Kernenergie is emotie. Je bent voor of tegen, en daar verzin je dan argumenten bij. Sinds het Kyoto-verdrag voor reductie van de CO2-opslag van kracht werd, kijken Westerse landen weer voorzichtig naar de nucleaire energie-optie. Die heeft immers uitstootvoordelen. Voordat die opwegen tegen de twijfels zijn echter significante verbeteringen nodig op het gebied van uraniumwinning, reactorveiligheid en afvalverwerking. Die verbeteringen zijn in zicht, maar nog lang niet toepasbaar.
Het gaat goed met kernenergie. In Nederland mondjesmaat, met het openhouden van Borssele tot 2033, maar elders meer geprononceerd. Finland bijvoorbeeld besloot in 2002 een nieuwe kerncentrale te bouwen, om emissiedoelstellingen te halen en afhankelijkheid van Russische olie en gas te verminderen, maar vooral omdat het de goedkoopste manier van energie-opwekking was. Het verrassende besluit viel onder verantwoordelijkheid van een regering waarin ook de Groenen vertegenwoordigd waren, al verlieten die na enig intern gesoebat om deze reden wel het kabinet. Dichtbij huis heeft alleen Frankrijk nog plannen om bij te bouwen.
Op wereldschaal is India de meest enthousiaste bouwer van kerncentrales, met tien stuks in de pijplijn en nog eens 24 op de tekentafel. China is een goede tweede, Japan en Zuid-Korea volgen op de voet. De motivaties zijn dezelfde als in Finland. Van genoemde landen heeft alleen China significante voorraden fossiele brandstoffen (kolen), maar de milieunadelen daarvan beginnen op te vallen. China zet in op diversificatie, getuige ook de bouw van de waterkrachtcentrale bij de Drie-Klovendam, omdat het land verwacht alle zeilen te moeten bijzetten om aan de binnenlandse vraag te kunnen blijven voldoen.
Het valt dus onmogelijk vol te houden dat kernenergie op een dood spoor zit. Dat geldt hoogstens vanuit het Europese perspectief. Ook de Aziatische landen die nu het voortouw nemen, zijn zich echter bewust van de risico’s van kernenergie waar westerse activisten bij voortduring op wijzen.
De bezwaren concentreren zich op vier punten. Ten eerste is er de uraniumwinning. Dat is een energie vretende en daarom dure onderneming, zoals overigens alle mijnbouw. Afgraven van een ton erts levert doorgaans maar een kilo uranium op. De rest geldt als radio-actief afval, dat meestal teruggestort wordt in de (open) mijn, met alle milieugevolgen van dien. Bovendien blijkt het aantal vindplaatsen van uranium beperkt, zodat het geen eeuwigdurende energiebron is, maar net als kolen en olie een eindige.
Het tweede bezwaar richt zich op de veiligheid van de reactoren. De ongelukken van Three Mile Island (1979) en Tsjernobyl (1986) maakt dat dit bezwaar zich het sterkst heeft vastgezet in de publieke beleving. Het derde probleem is het nucleaire afval, dat zich opstapelt bij de centrales of in speciaal gebouwde opslagruimtes, zonder dat er een permanente oplossing bestaat voor het spul, dat tienduizenden jaren gevaarlijk blijft – tenzij je opslag als een permanente oplossing beschouwt, iets waar de meningen sterk over verschillen.
Het laatste punt is nucleaire profilatie. Kernreactoren zijn niet alleen bruikbaar om elektriciteit te produceren, maar ook om materiaal voor atoombommen te maken. Zo’n militaire invalshoek bestaat bij andere energievormen niet. Dit is overigens meer een politiek dan een technologisch struikelblok, zoals de andere drie. Kernwapens zijn immers geen noodzakelijk neveneffect van nucleaire energie-opwekking.
Thorium
De essentie van nucleaire energie-opwekking ligt uiteraard in de brandstof. Het gros van de huidige centrales gebruikt uranium-235, dat op beperkte schaal in de natuur voorkomt, in combinatie met veel grotere hoeveelheden van het onsplijtbare uranium-238. Daarom moet de brandstof eerst ‘verrijkt’ worden, zodat het percentage U-235 ongeveer drie procent bedraagt. Dat is nodig om genoeg neutronen los te maken voor een kettingreactie van splitsingen.
