KLEINE MODULAIRE KERNREACTOREN
Bijgewerkt op: 18 apr.
Macron kondigde ze aan als zijn ‘objectif numero 1’ en trekt er 1 miljard voor uit. Boris Johnson wil er samen met Rolls Royce 16 installeren, verspreid over de UK. Joe Biden, Xi Jinping en Vladimir Poetin zijn er al een tijdje mee bezig, en ook Bill Gates investeert erin. En in België komt er binnenkort een heuse hoorzitting over in de Kamercommissie Energie.
Kleine modulaire kernreactoren (Small Modular Reactors, of SMR’s, in het Engels) zijn hot. Ze zijn kleiner en simpeler dan gewone reactoren, ze zouden goedkoper, veiliger en flexibeler zijn en minder kernafval produceren. Ze zouden de nieuwe toekomst van kernenergie gaan worden. Ze gaan misschien zelfs het klimaat redden. En op de slides zien ze er fantastisch uit, bovendien.
Maar kunnen ze de verwachtingen wel beantwoorden? Sommigen noemen ze powerpointreactoren omdat ze alleen op slides bestaan.
Tijd om eens één en ander op een rijtje te zetten.
Afbeelding: Nuscale via Wikimedia Commons. CC BY-SA 3.0 Deed.
KLEINER EN SIMPELER
SMR’s zijn kleine kernreactoren met een vermogen tussen 10 en 300 MWe. Ter vergelijking: gewone kernreactoren hebben typisch een vermogen van 1000 tot 1600 MWe.
Kernreactoren zetten de thermische energie van een kernreactie (MWt) om in elektriciteit (MWe), door stoom te maken en een stoomturbine te laten draaien. Een kernreactor heeft een thermisch vermogen en een elektrisch vermogen. Het thermisch rendement (MWe/MWt) van een lichtwaterreactor ligt rond de 35%.
Kleine kernreactoren zijn niet nieuw. Ze werden in de jaren ‘50 en ’60 van vorige eeuw al gebouwd om duikboten, vliegdekschepen en ijsbrekers aan te drijven. In feite waren de eerste kernreactoren voor elektriciteitsproductie op land gewoon opgeschaalde versies van die oorspronkelijke kleine scheepsreactoren.
Het nieuwe van SMR’s is dat men die ‘kleinheid’ bewust gaat gebruiken om sterk vereenvoudigde reactordesigns te maken. Veel SMR’s (maar niet alle) hebben een integraal design, waarbij de reactorkern, de stoomgeneratoren, het drukvat en de circulatiepompen compact bijeengepakt worden in één stalen vat, tot een ‘all-in-one’ stoom producerende module (bij conventionele lichtwaterreactoren zijn dat aparte, omvangrijke onderdelen die onderling verbonden zijn met fors buizenwerk). Sommige designs (NuScale bv.) gaan nog verder en hebben gewoon geen pompen meer, maar koelen de reactorkern door natuurlijke convectie.
SMR designers zetten hard in op ‘design for manufacturability’ om die stoommodules, en de andere modules die er in een reactor omheen hangen, in serie te kunnen produceren in een fabriek, in gecontroleerde omstandigheden, met standaard componenten, en met de meest geavanceerde productietechnieken. Die modules kunnen dan per schip, trein of vrachtwagen getransporteerd worden naar de site van de kerncentrale en daar ter plaatse geassembleerd. Dat zou allemaal samen grote voordelen op gebied van efficiëntie, kwaliteit en kosten moeten opleveren, en de bouwtijd van een kerncentrale korter en voorspelbaarder moeten maken.
Die SMR designs zouden ook één keer ‘als design’ vergund kunnen worden, waardoor alle latere kopieën veel makkelijker en sneller een vergunning kunnen krijgen.
Er zijn momenteel zo’n 70 verschillende SMR-designs aangekondigd (zie kader), die ongeveer half om half op te delen zijn in 2 grote categorieën.
Lichtwater SMR’s zijn kleinere, simpeler versies van de gangbare kernreactoren (Fukushima, Doel, Tihange, …). Ze gebruiken water als koelmiddel en hun nucleaire werking is gebaseerd op trage, ‘thermische’ neutronen. Hun brandstofcyclus is dezelfde als bij de grote lichtwaterreactoren, en ze produceren evenveel kernafval per MWh. Lichtwaterreactoren zijn een mature technologie, en SMR’s van dit type kunnen klaar zijn voor prototype en eerste commerciële uitrol in 2030-2035. De Engelse en Franse SMR’s zijn van dit type, en ook de Amerikaanse NuScale SMR.
