In detail: Veilige Kernenergie

Nogal wat pleitbezorgers van gesmoltenzoutreactoren hanteren het argument dat gesmoltenzoutreactoren vele malen veiliger zouden zijn dan ‘gewone’ kerncentrales, die in vrijwel alle gevallen gebaseerd zijn op zogeheten lichtwaterreactoren (LWR). Daarbij hoort wel de kanttekening dat in hun huidige vorm kerncentrales nu al de veiligste vorm van energieopwekking zijn. (https://ourworldindata.org/what-is-the-safest-form-of-energy/).

 

Hoewel dit feit in steeds bredere kring wordt erkend, wordt dit toch vaak vertaald als ‘de kans dat het misgaat is weliswaar klein, maar als het mis gaat, gaat het ook heel erg mis’. Daar valt het nodige op af te dingen, en het is daarom om goed te begrijpen wat er dan precies mis gaat, en wat we geleerd hebben van de bekende historische ongelukken met centrales, met name die in Tsjernobyl en Fukushima.

 

Om alvast één misverstand uit de weg te ruimen: een ongeluk met een kerncentrale kan niet leiden tot een kernexplosie. (Wilkins, 2011)De gevolgen laten zich daarmee dan ook niet vergelijken. De zorg bij kerncentrales betreft vooral het mogelijke gevolg dat ook een relatief kleine explosie kan hebben: het verspreiden van radioactief materiaal. Deze zorg concentreert zich op enkele vluchtige componenten die via de lucht verspreid kunnen worden. Deze componenten worden per hoeveelheid energie in verschillende types centrales in zo’n beetje dezelfde hoeveelheid geproduceerd. Daarin zit dus weinig verschil tussen ouderwetse en ongewone reactoren zoals die van Tsjernobyl, oudere types LWR zoals in Fukushima in gebruik waren, moderne LWR’s zoals die in Finland zijn gebouwd en de toekomstige gesmoltenzoutreactoren, of die nu op thorium of uranium draaien.

 

Verschillen in veiligheidsbarrières per type reactor

Wel zijn er belangrijke verschillen tussen deze reactoren voor wat betreft de mogelijkheid dat deze stoffen zich kunnen verspreiden. Ontwerpers van kerncentrales stellen de vraag welke ‘verspreidingsmechanismen’ er zijn voor het radioactieve materiaal, en welke voorzieningen nodig zijn om dergelijke verspreiding te voorkomen.

In ‘gewone’ LWR’s bevinden zich een reeks van dergelijke barrières. Allereerst zit de brandstof in zogeheten ‘pellets’, kleine cilindertjes die van keramisch materiaal zijn gemaakt. De radioactieve componenten zitten daarin op gesloten. Deze pellets zitten op hun beurt weer in lange buizen van speciaal metaal, die de volgende barrière vormen.

Reactorvat

Deze buizen of brandstofstaven zitten weer opgesloten in een reactorvat, dat gevuld is met water dat onder hoge druk staat. Deze druk is nodig om het water heet genoeg te kunnen maken voor praktische elektriciteitsproductie. https://www.thmsr.com/references#hargraves2010  Maar de hoge druk en temperatuur in het in het reactorvat betekent dat het water in geval van breuk explosief in stoom zou kunnen veranderen. Het reactorvat zelf is daarom een zeer sterk gebouwd om die hoge druk en temperaturen ruimschoots te weerstaan.

De kans dat het misgaat met een reactorvat is dan ook buitengewoon klein. Maar deze kan nooit nul zijn en daarom is er een klein restrisico. De versterkte betonnen koepel is er om dat risico te compenseren: bij moderne versies van de LWR is deze koepel groot en sterk genoeg om een stoomexplosie te weerstaan. Deze versterkte koepel dient tevens om de reactor te beschermen tegen inslag van een neerstortend vliegtuig.

Versterkte koepel

Een tweede ‘verspreidingsmechanisme’ is dat het metaal van de hulzen die de brandstofstaven vormen, zirkonium, bij hoge temperatuur een reactie met water kan aangaan waardoor waterstof ontstaat, een explosief gas. Dit is een scenario dat zich bij het ongeluk in Fukushima heeft voltrokken. Om dat risico te keren zijn in moderne centrales katalysatoren aangebracht die er voor zorgen dat waterstof geleidelijk en continu wordt omgezet in water, waardoor dit explosierisico verdwijnt.