Het onoplosbare probleem met deze brandstof is dat ze grotendeels uit U-238 bestaat. Onder het neutronenbombardement wordt dit deels omgezet in plutonium-239, een stof met een halfwaardetijd van 24.110 jaar, die bovendien uiterst giftig is en geschikt voor wapenfabricage (maar dan moet je wel in staat zijn het vrijwel puur te isoleren uit de radioactieve mix die een afgewerkte brandstofstaaf is). Pu-239 komt in de natuur nauwelijks voor.
Pu-239 is zelf ook weer splitsbaar en dat gebeurt dan ook vanzelf in de reactor. Een afgewerkte brandstofstaaf bestaat echter nog steeds voor één procent uit verschillende isotopen van plutonium, vooral Pu-239 (de rest is 96 procent uranium en drie procent kleinere splitsingsproducten). Een mogelijkheid is dat plutonium bij te mengen met uranium en zo op te branden. Deze gemengde brandstof staat bekend als Mixed Oxide Fuel of MOX en heeft als voordeel dat er naar verhouding minder U-235 in hoeft te zitten om een kettingreactie in stand te houden.
De productie van MOX kost nogal wat energie, waardoor deze brandstof duurder is dan ‘vers’ uranium. Bovendien moet er met het plutonium gesleept worden, wat het risico van proliferatie verhoogt. Daar staat een vermindering van de hoeveelheid nucleair afval tegenover. In Europa zijn 32 reactoren momenteel in staat MOX te gebruiken. Japan zal binnenkort volgen.
Er bestaat nog een tweede potentiële brandstof, thorium-232, waarvan de natuurlijke voorraden groter zijn dan die van uranium. India, dat veel grotere voorraden van thorium heeft dan van uranium, heeft twee reactoren op thorium draaien en nog eens vier in aanbouw. De thorium-cyclus levert minder afval op, maar dat is wel radio-acitever. Technische problemen bij de bewerking van de grondstof tot brandstofstaven en bij de opwerking van de brandstof zijn nog verre van opgelost.
De Russen studeren al dik tien jaar op een MOX van thorium en plutonium. Deze heeft als voordeel dat je relatief meer plutonium erdoor kunt mengen. Dat is handig om zuiver plutonium van ontmantelde kernwapens op te stoken. Een eerste voor deze brandstof geschikte reactor is wellicht volgend jaar al af.
Mijnbouw
Zowel uranium als thorium komen veel voor in de aardkost, meer dan bijvoorbeeld goud, zilver en koper. Het rijkste erts bevindt zich in de McArthur mijn en centraal Canada, waar het gehalte aan uranium, in de vorm van uraniumoxide U3O8, varieert tussen de twintig en tachtig procent. Het erts is zo radio-actief dat het alleen op afstand gewonnen kan worden, door goed ingepakte werknemers in zware machines.
Het meeste erts bevat echter minder dan één procent uranium. Dat heeft als voordeel dat het niet direct gevaarlijk is. De grootste bedreiging voor mijnwerkers komt van radongas, een van de vervalproducten van uranium. Ventilatie van mijnen is daarom letterlijk van levensbelang. Het radon verwaait dan wel in de omgeving. Het uraniumoxide wordt uit het erts gewassen met water.
Wat achterblijft is radio-actieve slurrie, die meestal in de mijn zelf wordt opgeslagen. De slurrie van een thoriummijn is drie keer minder radio-actief. Daarbij mag wel bedacht worden dat het oorspronkelijke erts veel meer radio-actief materiaal bevatte en dat het ook nog eens verdund is met water, zodat de slurrie per kuub veel minder gevaarlijk is dan het oorspronkelijke erts. Door de vermening met water is het radio-actieve materiaal echter wel veel mobieler geworden, en dat bezorgt sommigen de kriebels.
De helft van de huidige werelduraniumproductie komt voor rekening van Australië en Canada, westerse landen die in de loop der jaren steeds strengere maatregelen hebben genomen om mens en milieu rond de mijnen te beschermen. Niettemin gebeurt het regelmatig dat een dam doorbreekt en honderdduizenden liters slurrie ontsnappen. Omdat de mijnen zich in grotendeels verlaten gebieden bevinden, lukt het meestal de troep op te ruimen voor de gevolgen ernstig zijn. Een van de grootste rampen ooit vond plaats in 1979 bij Church Rock, New Mexico, waar 1.100 ton slurrie in een rivier terecht kwam. De plaatselijke Navajo Indianen zeggen het water van de rivier nog steeds niet veilig te kunnen gebruiken.
