Zwarte biljartballen in een veilige reactor

Er bestaat een kernreactor die van nature veilig is: de ballenbakreactor. Sinds kort produceert China er elektriciteit mee. Zuid-Afrika is dat van plan.

Gaat de ballenbakreactor de kernenergie uit het slop halen? Dat zou wel eens kunnen. Het heeft er veel van dat de zoektocht naar de `inherent veilige' kernreactor ten langen leste heeft geleid tot het ontwerp van een kernreactor waarvoor niemand meer bang hoeft te zijn: de `pebble bed'-reactor. Zelfs als alle systemen voor koeling of besturing falen kan er met deze reactor weinig anders gebeuren dan dat-ie warm wordt. Heel warm, misschien, maar niet meer dan dat. Dat blijkt niet alleen uit theoretische beschouwingen, dat is experimenteel bevestigd.

Scientific American plaatste de pebble bed-reactor vorig jaar (januari 2002) vooraan in een opsomming van zogenoemd inherent veilige kernreactoren. Of om precies te zijn: in een opsomming van reactoren die voldoen aan de criteria voor de `Generation IV'-reactoren. `Generation IV' is de aanduiding van een onderzoeksprogramma dat in 1999 door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) werd opgericht. Streven is om – weer eens opnieuw – ontwerpeisen te formuleren voor een reactor die maatschappelijk aanvaardbaar zou zijn en tegelijk economisch aantrekkelijk. Aan het programma wordt inmiddels door negen andere landen meegewerkt, in Europa zijn dat Frankrijk, Engeland en Zwitserland. Dat zijn de landen waar de maatschappelijke acceptatie van kernenergie hoog is.

Het DOE-programma moet de impasse doorbreken die in 1979 ontstond na het ongeluk in de centrale `Three Mile Island' van Harrisburg. Sinds die tijd zijn in de VS geen nieuwe kernreactoren meer besteld, ook natuurlijk omdat zich in 1986 nóg een ongeluk voordeed, dat van Tsjernobyl.

De technische herbezinning die na `Tsjernobyl' op gang kwam heeft geleid tot het ontwerp van inmiddels leverbare reactoren die als `Generation III' worden aangeduid. De veiligheid is er grotendeels geoptimaliseerd zonder oude grondbeginselen wezenlijk aan te tasten. Dat houdt grofweg in dat water er de hoofdrol heeft in zowel de koeling (het warmtetransport) als de noodzakelijke afremming van neutronen. Japan heeft twee van zulke reactoren geplaatst: Advanced Boiling Water Reactors (ABWR's) van General Electric. Ook de nieuwe kernreactor waarmee Finland zijn park van twee Russische en twee Zweedse reactoren gaat uitbreiden zal zeker zo'n derdegeneratiereactor zijn. De Finnen hebben de keuze uit een Russische VVER-reactor, een ABWR, een EPR van Siemens-Framatome of de Siemens SWR-1000.

Grootscheepse bouw en plaatsing van `Generation IV'-reactoren wordt niet voorzien vóór het jaar 2030. Het ontwerp van deze reactoren verschilt zo wezenlijk van dat waarmee tot dusver ervaring is opgedaan dat nog veel rekenen en theoretiseren nodig is om tot de bouw van een prototype te besluiten.

Dat geldt in mindere mate voor de pebble bed-reactor, of de `hoge temperatuur reactor' (HTR) zoals die ook wel wordt genoemd. Weliswaar verschilt deze reactor, met zijn grafietballen en heliumkoeling, sterk van de thans gangbare reactoren, er staat tegenover dat met het principe toch al veel ervaring is opgedaan, zowel in Duitsland als in de VS. In het Duitse Jülich (bij Aken) werd onder leiding van de Duitse hoogleraar Rudolph Schulten al in 1967 een experimentele HTR in gebruik genomen. De reactor van Jülich is zo'n twintig jaar in bedrijf geweest. Bij Hamm-Uentrop werkte een vergelijkbare reactor van 1985 tot 1989. Ook in de VS hebben twee HTR-reactoren gedraaid, een bij Peach Bottom (1967-1974) en een bij Fort St Vrain (1974-1989). Zóveel praktijkervaring is er al opgedaan met de ballenreactor dat deze, althans in zijn huidige lay-out, met een kunstgreep toch ook in de derde generatie is ondergebracht: generatie drie-plus.

Sinds begin dit jaar heeft China bij Peking een kleine bollenreactor in gebruik die met een elektrisch vermogen van ongeveer 2,5 megawatt werkelijk elektriciteit produceert. Het ontwerp steunt sterk op de Duitse HTR-ontwikkeling waarin de Chinezen een tijdlang participeerden. Anders dan men verwachten zou, worden buitenlandse kernfysici die de reactor willen bekijken gastvrij ontvangen. In Zuid-Afrika zal elektriciteitsbedrijf Eskom naast de bestaande conventionele kernreactoren van Koeberg ook een bollenreactor neerzetten. Het project is er nog niet uit het papieren stadium.

Het werkingsprincipe van de gasgekoelde pebble-bedreactor is in weinig woorden duidelijk te maken. De splijtstof uranium (als uraniumdioxide dat tot ongeveer 8 procent verrijkt is) is er aanwezig in de vorm van korreltjes met een diameter van een halve millimeter. De uraniumkorreltjes hebben een veellagige coating van koolstof en siliciumcarbide die warmte en neutronen goed laat passeren maar die de gasvormige, radioactieve producten die bij uraniumsplijting (ook) ontstaan stevig opsluit. Door de coating is de totale diameter van de korreltjes bijna een millimeter. De korreltjes worden samengebracht in koolstofballen met een diameter van zes centimeter (als zwarte biljartballen). Er gaan zo'n 10.000 korreltjes in een bal, en op hun beurt weer vele tienduizenden ballen in een reactorvat.In de wand van het reactorvat is een dikke grafietlaag opgenomen die dienst doet als neutronenreflector.