Een derde ‘verspreidingsmechanisme’ tenslotte is het smelten van de kern, dat wil zeggen van de brandstofstaven. Dit kan zich voordoen als er onvoldoende water is om de kern te koelen. Deze koeling is ook nodig nadat de reactor is stilgelegd: gedurende een bepaalde periode blijft de kern ‘vervalwarmte’ produceren. Kort na het stilleggen produceert de kern nog zoveel vervalwarmte dat in het ergste geval er een kernsmelt zou kunnen plaatsvinden, zelfs zodanig dat het materiaal van de kern door de reactorwand kan smelten, en radioactieve stoffen vrij zouden kunnen komen. (Matson, 2011)(Gamble, 2011)

Core catcher

Om dit te voorkomen, zijn er ook weer diverse veiligheidsbarrières. De belangrijkste is de voorziening voor noodkoeling: koelwater dat van buitenaf de kern in kan worden gepompt. De modernste LWR’s hebben naast deze nog een andere voorziening om zelfs in geval van een algehele kernsmelt te voorkomen dat het materiaal uit het reactorvat kan. Deze voorziening heet een ‘core catcher’, een flinke laag speciaal metaal die het gesmolten kernmateriaal opvangt, en waarmee het een legering vormt die stolt, waardoor verspreiding van materiaal kan worden voorkomen.

Kijken we naar de bekende historische ongevallen, dan vallen een paar dingen op. Ten eerste dat in de statistiek ook inclusief die ongevallen, kernenergie nog steeds als veiligste vorm van energieopwekking aanwijst. (https://ourworldindata.org/what-is-the-safest-form-of-energy/) Een ongeluk zoals bij Tsjernobyl kan zich in een moderne lichtwaterreactor niet voordoen, omdat het om een totaal ander type reactor ging: het verschil tussen de Tsjernobyl-reactoren en lichtwaterreactoren is zo groot als het verschil tussen een stoomlocomotief en een moderne elektrische locomotief.  Ook had de reactor van Tsjernobyl geen veiligheidskoepel waardoor het materiaal in grote hoeveelheden kon ontsnappen. (Hargraves & Moir, 2010, p. 310)(LeBlanc, 2009, p. 1645).

Kijken we naar de reactoren van Fukushima, dan gaat het weliswaar om een reactor van dezelfde familie, maar de verschillen met een moderne reactor zijn desondanks groot. Elk van de genoemde veiligheidsstructuren afzonderlijk (de grotere en sterkere veiligheidskoepel, de katalysatoren voor de waterstof, de ‘core catcher’) had kunnen voorkomen dat er straling was vrijgekomen.

Veiligheid in MSR goedkoper te realiseren

Dankzij (onder andere) de beschreven structuren staat de veiligheid van moderne LWR’s eigenlijk niet meer ter discussie. Maar ze hebben wel een prijskaartje.

Eén van de grote beloftes van MSR’s is dat minimaal eenzelfde niveau van veiligheid bereikbaar is tegen aanzienlijk lagere kosten. Deze verwachting is gebaseerd op een aantal ‘inherente’ eigenschappen van MSR’s. Ofwel eigenschappen die het systeem van zichzelf al heeft, waardoor er minder dure structuren te hoeven worden toegevoegd om de gewenste veiligheid te garanderen.

Het grootste verschil is dat MSR’s, in tegenstelling tot traditionele reactoren, werken met vloeibare zouten op omgevingsdruk.

Stoffen gebonden in het zout

Het feit dat het om zouten gaat is het eerste belangrijke veiligheidsaspect. Zouten bestaan uit stoffen die een zogenoemde ‘ionische binding’ met elkaar zijn aangegaan. Dat is een enorm sterke binding. Het is deze binding die er voor zorgt dat u veilig keukenzout over uw eitje kunt strooien, terwijl dat zout bestaat uit twee componenten die in afzonderlijke toestand gevaarlijk zijn. De ene is chloor, een giftig gas, de ander is natrium, een goedje dat brandbaar is en explosieve gassen vormt als het met water in aanraking komt. Maar met een snufje zout is niets aan de hand. In een gesmoltenzoutreactor zijn juist die eerder genoemde problematische radionucliden (jodium, cesium, strontium) veilig en stevig in het zout gebonden in de vorm van een fluoride of chloride. Ze zullen zich dus niet zomaar verspreiden in geval van een ongeluk.