Anders dan Australië en Canada heeft India geen laagbevolkte gebieden en bovendien een beperkte traditie van milieuzorg. Dat merkt bijvoorbeeld de bevolking van Jadugoda in het oosten van het land, locatie van een grote uraniummijn. Kanker en onvruchtbaarheid zijn er significant hoger dan elders, net als het percentage mismaakt geboren kinderen. Volgens het staatsmijnbouwbedrijf heeft dat niets te maken met de moesson die ieder jaar weer de slurrie uit de opslag spoelt. Helemaal loos is die bewering niet: ook zonder de mijn zit er bij Jadugoda heel veel uranium in de grond en dat zorgt sowieso voor meer straling dan elders.
Renaissance
Al komen uranium en thorium veelvuldig voor in de aardkost, de vraag is natuurlijk hoe lang die voorraden op een rendabele manier te exploiteren zijn. Daar maakt niemand zich echt zorgen om. ‘Omdat de jaarlijkse vraag naar uranium naar verwachting zal stijgen tot 200 à 250 miljoen kilo in 2050, moeten we jaarlijks nieuwe, grote mijnen operationeel maken’, zegt Julian Steyn, directeur van consultancybureau Energy Resources in Washington DC, en met vijftig jaar ervaring een van de veteranen van de nucleaire industrie.
‘De huidige nieuwe kerncentrales zullen vijftig tot zeventig jaar meegaan en de brandstof daarvoor moet twintig tot dertig jaar van tevoren veilig gesteld zijn. Als er voldoende geld geïnvesteerd wordt, denk ik dat we die voorraden zullen vinden. De kosten van exploratie en exploitatie zullen echter door de tijd toenemen, en de kwaliteit van de voorraden zal vermoedelijk afnemen. Ik denk dat het nog een of twee jaar duurt voor de mijnbouwindustrie het vertrouwen heeft dat de huidige nucleaire renaissance echt is, en dat ze geen onnodig hoge risico’s loopt door significante investeringen te doen.’
De investeringshobbel is niet verwonderlijk. Momenteel is er nog een overaanbod aan uranium. Tot de bouwgolf in Azië een paar jaar geleden begon, was uranium opgraven zelfs een verliesgevende business. Steyn: ‘We zullen ons moeten verzoenen met een uraniumprijs die kan oplopen tot tachtig à honderd dollar per kilo in de decennia tot 2060, misschien nog wel meer daarna. De kosten per kilowattuur gegenereerde elektriciteit gaan daardoor echter hoogstens een paar promille omhoog. Bedenk ook dat bestaand uranium in allerlei vormen, bijvoorbeeld uit opwerking en wapens, een deel van de behoefte voor het komende decennium dekt.’
Hoewel de aardkorst al veel uranium bevat, is er een andere, nog grotere bron: de oceaan. Japanse onderzoekers hebben een proces ontwikkeld om uranium uit zeewater te filteren. Huidige berekeningen geven aan dat deze winningswijze een prijs van 400 tot 800 dollar per kilo uranium betekent, maar tegen het eind van de eeuw kan ook dat goedkoper zijn dan de kosten van fossiele brandstof, meent Steyn. De uraniumvoorraden zijn strikt genomen eindig, maar de komende eeuwen is dat nog niet iets om je grote zorgen over te maken.
Lekkende pijp
De huidige generatie kernreactoren bevat een inherent veiligheidsrisico, dat direct voortkomt uit de kettingreactie in de brandstof. Regelmechanismen zorgen ervoor dat die reactie niet uit de hand loopt, maar het valt nooit volledig uit te sluiten dat al die mechanismen falen en een desastreuze melt-down optreedt.
Een herhaling van de ramp bij Tsjernobyl hangt als schrikbeeld boven de markt. Weliswaar is één majeure ramp in vijftig jaar kernenergie helemaal niet zo veel (vergeleken met bijvoorbeeld het aantal doden dat jaarlijks in kolenmijnen valt), maar veiligheid is nu eenmaal geen objectief maar subjectief begrip. Kernergie staat tot overige energievormen als luchtvaart staat tot andere vervoerswijzen. Het spreekt tot de verbeelding vanwege de potentiële omvang van een ramp.
Die risicobeleving wordt bovendien gevoed door een voortdurende stroom van incidenten. Een van de near-misses dateert uit 2002, toen inspecteurs een grote deuk vonden in de reactormantel van de Davis-Besse reactor in Ohio, veroorzaakt door een lekkende pijp met boorzuur. De weggevreten mantel was bij twee eerdere inspecties niet opgevallen en als het nu weer over het hoofd gezien was, zou de deuk een gat geworden zijn, met weglekkend koelwater tot gevolg. Een melt-down was dan niet ondenkbeeldig geweest. Het schokkende was dat vergelijkbare reactoren eerder stilgelegd waren voor een grondige inspectie, precies om deze reden, maar dat Davis-Besse overgeslagen was vanwege de uitstekende staat waarin de reactor zich geacht werd te bevinden.