De zwarte biljartballen liggen in losse stapeling, zodat er makkelijk helium doorheen is te leiden. Als het proces van uraniumsplijting eenmaal op gang is bereiken korreltjes en ballen een temperatuur van honderden graden celsius. Het opwarmende helium ondergaat daarvan een drukverhoging en kan dankzij de hoge druk een turbine aan het draaien krijgen. De turbine drijft de generator aan die elektriciteit produceert.

Het mooie van de pebble bed-reactor is dat hij voor een groot deel zelfregelend is. Als de temperatuur in het ballenbed stijgt daalt de effectiviteit van het neutronenbombardement (de snelheid van de neutronen wordt te hoog) en neemt van de weeromstuit de warmteproductie weer af. Een goed ontworpen pebble bed-reactor heeft daarom geen regelstaven nodig. Ze zijn er wel, maar dan ondergebracht in de dikke reflecterende grafietlaag en doen slechts dienst als stopstaaf. Daarmee kan men het splijtingsproces beëindigen.

Een belangrijk deel van zijn veiligheid dankt de reactor aan het gebruik van het gas helium als koelmiddel. Helium is in chemisch opzicht `inert', het reageert met bijna niets. Ook reageert helium niet op nucleaire straling, vooropgesteld dat het gas voldoende schoon blijft. Daarom is in het helium-circuit een systeem van gasreiniging opgenomen.

De bedoeling is het helium met zijn hoge temperatuur en druk direct een turbine, een gasturbine, te laten aandrijven. Dat is een technisch hoogstandje omdat de kleine heliumatomen makkelijk weglekken. Omdat er bovendien geen oliedeeltjes in het helium mogen belanden moet zo'n gasturbine worden voorzien van magnetische lagers. Maar als deze directe aandrijving praktisch uitvoerbaar blijkt dan ligt, mede dankzij een aantal andere voorzieningen, een schitterend rendement in elektriciteitsopwekking van wel 47 procent binnen bereik. Blijkt het gebruik van helium in een gasturbine een stap te ver dan kan men ook het hete helium in een warmtewisselaar zijn energie laten overdragen aan stoom. Maar het liefst houden de pebble bed-bouwers het water op grote afstand. Juist in de afwezigheid van water schuilt een deel van de veiligheid.

Tenslotte berust een deel van de veiligheid ook op de bescheiden afmetingen van het pebble bed. Een hoge oppervlakte/inhoud verhouding verhindert dat de temperatuur bij het – onbedoeld – wegvallen van de heliumstroming te hoog stijgt. In de HTR van Jülich is dit dramatische experiment, waarbij men geheel vertrouwde op de genoemde zelfregeling en de spontane warmteafvoer (ook via natuurlijke luchtstroming rond de reactor) ook werkelijk uitgevoerd. De kern van het reactorbed werd niet heter dan 950 graden celsius.

Vooral dankzij het Programma Instandhouding Nucleaire Competentie (PINC) dat het ministerie van Economische Zaken tien jaar geleden instelde hebben Nederlandse kernfysici veel theoretisch en ook praktisch onderzoek aan het optimaliseren van de pebble bed-reactoren kunnen doen. Het instituut NRG (de nucleaire fusie van ECN en Kema) deed dat onder leiding van dr.ir. A. van Heek, het Interfacultair reactor instituut (IRI) in Delft onder leiding van prof.dr.ir. H. van Dam. Beiden zien de pebble bed-reactor als de veiligste van de reactoren die thans leverbaar zijn.

Maar ook verwachten ze dat de reactoren economisch heel aantrekkelijk zullen zijn. En niet alleen dankzij hun hoge rendement. Omdat de reactoren, terwille van de spontane koeling (in noodgevallen), klein moeten blijven is het een logische gedachte ze modulair uit te voeren. De afnemer die veel elektriciteit nodig heeft bestelt niet een grote pebble bed-reactor, maar een hele reeks identieke modules van het optimale formaat. Dat is de idee achter de PBMR: de `pebble bed modular reactor' die ook bij Koeberg moet komen te staan. Als er overeenstemming zou komen over het ontwerp van de optimale module, en als die als `type' een licentie zou krijgen (bij voorkeur in de VS en later in een toonaangevend Europees land), dan zou de introductie heel snel kunnen gaan.

Bovendien lijken er goede kansen om de PBMR-modules zó uit te voeren dat ze (vrijwel) zonder toezicht kunnen draaien, daaraan is zowel in Delft en Petten onderzoek gedaan. Eens per drie jaar zou een kleine versie van de PBMR een nieuwe cartridge (vulpatroon) met verse ballen kunnen krijgen en dan zou hij weer jarenlang vrijwel zonder operator kunnen werken. Het IRI heeft een ingenieuze oplossing bedacht voor de compensatie van de geleidelijke uranium-opbrand die optreedt. Men kan tussen de uraniumkorreltjes een kleine hoeveelheid van een sterk neutronen absorberende stof (een `neutronengif' zoals borium) opnemen die langzaam opbrandt. Burnable poison, noemen de Delftenaren dat romantisch. Slijtend gif, heet het in Petten. Petten wil het niet tussen de korreltjes maar liever in de reflecterende wand. Op die manier kan men de standaard ballen uit de PBMR-fabriek blijven gebruiken.