken. Omdat natuurlijk uranium maar zeer weinig uranium-235 bevat (ongeveer 0,7 procent, de rest is het minder splijtbare uranium-238), is dat verlies een probleem: er zijn simpelweg te weinig neutronen over om de kettingreactie op gang te houden. Daarom wordt het uranium in lichtwaterreactoren eerst kunstmatig verrijkt tot enkele procenten uranium-235.
Zwaar water heeft een cruciaal ander eigenschap: het remt neutronen minstens zo goed af, maar absorbeert er veel minder van. Er blijven dus genoeg neutronen over om de kettingreactie draaiende te houden, zelfs met natuurlijk, onverrijkt uranium. Dat scheelt een hele verrijkingsfabriek, een van de duurste en technisch lastigste onderdelen van de nucleaire brandstofketen.
Het bekendste ontwerp binnen deze familie is de CANDU-reactor (Canada Deuterium Uranium), ontwikkeld in Canada. Kenmerkend is dat de splijtstof niet in één grote drukvat zit zoals bij lichtwaterreactoren, maar in honderden horizontale drukbuizen die individueel met zwaar water worden gekoeld en gemodereerd. Dat maakt het mogelijk om de reactor tijdens bedrijf bij te laden met verse splijtstofstaven, zonder de hele centrale stil te leggen: een uniek voordeel ten opzichte van de meeste andere reactortypen, die periodiek helemaal moeten worden afgeschakeld om bij te tanken.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter de zwaarwaterreactor is onafhankelijkheid van verrijkingstechnologie. In de jaren vijftig en zestig, toen deze reactoren werden ontwikkeld, was uraniumverrijking een technologie die vrijwel uitsluitend in handen was van een handvol grote mogendheden. Canada had zelf geen verrijkingsindustrie en zocht een route naar kernenergie die daar niet van afhankelijk was. Dat maakte het ontwerp ook aantrekkelijk voor andere landen die om politieke, economische of strategische redenen geen toegang hadden tot verrijkte splijtstof, met India als bekendste voorbeeld.
Een tweede doelstelling is brandstofflexibiliteit. Omdat zwaarwaterreactoren zo efficiënt met neutronen omspringen, kunnen ze in principe ook draaien op alternatieve splijtstoffen, zoals thorium of zelfs gebruikte splijtstof uit lichtwaterreactoren die daar nog niet volledig is "opgebrand". Dat opent perspectief op efficiënter gebruik van beschikbare uraniumvoorraden, al is dit potentieel in de praktijk nog maar beperkt benut.
Tegelijk moet eerlijk gezegd worden dat diezelfde eigenschappen een keerzijde hebben. Een reactor die makkelijk online bijgeladen en uitgeladen kan worden, en die relatief veel plutonium produceert als bijproduct van de bestraling van uranium-238, is ook aantrekkelijk voor wie plutonium voor kernwapens wil produceren. Deze proliferatiegevoeligheid is een terugkerend thema in de geschiedenis van dit reactortype en heeft geleid tot strengere internationale controlemechanismen op export van zwaarwatertechnologie.
Voorbeelden uit de praktijk
Canada bouwde vanaf de jaren zeventig een hele vloot CANDU-reactoren, waaronder de centrales bij Pickering, Bruce en Darlington in Ontario. Deze centrales vormen nog altijd de ruggengraat van de Canadese elektriciteitsvoorziening en zijn goed voor een aanzienlijk deel van de stroomproductie in die provincie.
Zuid-Korea nam in de jaren tachtig de Wolsong-centrale in gebruik, met CANDU-eenheden naast de lichtwaterreactoren die het land later vooral zelf ging bouwen. Roemenië volgde met de centrale Cernavodă, die sinds de jaren negentig met Canadese CANDU-technologie draait en nog altijd het grootste deel van de Roemeense kernenergieproductie levert.