De bestaande reactoren volgen verschillende ontwerpen, elk met hun eigen veiligheidsimago. Het inherente probleem lossen ze echter niet op. Dergelijke ontwerpen liggen nog grotendeels op de tekentafel en daar zullen ze vanaf moeten, wil de nucleaire lobby een krachtig argument in handen krijgen om maatschappelijke zorgen over mogelijke ongelukken te pareren.
Ballenbak
Het bekendste alternatieve ontwerp is de ‘ballenbakreactor’, die in deftiger Engels als pebble bed modular reactor (pbmr) door het leven gaat. De brandstof zit hier opgesloten in honderdduizenden oersterke balletjes van siliciumcarbide en grafiet, die warmte en neutronen laten passeren, maar afvalstoffen binnen houden. De koeling vindt niet plaats met water maar met helium, dat vrijelijk door de losjes opgestapelde balletjes stroomt. Een belangrijk veiligheidsvoordeel is dat helium bij verhitting gasvormig blijft, terwijl het water van de traditionele reactoren bij oververhitting in stoom verandert en voor ontploffingen kan zorgen.
Dankzij het helium kan de reactor bij een hogere temperatuur werken, dichtbij een stabiel punt. Stijgt de temperatuur verder, dan worden zoveel neutronen door U-238 afgevangen om Pu-239 te vormen, dat er weinig overblijven om andere U-235 atomen te bombarderen en te splijten. Zo daalt de temperatuur vanzelf weer. Zelfs als alle regelmechanismes wegvallen, treedt geen melt-down op. Een nadeel is wel dat het volume aan radio-actief afval veel groter is dan bij traditionele brandstofstaven.
‘Zelfs Greenpeace moet toegeven dat veiligheid niet het probleem is bij deze reactor’, zegt Aliki van Heek, die bij NRG in Petten het pbmr-project coördineert. ‘De komende tien, twintig jaar blijft het ook het veiligste type. De pbmr, waarvan de grootste 160 MW kan leveren, wordt nog wel verder ontwikkeld, maar niet erg intensief.’
Dat niet alle nieuw gebouwde reactoren van dit type zijn (alleen China heeft er eentje) heeft volgens haar voor een deel met koudwatervrees te maken. Van Heek: ‘Bovendien, als je zegt: deze is veiliger, dan zeg je daarmee impliciet dat de andere minder veilig zijn. Dat wil men niet, al is veiligheid van de reactor naar de achtergrond geraakt bij beslissingen over kernenergie.’
Een aantal landen met kerncentrales is verenigd in het Generation IV Forum, bedoeld om te komen tot de ontwikkeling van nog efficiëntere en veiligere reactoren. Daarbij gaat de aandacht onder meer uit naar zogeheten subkritische reactoren met een externe neutronenbron die de reactie op gang houdt, bij het wegvallen waarvan de reactor automatisch stil komt te liggen. Praktisch toepasbare resultaten worden echter pas vanaf 2030 verwacht. Grootschalige toepassing duurt daarna al gauw tien jaar.
Terrorisme
Logischerwijs bevatten brandstofstaven in de loop van het gebruik steeds minder brandstof. Daarna kun je ze ‘opwerken’, wat neerkomt op het eruithalen van zoveel mogelijk bruikbare brandstof en daar nieuwe staven van maken. Wat overblijft is radio-actief afval, dat bij de opwerkingsfabrieken van Sellafield en Cap de la Hague deels in zee verdwijnt, maar toch echt voor het overgrote deel wordt opgeslagen.
De vraag is wat je er dan mee moet. Na een periode waarin afval in beton gestort werd en in de oceaan gedumpt (wat achteraf toch niet zo’n goed idee bleek), ligt afgewerkte brandstof nu vaak in waterbakken naast de centrale te wachten op een permanente bestemming. Veel landen, waaronder Nederland te Vlissingen, hebben een speciale, extra beveiligde opslagruimte gebouwd. Zolang het goed is afgeschermd en er verder niks gebeurt, kan nucleair afval uiteraard rustig blijven liggen, maar opslag leidt tot een grote hoeveelheid ‘wat als’ vragen (neerstortende vliegtuigen, zware overstromingen, terrorisme).
