Op een dag begin jaren 2030 wordt een 285 meter lange schuit naar de kade in de oude kolenhaven van de stad gesleept. Generaties lang hebben vrachtschepen hier enorme bergen steenkool gelost, die werden verstookt in de nabijgelegen elektriciteitscentrale.
Elke dag kwam er donkergrijze rook uit de hoge schoorstenen en tientallen jaren ademde de bevolking vervuilde lucht in, terwijl zure regen het prachtige omringende landschap vergiftigde.
Gelukkig worden zwavel en stikstof al lang uit de rook gefilterd, maar naarmate er meer mensen in de stad zijn gaan wonen, is ook de CO2-uitstoot sterk toegenomen.
Dat is nu voorbij. De schuit bevat acht kleine kernreactors, die samen met het windmolenpark voor de kust en de zonnepanelen op de heuvels de drukke miljoenenstad van elektriciteit zullen voorzien.
Kernenergie kan de stroomvoorziening van steden CO2-vrij maken.
De elektriciteit uit het stopcontact wordt klimaatneutraal op het moment dat de kerncentrales op de schuit worden aangesloten op het net van de oude kolencentrale. De komende 12 jaar zullen de acht reactors de stad 67,2 miljoen ton CO2 besparen en 1,6 miljoen huishoudens van stroom voorzien.
Op die manier zal de varende kerncentrale de cruciale factor zijn die de elektriciteitsvoorziening van de stad van de ene dag op de andere volledig CO2-vrij maakt. En dat zonder enorme bouwkosten en zonder de rompslomp van het vinden van land voor een nieuwe energiecentrale.
Deens bedrijf vecht voor kernkracht
Varende kerncentrales zullen steden op aarde overnemen, als het aan het Deense Seaborg Technologies ligt. Dit bedrijf wil duizenden minireactors bouwen die in een container passen en per vrachtwagen of trein en schip kunnen worden vervoerd.
Een scheepswerf in Zuid-Korea zal de reactors van uraniumbrandstof voorzien en ze inbouwen in schuiten die zijn uitgerust met turbines en generatoren voor het opwekken van stroom. Sleepboten brengen de schuiten vervolgens naar de vele energieslurpende steden, die vaak aan kusten of rivieroevers liggen.
De schuiten zullen worden gebouwd in varianten met twee, vier, zes en acht reactoren, zodat aan de energiebehoeften van elke stad kan worden voldaan.
Natuurlijk staan er commerciële belangen op het spel, maar Seaborgs missie is om de uitstoot van broeikasgassen op aarde snel en sterk te verminderen met een nieuw type kernenergie dat flexibeler en veiliger is dan het traditionele. In eerste instantie richt het bedrijf zich op de vervanging van kolencentrales in Azië.
Zoutoplossing benut uranium beter
De huidige reactors verbranden vaste splijtstof en gebruiken slechts zo’n 6 procent van het splijtbare uranium-235 in de splijtstofstaven. Daarna bevatten de staven niet meer genoeg uranium om het nog verder te kunnen gebruiken.
Bovendien scheuren de staven na verloop van tijd doordat ze bij de kernsplijtingen steeds met neutronen worden bestookt, en dat beperkt hun levensduur.
Beide problemen worden verholpen door de minireactors van Seaborg, die werken met vloeibaar uranium, opgelost in gesmolten fluoridezouten. Het zoutmengsel wordt niet beschadigd door het bombardement met neutronen en het uranium hoeft pas uit de reactor te worden verwijderd als vrijwel al het splijtbare materiaal is opgebruikt. Daarom is de hoeveelheid afvalbrandstof klein – en volstrekt onbruikbaar in atoombommen.
De minireactoren werken op uranium vermengd met fluoridezouten. Tijdens de werking is het zout vloeibaar en 700 °C heet.
Gesmoltenzoutreactors dateren al uit de jaren 1960, maar moesten het afleggen tegen lichtwaterreactors, die niet alleen elektriciteit opwekten, maar ook plutonium leverden voor de snel groeiende voorraden kernwapens van de supermachten tijdens de Koude Oorlog.
Reactor is aan het krimpen
Seaborgs reactors zijn echter niet zomaar van de plank getrokken – ze bevatten een technologische innovatie waarmee ze zeer klein kunnen worden.
Als uranium-235 in het brandstofzout wordt gesplitst, komen twee of drie neutronen vrij, die nieuwe kernsplijtingen kunnen starten en zo een kettingreactie op gang houden. Maar de neutronen hebben zo’n hoge snelheid dat ze doorgaans afketsen op de uraniumkernen.
