Een kernreactor als een potkachel met eierkolen

Het Energieonderzoekcentrum in Petten gaat onderzoek doen aan een "Derde generatie' kerncentrale. De keuze is daarbij gevallen op een heliumgekoelde en grafiet-gemodereerde centrale, wat een breuk betekent met de meeste bestaande reactoren die watergekoeld en watergemodereerd zijn. Bij het ontwikkelen van de nieuwe reactor gaat het ECN uit van twee bestaande ontwerpen: de Duitse HTR-M van Siemens en de Amerikaans MHTGR van General Atomics.

Bij de meeste bestaande kerncentrales van de eerste generatie is de koeling actief, dat wil zeggen dat met pompen koelmiddel naar de hete reactor wordt gepompt. Vallen de pompen uit, dan loopt de temperatuur op, waardoor vaak de reactor oververhit raakt, waarbij een kernsmelting mogelijk is. Bij storingen hangt veel af van de inzetbaarheid van reservepompen en de alertheid van het personeel.

Sommige centrales bezitten een passieve koeling, wat inhoudt dat het koelmiddel "vanzelf' wordt toegevoerd, bijvoorbeeld door natuurlijke circulatie. De "kokend water'-reactor te Dodewaard is van dit type. Onderzoek naar vervolmaking van deze "tweede generatie'-reactoren is nog volop aan de gang. Waarschijnlijk komt dit type binnenkort in de Verenigde Staten in produktie.

Daarnaast zoeken reactorontwerpers naar nog veiliger ideeën, waarbij de term "inherent veilig' de theoretische limiet vormt: een centrale waarbij absoluut niets fout kan gaan, ongeacht menselijk falen of opzettelijke sabotage. Naar deze centrales van de "derde generatie' wordt in de wereld veel onderzoek verricht, al verkeren de ontwerpen nog in experimenteel stadium. Tot deze categorie behoren de PIUS van Asea Brown Boveri, de PRISM van General Electric en de al genoemde HTR-M en MHTGR.

Passieve koeling is mooi, maar beter is als de reactor helemaal niet oververhit kan raken. Dit is mogelijk door gebruik te maken van de "negatieve temperatuurcoëfficiënt' van de kernreactie. De splijtbare uranium-235 kern kan niet elk neutron even gemakkelijk invangen. In feite is het zo dat de neutronen die vrijkomen bij een andere uraniumsplijting, veel te snel zijn om ingevangen te worden. Ze moeten worden afgeremd tot een bruikbare snelheid. Daarvoor dient de grafietomhulling.

Loopt nu de temperatuur van de reactor op door het wegvallen van de koeling, dan wordt de snelheid van de neutronen hoger, waardoor ze minder gemakkelijk ingevangen worden. Er splijten minder uraniumkernen, waardoor er weer minder neutronen vrijkomen. Al heel snel - na een duizendste van een seconde - dooft de kettingreactie uit. Eventueel kan de reactie weer aantrekken door het dalen van de temperatuur, maar duidelijk is dat de kernreactie niet "op hol' kan slaan, zelfs zonder koelmiddel.

Het ECN wil voor twee miljoen gulden per jaar onderzoek doen dit type kernreactoren. Een van die typen is een kleine, modulaire reactor met een elektrisch vermogen van 80 megawatt waarbij het uranium is ingekapseld in grafietbollen van 6 centimeter diameter, ongeveer de grootte van een tennisbal. De grafietbol dient als moderator. Het uranium is 8 procent verrijkt, iets meer dan bij de bestaande lichtwaterreactoren die tot 3 procent verrijkt zijn (natuurlijk uranium bevat 0,7 procent uranium-235). De splijtstof is opgesloten in kleine partikeltjes van 1,0 millimeter met een viervoudige coating tegen het ontsnappen van de splijtingsprodukten. Deze partikeltjes zitten verspreid in de grafietbollen.

De temperatuur van de reactor zal liggen tussen de 800-900 graden Celsius, veel hoger dan de gebruikelijke 320 graden bij lichtwaterreactoren. Dat is de reden waarom de reactor HTR-M heet: hoge temperatuur reactor, in modules (M) in te zetten. De eigenlijke reactor is een stalen vat met een betonnen omhulling waarin deze grafietbollen zijn gestapeld, als eierkolen in een potkachel.

Dat is dan ook onmiddellijk de kritiek van prof.dr. Lucas Reijnders, medewerker van de stichting Natuur en Milieu. Als door een calamiteit lucht toetreedt kunnen de grafietbollen vlam vatten. Als er water bijkomt ontstaat waterstofgas (H) en koolmonoxyde (CO) met gevaar van ontploffing.

Kernfysicus mevrouw dr.ir. A. van Heek, die het onderzoek bij ECN doet, pareert deze aantijging. Bestudeerd gaat nu juist worden een speciale coating van de grafietbollen, waardoor deze geen vlam kunnen vatten of een reactie aangaan met binnendringend water. Van Heek: ""Het is zuiver bedoeld als laatste barrière, want de reactorwand uit staal en de betonnen omhulling zijn zeer sterk. Er moet heel wat gebeuren voordat deze kapot gaan. Binnendringen van lucht door lekkage is onwaarschijnlijk, omdat er zware overdruk (60 bar) staat op het koelmiddel helium. Bij het ontwerp is uitgegaan van het idee: als door een zware vliegtuigbom de reactor beschadigd mocht raken, en de grafietbollen met uranium vliegen door de explosie naar buiten, dan zou er naderhand alleen een wagen met een grijpertje - door een mens bestuurd - nodig zijn om de bollen te verzamelen.'

Reijnders gelooft niet erg in de coating van de grafietbollen: ""Zo'n coating raakt altijd beschadigd'. Bovendien gelooft hij dat de vrije warmteuitstraling van de reactor wel eens tekort kan schieten.

De modules zijn wel klein gekozen - 80 megawatt is aanmerkelijk kleiner dan de gebruikelijke 1000 megawatt - maar toch zou, aldus Reijnders, de natuurlijke uitstraling kunnen tegenvallen. Bovendien bestaat geen zekerheid over de natuurlijke ventilatie van het heliumgas als de koeling uitvalt. Van Heek zegt hierop dat ventilatie niet van belang is voor de koeling - de warmteuitstraling is groot genoeg.

Reijnders: ""Alle bestaande ontwerpen van de "derde generatie' bezitten wel een of andere Achilleshiel. Echt inherent veilig zijn ze geen van alle. Wat nodig is, is een theoretische doorbraak. Mensen als Alvin Weinberg zeggen dat dit mogelijk is. Het voortborduren op ontwerpen als PIUS, HTR-M of PRISM lijkt me zinloos.'

Van Heek is het hiermee niet mee eens: ""Met de gasgekoelde hoge-temperatuur reactor is al vrij veel ervaring opgedaan. De grote HTR-kerncentrale in Hamm-Uentrop (Duitsland) is gesloten - eigenlijk om politieke redenen. Technisch gezien waren er enkele bezwaren, maar hierin wordt met het nieuwe ontwerp juist tegemoet gekomen. Zo is opzettelijk gekozen voor kleine modules, waardoor de warmte door natuurlijke straling door de wand kan afvloeien.'

Door de hoge temperatuur kan de reactor ook voor heel andere toepassingen worden ingezet dan alleen elektriciteitsopwekking. Gedacht wordt aan proceswarmte voor de industrie, stadsverwarming en voor het maken van waterstof als nieuwe, schone energiedrager.

J.R. Koza: Genetic Programming. MIT Press 1992; 819 blz. $55.-; ISBN 0-262-11170-5.