De andere opslagoptie is diep onder de grond, waar de containers weinig gevolgen ondervinden van bijvoorbeeld aardbevingen en ijstijden. Die lagen moeten dan wel goed isoleren, zodat het afval niet weggespoeld kan worden door grondwater. Dat dit werkt kan aannemelijk gemaakt worden met verwijzing naar de natuurlijke kernreactor die zich twee miljard jaar geleden in Gabon, Afrika bevond. Een paar meter klei is tot nu toe genoeg geweest om het daar gevormde nucleaire afval opgeborgen te houden.
Hoe veilig opslag ook kan zijn, het blijft natuurlijk minder netjes dan het afval helemaal opruimen. ‘Afvalbeheersing en nucleaire non-proliferatie vragen erom dat we de nucleaire brandstofcyclus zo snel mogelijk sluiten’, zegt ook uraniumveteraan Julian Steyn.
Opwerken is al een manier om de hoeveelheid te beperken, omdat de teruggewonnen nucleaire brandstof anders opgeslagen zou moeten worden. Maar het mooist zou het zijn als het afval een nabewerking onderging waarbij de radio-actieve atomen versneld uiteen vallen, bijvoorbeeld door ze met een neutronenbombardement te splitsen in onschuldiger atomen. Transmutatie heet dit proces.
Epicentrum
Bij transmutatie komt energie vrij. Het blijft immers kernsplitsing. Omdat het jaarlijks om duizenden kilo’s zwaar nucleair afval gaat, is dat nogal wat. Dan ligt het voor de hand die energie te gebruiken, ofwel een centrale te bouwen waarin je het afval opstookt. Daar zijn twee mogelijkheden voor: snelle kritische reactoren (kweekreactoren) en subkritische reactoren. Uit veiligheidsoverwegingen ligt de nadruk in het westen tegenwoordig op het tweede type. Het transmutatie-onderzoek hangt om die reden sterk samen met dat naar de vierde generatie centrales.
Het Europese epicentrum van onderzoek naar transmutatie ligt in Mol, waar het StudieCentrum voor Kernernergie gevestigd is. Hier wordt hard gewerkt aan Myrrha (Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications), een subkritische reactor die bedoeld is om principes van transmutatie te beproeven. Myrrha krijgt een vermogen van vijftig megawatt en moet in 2014 klaar zijn voor gebruik. ‘Voor Myrrha hanteren we de veiligheidscriteria van kritische reactoren’, zegt Paul Schuurmans van het Myrrha-team. ‘Daar komt de extra veiligheid van een subkritische reactor bij.’
Zodra je subkritisch werkt, maakt het niet meer uit welke brandstof je gebruikt. De intensiteit van de verbranding valt immers van buitenaf met de neutronenbron te regelen. In de brandstof bepaalt de radio-activiteit van het materiaal en de dichtheid van de staven de intensiteit van de reactie. Myrrha en haar eventuele opvolgers kunnen dus met één proces alle overgebleven brandstof opstoken. Schuurmans: ‘Voor elke gigawatt aan kritische reactoren heb je een subkritische reactor van 200 megawatt nodig voor de transmutatie van de overgebleven brandstof.’
Het afval helemaal opstoken zal nooit lukken, zegt Schuurmans: ‘Hoe je het ook wendt of keert, elk proces heeft een eindige efficiëntie. Er blijft dus altijd brandstof over. Dankzij transmutatie duurt het echter nog maar duizend jaar voor het stralingsniveau van uraniumerts bereikt is, in plaats van pak weg een miljoen. Duizend jaar is voor de mensheid een overzichtelijke periode. Daar kun je een gebouw voor neerzetten. De pyramides staan er tenslotte al duizenden jaren.’
Volgens de Europese planning duurt het nog wel tot 2040 voor transmutatie op enige schaal in de praktijk toegepast kan worden. Koppel dat aan het tijdpad van de vierde generatie reactoren en het ligt voor de hand om te veronderstellen dat de voorstanders in het westen pas rond die tijd genoeg argumenten zullen hebben om van kernenergie weer een maatschappelijk aanvaardbare optie te maken.
In zekere zin zou je kunnen zeggen dat kernenergie in de jaren vijftig en zestig overhaast volwassen verklaard is, en daardoor in een impasse beland. Er zijn nog enkele decennia van verbeteringen nodig om met name het afval op een maatschappelijk aanvaarde wijze te verwerken. Vanaf pak weg 2040, het moment waarop de olievoorraden echt op beginnen te raken, kan kernenergie dan een serieuze, duurzame leverancier van elektriciteit en warmte worden.