Om door die kernen heen te kunnen dringen, moeten de neutronen worden vertraagd. In gesmoltenzoutreactors wordt grafiet gebruikt als moderator: een ‘remblok’. Maar de neutronen moeten door een paar meter grafiet vliegen om voldoende te vertragen, dus de reactors kunnen niet heel klein zijn.
In Seaborgs reactor stroomt het brandstofzout door een circuit van buizen de reactortank in. Die buizen zijn omgeven door een buitenste buis met een ander vloeibaar zout, natriumhydroxide, dat de neutronen vertraagt.
Twee zouten maken de reactor kleiner
1. Zout circuleert in de reactor
Het splijtstofzout van de reactor (groen) is omgeven door moderatorzout (geel). Het verwarmde reactorzout wordt door warmtewisselaars (r) gepompt en staat warmte af aan water. De waterdamp drijft een turbine en een generator aan, die stroom opwekken.
2. Kettingreactie begint in brandstofzout
De kernreactor wekt energie op door de splijting van uranium-235. Bij spontane splijtingen in het zout komen neutronen vrij die andere kernen raken. Door toevoeging van een neutron aan de kern van een uranium-235-atoom wordt dit uranium-236, dat zeer instabiel is.
3. Bij splijting van uranium komt energie vrij
De instabiele uranium-236-kern splijt in tweeën en de kernkrachten komen vrij. Bij de splijting komen ook twee of drie neutronen vrij, die met hoge snelheid het moderatorzout in vliegen. De neutronen zijn te snel om nieuwe atoomkernen te kunnen splitsen.
4. Moderatorzout is klaar voor nieuwe splijtingen
In het moderatorzout worden de neutronen vertraagd, zodat ze nieuwe splijtingen kunnen veroorzaken als ze opnieuw in het brandstofzout belanden. De vertraging vindt plaats binnen enkele centimeters. Reactors met grafiet als moderator hebben daar meters voor nodig.
Het remzout is onlangs getest in de Britse neutronenversneller Isis bij Oxford, waaruit bleek dat neutronen binnen enkele centimeters flink remmen. Daarom kan de reactor zo klein zijn dat hij in een container past.
De achilleshiel van de technologie is dat gesmolten zout zeer corrosief is, waardoor de metalen in de reactortank en de leidingen gaan roesten. Roestvrij staal voldoet dus niet – er moeten metaallegeringen worden ontwikkeld die gedurende een lange periode beter bestand zijn tegen het zout.
Verder wil Seaborg het probleem aanpakken door het brandstofzout chemisch minder corrosief te maken. Volgens het bedrijf zullen de reactors 12 jaar meegaan.
Minireactors zijn superveilig
Het risico op ongevallen is zeer laag in gesmoltenzoutreactors. Het zout kan niet verbranden of exploderen, en de reactor kan niet smelten omdat de splijtstof al gesmolten is tijdens de normale werking.
Bovendien is er een extra en zeer doeltreffende veiligheidsmaatregel. In de leidingen onder de reactortank bevindt zich een bodemplug van bevroren zout, die koel wordt gehouden door een elektrische vriezer.
Als de stroom naar de kerncentrale wordt onderbroken, bijvoorbeeld door een natuurramp, smelt de plug door het 700 °C hete zout in de reactor en glijdt hij in een opslagtank. Hierdoor wordt de vloeibare uraniumbrandstof zo sterk verspreid dat de kettingreacties vanzelf stoppen.
Zout biedt ingebouwde veiligheid
Gesmoltenzoutreactors zijn superveilig. Het brandstofzout kan niet verbranden of exploderen, en als de stroom uitvalt, loopt het zout automatisch weg in een opvangtank onder de reactor.
1. De reactor kan niet smelten
Een meltdown, die de oorzaak was van de kernongevallen in Tsjernobyl en Fukushima, kan niet plaatsvinden in een gesmoltenzoutreactor. Het brandstofzout is namelijk al gesmolten tijdens de normale werking, die plaatsvindt bij 700 °C.
2. Bodemplug beschermt tegen stroomuitval
De ramp in Fukushima werd veroorzaakt doordat de stroom uitviel na een orkaan en een tsunami. Als dit in een gesmoltenzoutreactor gebeurt, zal een speciale bodemplug van gestold zout smelten doordat de vriezer eromheen geen stroom krijgt.
3. Kettingreactie komt tot stilstand
Als de bodemplug gesmolten is, stroomt het brandstofzout uit de reactor in de opvangtank. Daarin verspreiden de uraniumatomen zich zo sterk dat ze de kettingreactie onmogelijk gaande kunnen houden.
