Als het gejammer, gehuil en tandengeknars na de ineenstorting van de waterstofeconomie voorbij is en de wederopbouw begint, zal er vraag zijn naar solide energietechnologie. Een type reactor met toekomst is de kiezelbedreactor. Het is in zekere zin de link tussen de oude lichtwaterreactor en de nieuwe snelle kweekreactor. Onze eco-nucleaire experts hadden de...

...definitievre ondergang ervan al bevestigd: De ontmantelde kiezelbedreactor in Noordrijn-Westfalen zou “een uithangbord van mislukking voor de eeuwigheid” zijn!¹

Als een trotsering ging eind 2023 eenzelfde reactor in het Chinese Shidaowan aan de Gele Zee aan het net.² Leest men de geschriften van de milieuscene, dan handelen de Chinezen dom en onverantwoordelijk. Per slot van rekening is vanuit het wereldbeeld van onze groene Baizuos, zoals de Chinezen dit soort tijdgenoten liefdevol noemen, de kiezelbedreactor immers een van de slechtste überhaupt. 

Het is zeker waar dat de eerste van hun soort - eerst in Jülich en later in Hamm-Uentrop - niet onder een gelukkig gesternte stonden. Technische defecten, bedieningsfouten en veronachtzaming van de veiligheidsvoorschriften leidden tot het vrijkomen van aanzienlijke hoeveelheden radioactiviteit.3 Een keer dachten de exploitanten waarschijnlijk dat ze een dergelijk ongeluk konden verbergen omdat op dat moment de Tsjernobylwolk over het land waaide. Sommige “ongelukken” lijken op sabotage. Na de centrale in Hamm-Uentrop werd in 1989 ook de reactor in Jülich eindelijk stilgelegd. De gebeurtenissen laten zien dat de felle protesten van het publiek tegen wat toen een autocratische nucleaire lobby was, maar al te gerechtvaardigd waren. Maar dat is lang geleden. 

De reactor in Jülich was de eerste centrale die niet langer werkte met brandstofstaven, maar met brandstofballen zo groot als tennisballen. Behalve inactief uranium-238 bevatte elk balletje een paar gram uranium-235 en grafiet. In die tijd werden nog deeltjes met een dubbele coating gebruikt (BISO). Dit resulteerde in veel slijtage. Als grafietstof in contact komt met zuurstof, kan het ontbranden door één enkele vonk.⁴ De operators hadden geluk, er gebeurde niets.

Vanaf 1980 waren er veel betere brandstofkogels beschikbaar. Opnieuw zat de brandstof in tienduizenden met silicium beklede deeltjes zo klein als maanzaad. Maar nu waren de grafietbolletjes ook gecoat met siliciumcarbide. Deze bolletjes, bekend onder de naam TRISO, worden vandaag de dag nog steeds wereldwijd gebruikt; ze zijn ultrastabiel en bestand tegen temperaturen van 1600 graden.⁵ Om toelatingsredenen mochten ze niet worden gebruikt in Hamm-Uentrop.

Meer veiligheid

Het vervangen van de splijtstofstaven in oudere kernreactoren is een dure en riskante operatie: de drukreactor moet afkoelen voordat hij kan worden geopend, wat een shutdown van meerdere weken vereist. Om dit uit te stellen werden de reactoren geladen met een extra portie brandstofelementen. Dit zogenaamde reactiviteitsoverschot wordt gecompenseerd door extra moderatoren. In de kiezelbedreactor daarentegen worden slechts zoveel kiezelelementen toegevoegd als nodig is. Verbruikte brandstof kan tijdens de werking onderin worden verwijderd. 

Koeling is een andere achilleshiel van lichtwaterreactoren. Bij een storing stijgt de temperatuur in de reactor. De resulterende waterdamp kan de leidingen doen barsten. Een kernsmelting gevolgd door een ernstige waterstofexplosie kan niet worden uitgesloten. Dat is niet het geval in de kiezelbedreactor. Het helium dat hier wordt gebruikt, staat niet onder druk en kan niet verbranden of exploderen en wordt ook niet radioactief. 

