Goedkopere en veiligere kernenergie: gesmoltenzoutreactoren komen een stap dichterbij

Deze week heeft de Canadese toezichthouder op de nucleaire veiligheid een eerste goedkeuringsanalyse van het modelontwerp voor een nieuwe molten salt reactor (MSR) afgerond. Gesmoltenzoutreactoren gelden al decennialang als mogelijk baanbrekende innovaties in de wereld van de nucleaire technologie. Zo zouden ze het risico op een meltdown voorkomen. Wat precies maakt MSR-technologie zo beloftevol? Trends vroeg het aan Nathal Severijns, kernfysicus aan de KU Leuven.

Het Integral Molten Salt Reactor (IMSR)-ontwerp van de kernreactorbouwer Terrestrial Energy heeft op succesvolle wijze een vooronderzoek (pre-licensing review) door de Canadian Nuclear Safety Commission doorstaan. De Canadezen pompen veel geld in die nucleaire innovatie, die als goedkoper en veiliger te boek staat dan ‘gewone’ kerntechnologie.

Terwijl standaard kernreactoren zich bedienen van vaste brandstof, uranium, wordt bij MSR-technologie vloeibare brandstof, vaak nog uranium maar almaar meer ook thorium, gebruikt, die is opgelost in gesmolten zout. Dat wordt vervolgens verhit tot temperaturen van meer dan 600 graden. Het zout wordt ook gebruikt als koelmiddel: er hoeft dus geen water aan te pas te komen, zoals bij de huidige lichtwaterreactoren.

Waarom geldt MSR-technologie als zo’n beloftevolle innovatie?

NATHAL SEVERIJNS. “MSR is in het geheel, los van dit specifieke model, interessant omdat het een aantal van de problemen die de huidige, grote reactoren hebben, opvangt.

“Voor de grote reactoren zijn, door de rampen in Fukushima en Tsjernobyl, de veiligheidsvereisten zodanig opgevoerd, dat het extreem moeilijk is nog nieuwe te bouwen. Die vereisten zijn erg complex, en als je die nog verhoogt, dan lopen de bouwtijd en de kosten serieus op (zie de pas na 18 jaar operationele nieuwe Finse kernreactor, nvdr). In Europa is er het probleem dat we in dertig jaar geen nieuwe reactor hebben gebouwd, dus het verlies van effectieve kennis – hoe doé je dat? – speelt ons heel erg parten. In China, bijvoorbeeld, zijn ze continu aan het bouwen, en daar zijn de nieuwe Europese en Amerikaanse reactoren al operationeel.

“Maar, om terug te keren op de voordelen: MSR’s zijn kleinere reactoren, en daarom alleen al veel interessanter. Als je kleinere reactoren bouwt, heb je het voordeel dat niet elke reactor een prototype is. Je kunt zo’n reactor in een fabriek bouwen. Vervolgens breng je die naar de site en doe je de commissioning, zodat hij kan werken. Zo kun je de technologie veel beter realiseren, maak je ze meer site-specifiek. Bij die kleine reactoren zijn ongemakken van de eerste versie er bij de vijfde versie uit. Daarbovenop: als je zo’n kleine reactor maakt, dan heeft die minder componenten en zijn er dus minder dingen die stuk kunnen gaan.”

Geen meltdown

Wat zijn de economische voordelen aan het werken met gesmolten zouten?

SEVERIJNS. “Dat wordt gebruikt tussen 600 en 700 graden, dus warm genoeg om de warmte voor verschillende doeleinden te gebruiken. Je kunt ze bijvoorbeeld naar een nabijgelegen industriële site sturen, bijvoorbeeld van een chemisch bedrijf die ze nodig heeft.

“Daarnaast kun je die warmte ook inzetten om de reactor als batterij te gebruiken. Als er overdag veel wind- en zonne-energie is, laat je je kernreactor wel draaien, maar dan gebruik je de warmte van je reactor om ernaast een groot vat met zout op te warmen en vloeibaar te maken. Dat zout blijft makkelijk 10 tot 12 uur warm. Wanneer de wind wegvalt of er geen zon meer is, dan neem je dat gesmoltenzoutreservoir, dat aan de kant staat, om nog stoom te maken en een klassieke turbine aan te drijven.

“Eigenlijk kan zo’n gesmoltenzoutreactor dus op drie manieren gebruikt worden: om onmiddellijk de warmte van de fissie in elektriciteit om te zetten, om warmte naar de industrie te sturen en als batterij. De reactor werkt continu, en je kunt altijd iets doen met die warmte die van de fissie komt. Hij kan perfect samenwerken met hernieuwbare energie.”