Gen IV SMR’s (zie kader) zijn gebaseerd op meer geavanceerde technologieën. Ze gebruiken andere koelmiddelen (gas, vloeibaar metaal, gesmolten zout) en kunnen daardoor op hogere temperatuur en met een beter thermisch rendement werken. De meeste zijn fast reactoren met een nucleaire werking gebaseerd op ‘snelle’ neutronen. Ze kunnen in theorie de kernbrandstof vollediger opbranden dan lichtwaterreactoren en zo minder langlevend kernafval produceren per MWh. De Natrium SMR van Bill Gates en Terrapower/GE Hitachi is een Gen IV SMR, en zij beweren een prototype klaar te hebben nog vóór 2030. De meeste Gen IV SMR’s zijn weliswaar later te verwachten (eerder tegen 2040?).
Het verhaal van de SMR's gaat als volgt:
GOEDKOPER
Het SMR-concept lijkt vooral gedreven door de nood om kernenergie-projecten financieel behapbaarder te maken. Een kerncentrale bouwen is sowieso een complex project met een lange duurtijd en een hoge kapitaalkost. Na Tsjernobyl en Fukushima zijn projecten voor nieuwe kerncentrales bovendien geplaagd door oplopende kosten en vertragingen. Algemeen is er bij investeerders een tanende appetijt voor wat gezien wordt als een te risicovol project. Zonder staatswaarborg lukt het gewoon niet. Tegelijk loopt de knowhow uit de sector weg door een dalend aantal projecten, wat verder bijdraagt tot de problemen. De nucleaire sector zit zwaar in de verdrukking.
Het SMR-concept belooft het financieel risico terug behapbaar te maken.
SMR’s zijn sowieso kleiner en goedkoper, waardoor de investeringsbudgetten kleiner zijn en ze voor meer en kleinere spelers betaalbaar worden. Als het project fout loopt is er tenminste minder geld weggegooid.
De serieproductie in een fabriek belooft kostenreducties. Dat effect is welbekend uit de scheepsbouw en de vliegtuigbouw. Zoals de productie van de T-Ford aan de lopende band de auto betaalbaar maakte, zo moet serieproductie van SMR’s kernenergie betaalbaar maken.
Fabrieksproductie moeten ook zorgen voor eenvoudiger constructiewerk op de site van de kerncentrale, voor kortere bouwtijden en een voorspelbaarder project. Het feit dat een SMR ‘als design’ kan vergund worden draagt ook bij om de looptijd van een project te beperken.
Dit alles zou ook moeten leiden tot een lagere kost per MWh in vergelijking met conventionele kerncentrales.
VEILIGER
SMR’s maken verschillende aanspraken waarom ze veiliger zouden zijn dan conventionele reactoren.
Om te beginnen hebben SMR’s een kleiner vermogen, en een kleiner volume aan radioactief materiaal in de reactorkern. Daardoor zijn de gevolgen bij een mogelijk ongeval sowieso beperkter en zou de noodplanningszone rond een centrale kleiner kunnen zijn (sic).
SMR’s maken ook aanspraak op een betere passieve veiligheid: door hun gering vermogen en hun designconcept beweren ze walk away safe te zijn: bij een ongeluk wordt de reactorkern afgekoeld door louter passieve fysische processen, zonder nood aan menselijke interventie of elektrisch aangedreven veiligheidssystemen (menselijke fouten in combinatie met slecht reactordesign, resp. het uitvallen van de elektriciteit waren belangrijke oorzaken in de kernongelukken van Tsjernobyl resp. Fukushima).
Kleinere installaties kunnen ondergronds gebouwd worden, met betere bescherming tegen aardbevingen, overstromingen en terrorisme.
In tegenstelling tot lichtwaterreactoren werken Gen IV SMR's gekoeld met vloeibaar metaal of gesmolten zout gewoon op atmosfeerdruk, wat overigens het risiko op ontploffingen niet volledig elimineert.
FLEXIBELER
SMR’s kunnen flexibeler zijn dan grote kernreactoren, op meerdere manieren.
SMR’s kunnen een constante basislast leveren, maar SMR reactordesigns kunnen ook - veel beter dan sommige oudere grote kernreactoren - in loadfollowing mode werken, waarbij ze hun vermogen moduleren in functie van de elektriciteitsvraag.. Andere SMR’s (NuScale bv.) zijn ontworpen om meerdere (6-12) reactorunits bijeen te zetten in één multi-module kerncentrale. Door units aan- of af te schakelen kan het vermogen van de centrale gemoduleerd worden. Die eigenschappen maken SMR’s aantrekkelijk in combinatie met variabele hernieuwbare energie.