Nog belangrijker is een speciale fysische eigenschap: de “negatieve temperatuurfeedback”.⁶ Als de temperatuur stijgt, daalt de inslagsnelheid van de neutronen door de uitzetting en dus ook de kernsplijting. Als gevolg daarvan koelt de reactor af. Eenmaal afgekoeld neemt de trefkans weer toe en stijgt de temperatuur weer. Dit effect zou worden versterkt door de “dopplerverbreding” van de atomen. 

Maar hoe weten de technici dat de paradoxaal klinkende theorieën van de natuurkundigen kloppen? Heel eenvoudig: ze probeerden het uit, ze schakelden gewoon de koeling uit bij volle belasting. De reactor werd eerst een beetje heter, daarna werd hij rustiger en koelde af zoals verwacht. Geen schade, geen lekkage van radioactiviteit. De tests werden eerst uitgevoerd in Jülich in Duitsland en daarna in China.³

De World Nuclear Association rapporteerde daartoe: “In 2004 werd de reactor onderworpen aan een extreme veiligheidstest toen het heliumcircuit opzettelijk werd uitgeschakeld zonder de reactor uit te schakelen. De temperatuur steeg gestaag, maar de natuur van de brandstof zorgde ervoor dat de reactie geleidelijk afnam en uiteindelijk na drie uur tot stilstand kwam", d.w.z. dat de reactor was afgekoeld tot de lagere normale temperatuur.⁷

China: eindelijk een “grote sprong voorwaarts

De eerste kiezelbedreactor was al in 1967 in gebruik genomen in Jülich. Deze werd al snel gekopieerd en verder ontwikkeld door de Tsinghua Universiteit in Beijing. Een bijzonder kenmerk van de Chinese versie is dat deze niet alleen uranium-235 als brandstof verbrandt, maar ook thorium-232: als thoriumbolletjes rond de actieve kern van de reactor worden geplaatst, fungeren ze als neutronenvangers en zetten ze zich om in splijtbaar uranium-233. Wanneer ze na het doorlopen van de broedzone gecontroleerd in het binnengebied van de reactor rollen, worden ze omgezet in splijtbaar uranium-233 en dienen ze daar als nieuwe brandstof.^8,9

Doel van de branche is natuurlijk een reactor die evenveel nieuw splijtbaar materiaal produceert als hij verbruikt. Het feit dat de Tsinghua Universiteit zo'n 50 jaar heeft besteed aan de ontwikkeling van haar experimentele reactor is zeker ook te danken aan deze wens. Ook al laten de Chinezen zich niet graag in  de kaarten kijken, mag worden aangenomen dat ze een “kweker” ontwikkeld hebben, die jarenlang zijn eigen brandstof kweken kan.^10,11

Zelfs als kiezelbedreactoren veel beter zijn dan lichtwaterreactoren in termen van veiligheid, hebben ze nog steeds een ernstig nadeel: De aanzienlijke hoeveelheden nucleair afval. De uitgebrande bolletjes worden momenteel niet opgewerkt vanwege hun hoge stabiliteit. Alle splijtingsproducten zitten erin opgesloten en de reactor blijft schoon. Toch zullen de splijtingsproducten in de bollen vroeg of laat de kernreacties tot stilstand brengen.¹² Dit beperkt het gebruik ervan op een vergelijkbare manier als bij splijtstofstaven.

Voor zover er informatie beschikbaar is over de Chinese HTR-PM-kiezelbedreactor, werkt deze nog steeds met een “open splijtstofcyclus”. Dit vereist tussentijdse opslag van de oude brandstofpellets gedurende honderd jaar, waarna definitieve verwijdering mogelijk is. Vroeg of laat zullen de Chinezen hun gebruikte brandstofpellets echter opwerken zodra de hoeveelheid de moeite waard is. Het is zeker geen heksentoer om deze keramische elementen te breken, het grafiet te recyclen om het volume te verminderen en de radionucliden terug te verwerken in brandstofpellets of voor medische doeleinden.¹³ 