Werking bij omgevingsdruk

Het gesmolten zoutmengsel werkt rond 500-700°C en is zowel als brandstof als koelmiddel. Het kookpunt van dit mengsel is meer dan 1400°C, wat plezierig veel hoger is dan de bedrijfstemperatuur. Werking bij omgevingsdruk elimineert het risico van een drukexplosie. Een breuk in het primaire circuit zou resulteren in een lek, niet in een explosie. Een versterkte buitenconstructie zal nog steeds gewenst zijn, maar deze hoeft niet gebouwd te worden op druk van binnenuit, waardoor de constructie veel kleiner en goedkoper kan zijn. Lekkend vloeibaar zout zou eenvoudig kunnen worden opgevangen in een opvangbak waar het passief kan afkoelen en uitharden (Hargraves & Moir, 2010, p. 310) (LeBlanc, 2009, p. 1644).

Kernsmelt is geen relevant risico voor een MSR

Omdat het zoutmengsel in een MSR zich al in een gesmolten toestand bevindt, is een ongeval waarbij de kern smelt – het worstcasescenario van een lichtwaterreactor – geen relevant risico. In het geval van een hypothetische runaway-reactie waarbij de temperatuur zo hoog oploopt dat het vat zou smelten, zou het mengsel opgevangen kunnen door de opvangbak – die zodanig is ontworpen dat de reactie hoe dan ook stopt. Daarnaast hebben thorium-MSR’s twee passieve mechanismen die runaway-reacties voorkomen of hanteerbaar maken: een negatieve temperatuurcoëfficiënt en een smeltplug. Deze zullen we hieronder nader toelichten.

Klik op de bewerken-knop om deze tekst te wijzigen. Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Ut elit tellus, luctus nec ullamcorper mattis, pulvinar dapibus leo.

Negatieve temperatuurcoëfficiënt stuurt de reactie ‘vanzelf’ bij

Als de temperatuur in het vloeibare zout stijgt, begint de nucleaire reactie minder efficiënt te worden. Dit wordt een ‘negatieve temperatuurcoëfficiënt’ genoemd. Ingenieurs kunnen deze eigenschap gebruiken bij het ontwerpen van de structuur van het reactorvat en de samenstelling van de vloeibare brandstof. Deze kunnen zodanig op elkaar worden afgestemd dat de reactor ‘de last volgt’: als er warmte uit de kern wordt gehaald, koelt de vloeistof af en intensiveert de reactie. Wordt er geen warmte uit de kern gehaald, dan wordt de vloeistof heet en neemt de reactie af. Wanneer de temperatuur in een reactor een bepaald niveau overschrijdt (bijvoorbeeld in het geval van een storing in het secundaire koelcircuit of in de generator), zal de brandstof uitzetten, waardoor er minder brandstof in de kern overblijft. Dit verlaagt automatisch de snelheid van splijting en werkt daardoor als een zelfregulerende eigenschap van de brandstof. Dit mechanisme werkt zonder menselijke tussenkomst.(Hargraves & Moir, 2010, p. 310)(LeBlanc, 2009, p. 1645)(Juhasz, et al., 2009, p. 4).   Deze eigenschap komt niet alleen van pas als een reactor moet samenwerken met variabele bronnen zoals wind en zon, het is ook een veiligheidsmechanisme.

Smeltplug doet het zout weglopen bij oververhitting

Een ander eenvoudig maar effectief veiligheidskenmerk van de MSR is de smeltplug in het leidingsysteem onder de reactorkern, gemaakt van gestold zout. De plug houdt zijn stolling doordat deze van buiten wordt gekoeld – bijvoorbeeld met een elektrische ventilator. Wanneer de temperatuur oploopt of wanneer de stroom naar de reactor (en dus de ventilator) uitvalt, smelt de plug en stroomt het zout eenvoudig weg in een veilig opvangbassin dat zodanig is ontworpen dat de reactie onmiddellijk stopt. (Hargraves & Moir, 2010, p. 310) (LeBlanc, 2009, p. 1644)(Juhasz, et al., 2009, p. 3).

Dat is anders dan bij lichtwaterreactoren die aanwezigheid van water en een externe stroomvoorziening vereisen om de reactor veilig een noodstop te laten maken. De smeltplug werkt zonder stroom. De werking is met succes gedemonstreerd tijdens het experiment met gesmoltenzoutreactoren in Oak Ridge in de jaren 60 van de vorige eeuw. Het werkte zo goed, dat het de standaard shutdown-procedure werd. Uiteraard moeten verdere ontwerpspecificaties worden ontwikkeld die ervoor zorgen dat de reactor onder alle omstandigheden kan worden gesloten, maar de intrinsieke eigenschappen van MSR-technologie bieden aan ingenieurs een uitstekend vertrekpunt.