Door hun kleine ruimtebeslag en passieve veiligheid zouden SMR’s ingeplant kunnen worden nabij of op de terreinen van energie-intensieve bedrijven. Ze kunnen daar zorgen voor de productie van stoom en elektriciteit, of voor ontzilting van zeewater. Hoge temperaturen bij sommige Gen IV reactoren (500-850 C) openen ook toepassingen voor hoogkwalitatieve proceswarmte en waterstofproductie.
Om dezelfde reden zouden SMR’s in principe meer gedecentraliseerd en dichter bij menselijke bewoning kunnen ingeplant worden, op de sites van oude kolen- of gascentrales en in toepassingen zoals warmtenetten en warmtekrachtkoppeling. Zo kunnen ze bijdragen aan het decarbonsieren van gebouwenverwarming.
KADER: SMR-DESIGNS
Er doen momenteel zo’n 70 verschillende SMR-designs de ronde: ongeveer de helft zijn lichtwaterreactoren, de andere helft Gen IV reactoren. Die designs zitten in verschillende fasen van maturiteit; van concept over basic design en gedetailleerd design naar een prototype in aanbouw. Sommige SMR’s hebben al een vergunning (NuScale bv.), een enkele is ook al in (commerciële) werking. Het feit dat er nog geen werkend prototype van een SMR bestaat maakt hem nog geen powerpointreactor: in de designfase worden al zeer gedetailleerde simulaties van de werking gemaakt. Maar je hebt natuurlijk een echt prototype nodig om alles samen te brengen.
Die 70 designs gaan het niet allemaal maken tot een commercieel product. Dat is niet mogelijk en economisch ook niet leefbaar. Men denkt dat de markt uiteindelijk zal consolideren in een paar succesdesigns.
Onder de lichtwater SMR’s zijn de Russische KLT-40S en de RITM-200 al operationeel als drijvende elektriciteitscentrales. In Argentinië is de CAREM-25 in aanbouw.
De UK SMR van Rolls Royce is niet echt een kleine reactor (470MWe), en hij heeft ook geen integraal design, maar aparte stoomgeneratoren, pompen en drukvat zoals een conventionele lichtwatereactor. Toch zou de voetafdruk van de SMR centrale maar één tiende zijn van een conventionele kerncentrale. Rolls Royce zweert ook heel sterk bij modulaire constructie in een fabriek. Het consortium plant 16 kleine nucleaire plants te bouwen, verspreid over de UK. De eerste centrale zou operationeel zijn in 2030, de volgende 9 in 2035.
De aangekondigde Franse SMR van Macron en EDF zal gebaseerd zijn op het Nuward design van EDF, CEA, Naval Group en TechnicAtome. De Nuward heeft twee reactoren van 170 MWe = 340 MWe. Het eerste prototype zou klaar zijn tegen 2030.
De Amerikaanse NuScale is een kleine reactor van 77 MWe met een integraal design en een volledig passieve koeling (geen pompen). Hij is ontworpen om ontplooid te worden in een multi-modulecentrale met 6 tot 12 NuScale reactoren (462-924 MWe). Het NuScale design kreeg al een vergunning van de Amerikaanse nucleaire regulator NRC. De eerste multi-modulecentrale op basis van NuScale reactoren zou eind 2029 operationeel moeten gaan in Idaho.
Onder de Gen IV SMR’s is er de door Bill Gates gefinancierde Natrium van Terrapower en GE Hitachi. Natrium is een fast reactor met vloeibaar natriummetaal als koelmiddel. Het speciale is dat hij gecombineerd is met een gesmolten zout energieopslag (500MWe*5.5 uur). Daardoor kan de centrale makkelijk in loadfollowing mode werken, terwijl de reactorkern continu op maximum vermogen draait. De eerste democentrale is gepland in Wyoming, en zou nog vóór 2030 operationeel moeten gaan. Natrium belooft 4x meer brandstofefficiënt te zijn dan lichtwaterreactoren, en 5x minder langlevend afval te produceren. Grotere versies van de reactor zouden op termijn ook kernafval van lichtwaterreactoren en niet-aangerijkt of verarmd uranium kunnen opbranden, maar die aanspraken zijn op dit moment moeilijk te controleren.