Het eerste reactorblok in Shidaowan werd in 2022 in gebruik genomen, gevolgd door blok 2. Er zijn nu nog 18 andere kiezelbedreactoren gepland in China. Begin 2016 kwamen de Chinezen met Saoedi-Arabië overeen om een dergelijke fabriek te bouwen voor de destillatie van zeewater. Indonesië volgde in augustus 2016 om energie op te wekken in afgelegen delen van het land. Deze reactoren lenen zich voor een modulair ontwerp dat uit kleinere eenheden bestaat. Hierdoor kunnen de installaties industrieel worden voorgeproduceerd en ter plaatse worden geïnstalleerd. 

Zulke centrales zouden een groot voordeel zijn voor de levenskwaliteit en gezondheid van de bevolking van minder ontwikkelde landen. In veel delen van de wereld koken mensen nog steeds op hout. De rook die daarbij vrijkomt, is de oorzaak van veel gezondheidsproblemen.^14,15 Vooral vrouwen lijden aan ernstige longaandoeningen zoals COPD (een chronische ontsteking met toenemende vernauwing van de luchtwegen en emfyseem).¹⁶ Koken op hout zorgt er ook voor dat veel vrouwen blind worden.¹⁷

Ook koelkasten verbeteren de gezondheid. Door voedsel overgedragen infecties zijn een constant gevaar, vooral in tropische landen. Omdat dierlijk voedsel niet vers vervoerd en opgeslagen kan worden, wordt vee vaak over lange afstanden naar de markt gebracht. Onmiddellijk na het slachten wordt het vlees op het vuur gelegd. De stukken vlees zijn meestal klein omdat het vlees door het klimaat niet hoeft te rijpen, wat het weefsel malser zou maken. China's reactormodules zouden daarom een zegen kunnen zijn voor mensen in minder ontwikkelde landen.

Wikipedia legt de wereld anders uit: voor de Duitse lezers is de kiezelbedreactor “een van de grootste fouten in Duitse projecten van de afgelopen 55 jaar”.¹⁸ Maar het lelijke eendje is aan het ruien tot een trotse zwaan. Hoe grillig de gebeurtenissen rond de prototypes in NRW ook waren, prototypes staan niet aan het eind van een ontwikkeling, maar aan het begin. Net zo ingenieus zijn verwijzingen naar de veiligheidsproblemen van de eerste auto's. Benz' gemotoriseerde koets uit 1886 had geen veiligheidsgordels of airbags.

No risk, no fun

Rainer Moormann, waarschijnlijk de meest kritische expert op het gebied van kiezelbedreactoren, waarschuwt ondanks alle successen voor overhaaste euforie: geen enkele complexe industriële installatie is immers immuun voor fouten en risico's, ook al biedt de kiezelbedreactor veel meer veiligheid dan eerdere reactoren. Keer op keer hebben de testfaciliteiten onverwachte reacties laten zien. Er moet ook rekening worden gehouden met defecte bolletjes die breken en vervolgens de reactorkern besmetten met gas- en stofnucliden.¹⁹

De fundamentele zorgen gelden natuurlijk voor alle soorten energieopwekking. Als het cement tijdens de bouw van een dam verkeerd wordt gemengd, neemt de kans op een breuk toe. Een zware aardbeving zal elke dam doen barsten. Wat zouden de gevolgen kunnen zijn voor de Drieklovendam in de Yangtze? Zelfs schijnbaar onschuldige technologieën, zoals windenergie, zijn uitgegroeid tot een energiebeleids- en ecologische nachtmerrie. Of geothermische energie, die een klein stadje Staufen in Baden-Württemberg in slow motion vernietigt:

De inwoners van Staufen wilden eigenlijk alleen hun stadhuis verwarmen met het water dat uit de diepte omhoog borrelt om energie te besparen. Nu leven de burgers op een kruitvat. Tot nu toe zijn de gebouwen in de oude stad 70 cm gestegen en een halve meter verschoven - in verschillende richtingen. Er worden pompen gebruikt om water uit nieuwe, nog diepere boorgaten te pompen, water dat eerder een laag calciumsulfaat deed opzwellen. Zonder krachtige pompen zal de grond waarschijnlijk nog eens twee meter of meer stijgen - maar niet gelijkmatig.²⁰ 