Het zwartste scenario is een bombardement bij een oorlog of door terrorisme, waarbij het vloeibare brandstofzout in de lucht of in het water zou kunnen belanden. Maar zelfs dan heeft het zout een ingebouwde veiligheid.
Zodra het zout afkoelt tot onder de 490 °C, stolt het en verandert het in steen. Er is dus geen risico dat een radioactieve wolk over de stad waait en grote gebieden vervuilt.
‘De vervuiling doet zich alleen voor rond de reactors, en de radioactieve stenen kunnen worden verwijderd door deskundigen met de juiste bescherming. Uiteraard wordt dat duur en omslachtig. Maar het is te doen,’ aldus Troels Schönfeldt, directeur en medeoprichter van Seaborg.
Kernschepen gaan 24 jaar mee
In 2026 wil Seaborg zijn eerste demonstratiereactor klaar hebben om stroom te leveren aan het elektriciteitsnet, en het bedrijf mikt op industriële serieproductie vanaf begin jaren 2030.
De kleinste kernschepen bieden plaats aan vier reactors in vier laadruimen. Elke reactor levert 100 megawatt, genoeg om 200.000 huishoudens van stroom te voorzien. Bij de oplevering gaan twee reactors aan het werk, en als ze zijn uitgediend, worden twee nieuwe reactors in de twee ongebruikte laadruimen geplaatst.
De kleinste schuiten van de firma Seaborg krijgen twee reactoren (1), die 12 jaar lang stroom produceren. Daarna komen er twee nieuwe reactoren in de lege laadruimen (2), waardoor een schuit in totaal 24 jaar mee kan.
Na 24 jaar wordt de schuit weggesleept en vervangen door een nieuwe. De oude schuit gaat naar een centrum dat het radioactieve afval verwerkt. Gelukkig is daar niet veel van.
Tijdens de werking is de reactor stevig ingepakt in een stalen schild en tanks met water om de straling ervan binnen de perken te houden. Dus als hij is uitgediend, zijn er weinig radioactieve componenten te verwerken.
De reactoren hebben een beschermend schild in drie lagen dat neutronen en ioniserende straling van de kernsplijtingen opvangt. Twee van de lagen zijn water (1 en 2), de derde is staal (3).
De reactortank en het pijpleidingsysteem passen in een omhulsel zo groot als twee zeecontainers van 12 meter lang, terwijl het brandstofzout in een container van 3 meter past. Het zout bevat twee soorten radioactieve stoffen die kunnen worden geëxtraheerd en gescheiden door centrifugering.
Het eerste type bestaat uit hoogradioactieve splijtingsproducten, die 300 jaar lang moeten worden opgeborgen. Ter vergelijking: het hoogradioactieve afval van de huidige reactors moet 100.000 jaar lang worden opgeslagen. Het tweede type is een restje splijtbaar materiaal dat kan opgaan in nieuwe splijtstofmengsels voor de volgende reeks reactors.
Reactors draaien op afval
Seaborgs reactors kunnen namelijk draaien op kernafval. Ze kunnen van meet af aan werken op gebruikte splijtstof van traditionele kerncentrales, waarbij slechts een klein deel van het splijtbare uranium-235 in de staven is opgebruikt.
En kernafval is er genoeg. Wereldwijd ligt 400.000 ton gebruikte splijtstof opgeslagen in een tijdelijke opslag, doorgaans waterbassins waar water de gebruikte splijtstofstaven afkoelt en de straling tegenhoudt.
Aan gebruikte splijtstof worden echter strenge beperkingen opgelegd omdat er plutonium in kan zitten, dat kan worden gebruikt om kernwapens te maken. Daarom kiest Seaborg voor het gebruik van commercieel laagverrijkt uranium in de minireactors.
‘Zon en wind zijn niet genoeg. Onze minireactors kunnen een belangrijke bijdrage leveren aan de groene transitie.’ Troels Schönfeldt, directeur van Seaborg
Volgens Troels Schönfeldt is het echter niet voldoende. Waar het hem om gaat is dat de wereld de uitstoot van CO2 en de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer blijft terugdringen, zodat de opwarming van de aarde tot een minimum wordt beperkt.
‘Het is niet genoeg om energiebronnen als zonne- en windenergie uit te breiden. Kernenergie is een essentieel onderdeel van de oplossing, en onze minireactors kunnen een belangrijke bijdrage leveren aan de groene transitie,’ zegt hij.