Op een paar jaar tijd zijn de gas-, zon- en windindustrieën radicaal veranderd. Nu kan ook de kernindustrie zichzelf heruitvinden.
De uraniumsplijtstof die in zowat elke kernreactor wordt gebruikt voor kernsplijtingen, is dringend aan een update toe. Een ongecontroleerde reactor kan vandaag tot ernstige incidenten leiden. In het ergste geval komen massa’s radioactief materiaal in de omgeving van de centrale en in de lucht terecht. Kernenergie-experts en ingenieurs zoeken daarom naar verbeterde types kernsplijtstof, een soort brandstof voor de kernsplijting. Daarmee willen ze kerncentrales niet alleen veiliger maken, maar ook efficiënter. Zo wordt de nucleaire stroom competitiever op de elektriciteitsmarkt.
Voor het eerst hebben wetenschappers tijd om na te denken over hoe ze de vorming van explosief waterstof kunnen beperken
In een kernreactor worden uraniumatomen gesplitst. Daarbij ontstaan neutronen en warmte. Die eerste onderhouden de nucleaire kettingreactie, het tweede kan worden afgetapt en omgezet in elektrische stroom. In- en externe controlesystemen voorkomen dat de reactor te heet wordt. Want als er te veel hitte ontstaat, kan de splijtstof stukgaan en zelfs smelten. Bovendien vormt zich dan meer waterstof.
Toen kwam Fukushima
Zowat alle kerncentrales in de wereld draaien op hetzelfde bestanddeel: uranium dat zit samengeperst in keramische pellets ter grootte van een flinke potloodgom. De pellets zitten opeengestapeld in lange staven gemaakt uit een legering van zirkonium. Tijdens de kernsplijting – als de staven ondergedompeld zijn in het reactorwater – reizen de geproduceerde neutronen doorheen het metalen omhulsel. Ze houden de kettingreactie aan de gang. Precies omdat neutronen er zo makkelijk doorheen geraken, gebruiken ingenieurs al decennialang zirkonium voor dat omhulsel.
In de jaren 1950 zat de atoomenergie in haar prille jeugd. Het was een periode waarin wetenschappers in de eerste plaats zoveel mogelijk het neutronenverlies wilden beperken. De weg van de mijn naar verrijkt uranium met voldoende splijtbare kernen was toen nog erg lang, en vooral heel duur. Of de reactor de gevraagde energie wel optimaal zou produceren, daarover lagen ze niet echt wakker.
Maar toen kwam de kernramp van Fukushima, in 2011. Op dat moment zagen nucleaire wetenschappers dat er ook gevaren kleefden aan zirkonium. Bij oververhitting reageert dat metaal tenslotte massaal met water en stoom en vormt het zo waterstof – een uiterst explosief goedje.
Kernreactors van de nieuwste generatie, die na de eeuwwisseling zijn gebouwd, zijn gesofisticeerder dan hun voorgangers uit de tweede helft van de 20ste eeuw. Bovendien staat de uraniumproductie en –verwerking vandaag zo op punt dat uitbaters van centrales zich nog weinig zorgen maken over een tekort aan neutronen in hun reactors. En dus hebben wetenschappers nu de handen vrij om na te denken over hoe ze de vorming van waterstof kunnen beperken en de hittebestendigheid verhogen. Ze willen een alternatieve splijtstofdesign ontwerpen.
Triumviraat
Sinds Fukushima werken tal van nucleaire bedrijven en organisaties aan zogenoemde fouttolerante kernsplijtstof. Momenteel zitten er vier verschillende types in de pijplijn, elk met hun kenmerken en gebruikshandleiding. Het grote voordeel van deze nieuwe, geavanceerde splijtstoftypes is dat ze nauwelijks aanpassingen vereisen in de centrales die vandaag operationeel zijn. Ze kunnen al in het komende decennium hun plaats vinden in de nucleaire keten.
De bulk van alle splijtstof in de wereld wordt vandaag geproduceerd door drie bedrijven, uit drie landen: Framatome in Frankrijk, Hitachi in Japan en Westinghouse in de Verenigde Staten. Alle drie voeren deze bedrijven momenteel kleinschalige tests uit met nieuwe splijtstoftypes, ook in bestaande reactors. Ze bekijken hoe ze de problematische reacties tussen zirkonium en water kunnen beperken, en hoe ze het warmte transport en dus de energie-efficiëntie kunnen verhogen. Dat doen ze door het zirkonium te coaten (type 1) of door het te vervangen door een ander materiaal (types 2 en 3).
Maar de echt revolutionaire aanpak is die van het Amerikaanse bedrijf Lightbridge, een nieuwkomer op de nucleaire markt. In het vierde type splijtstof dat het bedrijf bedacht, wordt het uranium en het zirkonium samen verwerkt in een legering die veel minder reactief is. Qua uitzicht heeft ze wel wat weg van zoethoutstokjes.
Deze aanpak heeft al bewezen dat ze de warmte beter geleidt, waardoor er lokaal minder snel beschadigingen ontstaan. Alleen heb je daar een hogere verrijking van het uranium voor nodig – meer dan de huidige 5 procent. Dat is een vereiste waartegen de meeste nationale nucleaire regulators erg weigerachtig staan.
Blik op Japan
De voorbije decennia hebben uitbaters van kerncentrales ettelijke keren geprobeerd om nieuwe splijtstoftypes goedgekeurd te krijgen – meestal tevergeefs. Vandaag hopen ze, zeker in de VS, op meer succes. En dat kunnen ze gebruiken, want de concurrentie met hernieuwbare energiebronnen als wind en zon en met fossiele centrales woedt hevig. Die centrales draaien op spotgoedkoop schaliegas.
Elders zien we soortgelijke ontwikkelingen. Vorig jaar nog besloten Amerikaanse en Europese nucleaire wetenschappers op een congres in de Amerikaanse staat Idaho de krachten te bundelen. En intussen werkt de OESO aan een regulerend kader om nieuwe splijtstoftypes te kunnen testen. Als die tests positief uitpakken voor de fouttolerante kernsplijtstof, kan kernenergie zijn tweede adem krijgen.
In de eerste plaats richten experts daarvoor hun blik naar Japan. Daar wordt momenteel druk gedebatteerd over hoeveel kernreactors er – acht jaar na Fukushima – weer mogen worden opgestart.
Natuurlijk staat de nieuwe splijtstof nog niet helemaal op punt om al volop te worden ingezet. Daarvoor moeten de vier types eerst nog bijkomende tests doorstaan. Bovendien moet ook de kernindustrie worden overtuigd van het nut van de nieuwe splijtstof. Want hoewel de invoering weinig veranderingen vraagt aan de technische installaties, komt er wel wat werk bij kijken. Bedrijven zullen hun werkprocedures moeten aanpassen, en hun veiligheidsprotocollen updaten. Tot slot moeten de nationale regulators elke stap in de vernieuwde uraniumketen nog goedkeuren.
Toch heeft de sector geen keuze. Stilstaan is achteruitgaan. Net als zijn concurrenten heeft de industrie nu de kans om zich in enkele jaren tijd opnieuw op de kaart te zetten als een competitieve aanbieder van elektrische stroom.