Het punt is niet om de risico's te bagatelliseren of te dramatiseren, maar om ze af te wegen en te accepteren dat zelfs op het eerste gezicht aantrekkelijke ecologische processen op zeer kleine schaal verwoestende gevolgen kunnen hebben voor mens en milieu. Ondertussen zijn er nog veel meer ernstige problemen met geothermische energie aan het licht gekomen.²¹ Als gevolg daarvan is de veiligheidstechnologie voor nieuwe boorputten drastisch verbeterd. Tot nu toe heeft elke succesvolle technologie deze weg bewandeld.

De Zwitsers: kritisch, maar zeker niet subkritisch

De Zwitsers zijn zeer kritisch over kernenergie. Reden genoeg voor de wetenschappers daar om een ​​elegante reactor te ontwikkelen die werkt zonder de omstreden begrippen  die emotionele reacties teweegbrengen bij onze milieuvrienden.  Het belangrijkste verschil met alle andere reactoren is dat hij altijd “subkritisch” werkt.²² Dat betekent dat hij niet in staat is om uit zichzelf een kettingreactie op te starten of in stand te houden. Hij wordt niet aan de gang gehouden met neutronen uit radionucliden, zoals meestal het geval is, maar van buitenaf door een deeltjesversneller, een hoogenergetische cyclotron. Kleinere versies van cyclotrons worden al lang in veel ziekenhuizen gebruikt om kankerpatiënten te behandelen.

Deze reactor maakt ook gebruik van thorium, dat wordt omgezet in splijtbaar uranium-233. De cyclotron doet dit door protonen te versnellen tot bijna de lichtsnelheid. Wanneer deze protonen een doelmetaal zoals lood in de reactor raken, wordt het in vele fragmenten opgesplitst (spallatie). Tijdens dit proces worden er veel neutronen uit de kernen geschoten. Deze neutronen zetten op hun beurt het transmutatieproces in gang, waardoor lood in uranium verandert. Lood is samen met bismut ook een koelmiddel.²³ Hierdoor kan de versneller onder atmosferische druk werken, wat de veiligheid ten goede komt. 

Zodra de versneller wordt uitgeschakeld, stopt de reactie.²⁴ Net als andere reactoren genereert de reactor alleen wat vervalwarmte omdat de (kortlevende) splijtingsproducten nog enige tijd blijven “stralen” en ook een kleine hoeveelheid neutronen uitzenden.²⁵ Net zoals een tegelkachel warmte blijft uitstralen nadat het vuur is gedoofd. 

Naast thorium kan ook kernafval gebruikt worden als energiebron. De snelle neutronenflux verbrandt het meeste langlevende afval, waaronder plutonium, neptunium en americium.²⁶ Dit vermindert de massa van opgebrande brandstofstaven. Natuurlijk produceert de spallatie in de reactor ook transuranen en splijtingsproducten. De meeste daarvan, zoals technetium-99 of jodium-129, met soms “bijbelse” halfwaardetijden van miljoenen jaren, worden op dezelfde manier in kleinere fragmenten afgebroken hetgeen energiewinst oplevert. De cyclotron gebruikt deze om de kortlevende isotopen technetium-100 en jodium-130 te produceren, waaruit stabiel ruthenium en stabiel xenon-130 worden geproduceerd.²⁷

Weliswaar hebben de experimenten die hiervoor werden uitgevoerd zonder uitzondering gewerkt, is er ook hier een keerzijde: het Zwitserse volk heeft zich er in een referendum tegen uitgesproken. Het zit liever op zijn kernafval zitten en bewaakt het tot Sint-juttemis. Nu zoeken de uitvinders in het buitenland naar manieren om het te realiseren.