DROMEN OVER SMR's
De realiteit moet uitwijzen wat haalbaar is, maar elk wervend plan begint met het verbeelden van een aantrekkelijke toekomst. Het onderstaande komt wel met de nodige disclaimers.
Droom 1 : Een nationaal elektriciteitsnet met 70% hernieuwbare energie en 30% SMR
Moduleerbare SMR’s volgen flexibel de elektriciteitsvraag en vullen perfect in voor de variabiliteit van wind- en zonne-energie. Op termijn worden ze de koolstofneutrale vervangers van gascentrales. Het aandeel hernieuwbare energie in de energiemix kan daardoor stijgen tot 70%, zonder dure opslaginstallaties. Grondstoffen verslindende batterijen kunnen voorbehouden worden voor mobiele toepassingen, en groene waterstof/ammoniak voor industriële processen en lange-afstandstransport.
Droom 2: Zware industrie met SMR on site
SMR’s worden de compacte werkpaarden voor de energie-intensieve industrie. Er komen kleine reactoren op industrieterreinen, bijvoorbeeld in de Antwerpse havencluster. Ze zorgen voor lokale vermogenselektriciteit, proceswarmte en waterstof. Ook datacenters krijgen een eigen SMR, zodat ze niet moeten kannibaliseren op de wind- en zonne-energie voor de gezinnen.
Droom 3: Een energiemarkt met vele kleine spelers en een incrementele investering.
Elektriciteitsproductie wordt betaalbaar voor vele kleine spelers, in plaats van een paar grote jongens. Het ontplooiingsmodel van SMR’s wordt een beetje zoals wind- of zonneparken. Regionale of stedelijke energieproducenten kunnen met SMR’s ook inzetten op warmtenetten en warmtekrachtkoppeling.
KADER: GEN IV REACTOREN
Gen III/III+ lichtwaterreactoren zijn watergekoeld. De reactor werkt onder hoge druk (75-150 atmosfeer) en de uitlaattemperatuur bedraag 270-320 C, afhankelijk van het type.
Het water speelt ook een cruciale rol als moderator in de kernreactie: de neutronen die bij een kernsplitsing vrijkomen worden erdoor vertraagd tot ze ‘thermisch’ zijn en gemakkelijk een volgend uraniumatoom kunnen splitsen. Zo blijft de kettingreactie aan de gang. De splijtstof is laagverrijkt uranium (<5% splitsbaar). Ze hebben een zogenaamde ‘open’ brandstofcyclus en maken heel inefficiënt gebruik van de splijtstof. Ze produceren ook veel langlevend radioactief afval, vooral omdat een deel van het niet-gesplitste uranium omgezet wordt in langlevende radioactieve isotopen. Die langlevende fractie uit het kernafval blijft 300.000 jaar gevaarlijk.
Gen IV reactoren zijn gebaseerd op meer innovatieve technieken. Ze gebruiken een andere koelvloeistof (vloeibaar metaal, gas, gesmolten zout). Daardoor kunnen ze werken op hogere temperatuur (500-850 C) en dus bij een hoger thermisch rendement. De hoge uitgangstemperatuur maakt hen ook geschikt voor het leveren van proceswarmte en voor de rechtstreekse productie van waterstof.
De meeste Gen IV reactoren zijn fast reactoren. In tegenstelling tot water remt de koelvloeistof de neutronen niet af en kunnen ze ook gevangen worden door uranium, waardoor nieuwe splitsbare kernen ontstaan. Daardoor kan je in theorie veel meer energie halen uit dezelfde hoeveelheid kernbrandstof en blijft er per opgewekte MWh veel minder langlevend kernafval achter. Gen IV reactoren kunnen in theorie zelfs kernafval van oude lichtwaterreactoren opbranden. Het kernafval uit de ideale Gen IV reactor is al na 300 jaar uitgewerkt.
REALITY CHECK
Maar is het wel allemaal zo rooskleurig? Verschillende van de aanspraken van SMR-voorstanders worden in twijfel getrokken.
Sommigen zeggen dat kernenergie van SMR’s helemaal niet goedkoper, maar net duurder zal zijn. Kleine SMR’s gaan in tegen het schaalvoordeel dat zegt dat grotere reactoren een betere kost per GWh hebben. Dat was de drijfveer om ooit van kleine lichtwaterreactoren naar grote Gigawatt reactoren te evolueren. De aanspraak van kostenbesparing door serieproductie kan enkel maar gestaafd worden door effectief een serieproductielijn te bouwen en te optimaliseren. Zo’n serieproductielijn van SMR’s bestaat nog niet, verre van. In feite zit men daar met een kip-en-eiprobleem: de voordelen van serieproductie kunnen maar aangetoond worden als er een orderboekje van SMR’s is dat de constructie van een productielijn rechtvaardigt. Maar dat orderboekje gaat er maar komen met de garantie van een competitieve prijs voor de klanten. Er lijkt nood aan (toch weer…) overheidssteun om uit die spreidstand te geraken.