India ontwikkelde vanaf de jaren zeventig een eigen, uitgebreide vloot drukwater-zwaarwaterreactoren (PHWR's), beginnend met de Rajasthan Atomic Power Station en gevolgd door tientallen soortgelijke eenheden verspreid over het land, gebouwd en beheerd door de Nuclear Power Corporation of India Limited (NPCIL) op basis van onderzoek van het Bhabha Atomic Research Centre (BARC).
Een minder trots hoofdstuk uit deze geschiedenis is de CIRUS-onderzoeksreactor in India, een zwaarwaterreactor die met Canadese hulp werd gebouwd voor vreedzame doeleinden. Het plutonium voor de Indiase kernwapentest van 1974, bekend als "Smiling Buddha", werd geproduceerd met behulp van deze reactor. Deze episode is een belangrijke reden waarom internationale controle op nucleaire technologie sindsdien is aangescherpt, en illustreert waarom de proliferatiegevoeligheid van dit reactortype geen theoretische kwestie is.
Hoe ver is de techniek?
De zwaarwaterreactor is een volwassen, bewezen technologie met inmiddels meer dan een halve eeuw operationele ervaring. Wereldwijd draaien er tientallen exemplaren, geconcentreerd in Canada, India, Zuid-Korea, Roemenië, Argentinië, Pakistan en China, maar ze vormen een minderheid binnen de mondiale reactorvloot, die grotendeels bestaat uit lichtwaterreactoren.
In het Westen is de bouw van nieuwe CANDU-centrales sinds de jaren negentig vrijwel stilgevallen; er zijn al geruime tijd geen nieuwe orders meer geweest buiten India en enkele bestaande partnerlanden. India daarentegen bouwt nog altijd nieuwe PHWR-eenheden en heeft de afgelopen jaren een programma opgezet om meerdere reactoren van hetzelfde ontwerp in serie te bouwen, om zo kosten te drukken.
In Canada ligt de nadruk inmiddels op renovatie in plaats van nieuwbouw. Grote levensduurverlengingsprojecten bij onder meer de Bruce- en Darlington-centrales, uitgevoerd door Bruce Power en Ontario Power Generation, zijn al enkele jaren onderweg en lopen door tot in de jaren dertig van deze eeuw. Deze operaties zijn technisch complex en kosten vele miljarden Canadese dollars, wat aangeeft dat de bestaande CANDU-vloot nog decennialang relevant blijft, ook al komen er weinig nieuwe centrales van dit type bij.
India onderzoekt daarnaast een geavanceerde variant, de Advanced Heavy Water Reactor (AHWR), ontworpen door BARC en gericht op het gebruik van thorium als splijtstof. Dit ontwerp bestaat vooralsnog vooral op papier en in prototypestudies; een operationele, grootschalige AHWR is er op dit moment niet. Onzeker blijft of en wanneer dit ontwerp de stap naar daadwerkelijke bouw zal maken.
Wie werken eraan?
In Canada zijn de belangrijkste partijen Canadian Nuclear Laboratories (de opvolger van de vroegere Atomic Energy of Canada Limited, die het CANDU-ontwerp ontwikkelde), Candu Energy als huidige technologieleverancier, en de energiebedrijven Ontario Power Generation en Bruce Power die de centrales exploiteren.
In India zijn NPCIL en BARC de centrale spelers: BARC voor onderzoek en ontwerp, NPCIL voor de bouw en exploitatie van de centrales. Zuid-Korea's kernenergiebedrijf KHNP beheert de Wolsong-eenheden, terwijl in Roemenië Nuclearelectrica verantwoordelijk is voor Cernavodă. Argentinië heeft met zijn nationale kernenergie-instituut CNEA een eigen lijn zwaarwaterreactoren (Atucha), gebaseerd op een verwant maar net iets ander Duits ontwerp. China bouwde met Canadese hulp CANDU-eenheden in de centrale Qinshan.
Op internationaal niveau speelt het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) een belangrijke rol bij het toezicht op deze reactoren, juist vanwege de eerder genoemde proliferatiegevoeligheid: veel landen met zwaarwaterreactoren vallen onder specifieke veiligheidswaarborgen en inspectieregimes om te voorkomen dat civiele technologie voor militaire doeleinden wordt ingezet.