Literatuur

1) Langen A: Strahlendes Glanzstück. Kontext: Wochenzeitung Ausgabe 40, 04.01.2012

2) Anon: China's demonstration HTR-PM reaches full power. World Nuclear News 9. Dec. 2022

3) Moormann R: AVR prototype pebble bed reactor: a safety re-evaluation of its operation and consequences for future reactors. Kerntechnik 2009; 74: 8-21

4) Kane JJ et al: Understanding the reaction of nuclear graphite with molecular oxygen: Kinetics, transport, and structural evolution. Journal of Nuclear Materials 2017; 493: 343-367

5) Forsberg C, Kadak A: Safeguards and security for high-burnup TRISO pebble bed spent fuel and reactors. Nuclear Technology 2024; DOI: 10.1080/00295450.2023.2298157

6) Becker P et al: Implementation of safeguards measures at the high temperature gas-cooled reactor pebble-bed module (HTR-PM) in China and proposed safeguards by design for units to be exported to other state.  International Atomic Energy Agency 2018; IAEA-CN-267

7) World Nuclear Association: China's nuclear fuel cycle. London, November 2023

8) Jiang S et al: A review of pebble flow study for pebble bed high temperature gas-cooled reactor. Experimental and Computational Multiphase Flow 2019; 1: 159-176

9) Elhefnawy AH et al: A proposed refueling scheme for the modular pebble bed reactor. Nuclear Engineering and Design 2024; 418: e112894

10) Wols FJ et al: Conceptual design of a passively safe thorium breeder Pebble Bed Reactor. Annals of Nuclear Energy 2015; 75: 542–558

11) Alzamly MA et al: Burnup analysis for HTR-10 reactor core loaded with uranium and thorium oxide. Nuclear Engineering and Technology 2020; 52: e674e680

12) Wang Y et al: Inventories of short-lived fission gas nuclides in nuclear reactors. Energies 2023; 16: e2530

13) Curtius H et al: Spent UO2 TRISO coated particles – instant release fraction and microstructure evolution. Radiochimica Acta 2015; 103: 433-442

14) Pokhrel AK et al: Case–control study of indoor cooking smoke exposure and cataract in Nepal and India. International Journal of Epidemiology 2005; 34: 702–708

15) Kaplan C: Indoor air pollution from unprocessed solid fuels in developing countries. Reviews in Environmental Health 2010; 25: 221-242

16) Wankar RL, Deo DS: Impact of biomass fuels on the respiratory functions of women in rural India. Journal of Family Medicine & Primary Care 2022; 11: 7212-7216

17) Chan KH et al: Long-term solid fuel use and risks of major eye diseases in China: A population-based cohort study of 486,532 adults. PLoS Medicine 2021; 18: e1003716

18) Anon: Kernkraftwerk THTR-300. Wikipedia, abgerufen am 21. April 2024

19) Moormann R et al: Caution is needed in operating and managing the waste of new pebble-bed nuclear reactors. Joule 2018; 2: 1911–1914

20) Hermanns T: So will Staufen verhindern, dass sich die Erde weiter hebt. SWR Aktuell Online 15.9.2022

21) Grimm M et al: Schadensfallanalyse von Erdwärmesondenbohrungen in Baden-Württemberg. Grundwasser - Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie 2014; 19: 275-286

22) Guilbaud T et al: Preliminary safety analysis of the TRANSMUTEX sub-critical reactor using the GeN-Foam multi-physics solver. Progress in Nuclear Energy 2024; 168: e104980

23) IAEA: Status of Accelerator Driven Systems Research and Technology Development. IAEA-TECDOC-Series 1766, Wien 2015

24) Ashley VB et al: The accelerator-driven thorium reactor power station. Energy 2011; 164 (Issue EN3): 127–135

25) Prasser HM: Kurze Führung durch den Zoo der Kernreaktortypen. Denkströme. Journal der Sächsischen Akademie der Wissenschaften 2019; H.21: 99-116

26) Pudjorahardjo DS, Wahyono PI: High power particle accelerator for driving the nuclear waste transmutation system at nuclear power plant. Journal of Physics: Conference Series 2021; 1825: e012093

27) World Nuclear Association: Accelerator-driven nuclear Energy. London, August 2018