De uitdagingen om SMR-designs en de uitbating ervan vergund te krijgen zijn niet mis en beloven een langdurige, risicovolle en dure affaire te worden. Lichtwater SMR’s lijken het makkelijkst, omdat er een heleboel vergunningservaring beschikbaar is van de grotere lichtwaterreactoren. Maar lichtwater SMR’s hebben nieuwe configuraties en nieuwe (passieve) veiligheidssystemen en willen daarop kapitaliseren om minder actieve veiligheidssystemen te voorzien, minder personeel in te zetten, en SMR’s dichter bij menselijke bewoning te kunnen inplanten. Daar is een heel nieuwe vergunningscontext voor nodig. Bovendien is er nood aan internationale harmonisatie van vergunningen, omdat SMR’s een wereldmarkt nodig hebben om rendabel te kunnen worden. Gen IV reactoren zitten vol nieuwe concepten en nieuwe technologie en zullen het nog moeilijker hebben om vergund te worden.
Globaal gezien is er natuurlijk een potentieel veiligheidsprobleem als je overal SMR’s wil inplanten in een gedecentraliseerd model. Dus de vergunningsmodaliteiten moeten uiteraard niet lichtzinnig opgesteld worden.
De tijdslijn voor de ontwikkeling en de uitrol van SMR’s lijkt niet erg aangepast om sterk te kunnen bijdragen aan de tussentijdse klimaatdoelen tegen 2035. De huidige projecten voorzien prototypes tegen 2030-2035, maar nucleaire projecten hebben een track record om fors overtijd te gaan. Blijkbaar wil de sector zelf al te overspannen verwachtingen wat temperen: de Nuclear Energy Agency (NEA) voorspelt tegen 2035 zo’n 21 GWe aan SMR’s in een optimistisch scenario, en minder dan 1 GWe in een pessimistisch scenario. Andere schattingen komen aan 20-65 GWe in 2035. Dat is amper 5-15% bovenop de al bestaande nucleaire capaciteit.
CONCLUSIE
Aan de ene kant ben ik sceptisch. SMRs zijn voor een stuk een hype. Ze krijgen momenteel overmatige aandacht, iedereen springt erop. Er worden veel aanspraken gemaakt, maar ze kunnen momenteel moeilijk hardgemaakt worden. Er is powerpoint versus realiteit, zowel technisch als economisch. De echte tijdslijn wordt mogelijks niet zo goed als wordt voorgesteld.
Toch zou het een vergissing zijn om hier niet op in te zetten. Laat Macron en Boris Johnson maar doen en demonstreren waar ze kunnen geraken. Het argument dat SMR’s (en kernenergie in het algemeen) een gevaarlijke afleiding zouden zijn en middelen zouden afnemen van waar het echt zou moeten over gaan (de uitbouw van 100% hernieuwbare energie (sic)), houdt geen steek. SMR’s hoeven niet in competitie te zijn met hernieuwbare energie, en de ontwikkeling kan perfect in parallel gebeuren. De case voor 100% hernieuwbare energie (in combinatie met energieopslag, interconnectie en vraagsturing) is helemaal geen done deal en het is niet verantwoord om nucleaire energie als optie uit te sluiten, integendeel.
Dat SMR’s mogelijks te laat komen om een significante bijdrage te leveren aan de tussentijdse klimaatdoelen voor 2035, is ook geen argument: ook tegen 2050 en nog lang erna is er nood aan overvloedige en koolstofvrije energie.
Hoe minder tijd daarbij verloren wordt, hoe beter. Het zou funest zijn om binnen 15 jaar te moeten constateren dat 100% HE niet haalbaar is en dan een snelle inhaalbeweging te moeten maken voor nucleair. Dat is een recept voor onheil.
BIO
Ivan Clemminck is Burgerlijk Natuurkundig Ingenieur en heeft een Doctoraat in de Toegepaste Wetenschappen. Hij heeft een brede interesse in de technische en maatschappelijke aspecten van een duurzame en florissante wereld. Hij werkt bij Nokia