‘Eigenlijk kan zo’n gesmoltenzoutreactor op drie manieren gebruikt worden: om onmiddellijk de warmte van de fissie in elektriciteit om te zetten, om warmte naar de industrie te sturen en als batterij’

Nathal Severijns, kernfysicus (KU Leuven)

Ook op het gebied van veiligheid heeft het zout een betere reputatie.

SEVERIJNS. “Het risico op een meltdown bestaat niet, omdat in die gesmoltenzoutreactoren de brandstof (doorgaans licht verrijkt uranium, nvdr) vermalen is en in vloeibare vorm in dat gesmolten zout is gemengd. De brandstof kan dus niet smelten als ze al vloeibaar is. Als een lek zou ontstaan, zouden het zout en de brandstof die ontsnappen, snel stollen tot een rotsachtig gesteente. Dat is gemakkelijker op te ruimen dan het radioactieve water of de stoom die vrijkomt als een drukwaterreactor lekt. Een radioactieve wolk, zoals bij Tsjernobyl, is dus uitgesloten.”

Obstakel

Toch is er een groot obstakel: “Het lastige van de gesmoltenzoutreactor is dat het gaat om hoge temperaturen en zout”, zegt Joost van den Broek, van de nucleaire consultancygroep NRG op techsite Tweakers. “Dat betekent corrosie en spanningen, wat veel vergt van de materialen.”

SEVERIJNS. “Iedereen die met gesmolten zouten werkt, werkt op dat corrosieprobleem. Terrestrial lost dat op door de module na zeven jaar naar de fabriek te sturen. De producent komt de module halen en er komt er een nieuwe module in de plaats, waar de fabriek aanpassingen aan doet.

“De gesmolten zouten gaan reageren met chroom, dat wordt chemisch aangevallen. De oplossing die de meeste reactorproducenten daarvoor gebruiken: ze leggen op de metalen die in contact komen met het zout een coating van zirkonium. Dat zorgt dan een beetje voor een buffer tussen het zout en het staal dat zou aangevreten worden. Maar er gebeuren nog andere onderzoeken naar manieren om die corrosie tegen te gaan.”

Geïntegreerd ontwerp

Is die succesvolle afronding van zo’n pre-licensing review groot nieuws voor de wereld of veeleer een miniem stapje richting commerciële exploitatie?

SEVERIJNS. “Het is goed dat ze nu die tweede fase gehaald hebben, al is er in principe nog een derde fase. Dit is een belangrijke stap, omdat het de eerste keer is dat een generatie 4-reactortechnologie deze stap realiseert, op weg naar goedkeuring om de reactor effectief te mogen bouwen. Eigenlijk zegt de Canadese veiligheidsautoriteit: er zijn technologisch geen essentiële problemen. Ze vragen meer details, vooral rond veiligheidsaspecten. Maar het concept van de reactor is grotendeels goedgekeurd. Mogelijk zullen ze over bepaalde aspecten van de technologie nog meer details vragen. Maar het is de eerste keer dat gesmoltenzouttechnologie zo ver raakt.”

‘Het is de eerste keer dat gesmoltenzouttechnologie zo ver raakt’

Nathal Severijns, kernfysicus (KU Leuven)

Wat maakt deze ‘IMSR’ zo speciaal?

SEVERIJNS. “Het is een geïntegreerd ontwerp, een integrated design. Daarmee bedoelen ze dat het reactorvat, de drukregelaar en de warmte-uitwisselaar in één enkel vat zitten. In de huidige reactoren zijn dat aparte componenten. In die mini-kernreactoren zitten die componenten meestal geïntegreerd in het reactorvat, dat typisch 5 meter breed en 15 meter hoog is. Daardoor zijn er veel minder connecties tussen die verschillende componenten. Zo kunnen minder dingen fout lopen, zijn er minder buizen die barstjes kunnen vertonen. Dat is een enorm voordeel van die SMR’s.”

Wordt in onze contreien ook onderzoek verricht naar deze technologie? Hoever staat dat?

SEVERIJNS. “Er loopt in Europa een langetermijnproject in verschillende onderzoeksinstituten, al zou er pas tegen 2050 een reactorproject ontwikkeld zijn. Ondertussen zijn er wel belangrijke technologische ontwikkelingen om het corrosieprobleem het hoofd te bieden. In België ontwikkelt het onderzoekscentrum SCK-CEN een reactor waarin in plaats van gesmolten zouten een gesmolten lood-bismutmengsel wordt gebruikt. Dat zijn zware metalen die ook gesmolten zijn, en die dezelfde functie als het gesmolten zout in de Terrestrial of Moltex reactor opnemen. Het heeft vergelijkbare voordelen als de Terrestrial of de Moltex-reactor, en kan dus ook kernafval vermijden en zelfs als brandstof gebruiken. Op die manier kun je het kernafvalprobleem oplossen.”

Over het onderzoekscentrum in Mol (bovenaan) en de nucleaire renaissance (onderaan):