Snelle reactor en snelle kweekreactor
Het woord “snelle” in snelle reactor of snelle kweekreactor heeft betrekking op de hoge snelheid van de neutronen, die de splijtingen teweeg brengen. Deze snelheid blijft hoog, omdat er geen remstof (moderator) is om ze af te remmen en ze in thermisch evenwicht met hun omgeving te brengen. Bij snelle splijtingen komen gemiddeld iets meer neutronen vrij dan bij de thermische splijtingen. De reactor kweekt uit de kweekstof uranium-238 zijn eigen splijtstof plutonium-239. Voor elk uranium-235-atoom, dat splijt, ontstaat door het overschot aan neutronen en de lage parasitaire absorptie iets minder dan één nieuw splijtstofatoom plutonium-239. Als een plutonium-239-atoom splijt, dan kan dat zelfs iets meer dan één zijn. In dat geval is sprake van een kweekreactor en het kweken van nieuwe splijtstof. De splijtstof blijft lang in de reactor zitten en de opbrand is daardoor hoog. Als gevolg hiervan verbruikt de snelle reactor gedurende zijn bedrijfsperiode bijna geen of helemaal geen splijtstof. Hij verbruikt wel kweekstof. Hij gaat daardoor heel efficiënt om met het uranium. Dat in tegenstelling tot sommige andere typen, zoals de lichtwaterreactor. Vanwege de ruime uraniumvoorkomens op aarde en omdat natuurlijk uranium voor meer dan 99% uit uranium-238 bestaat, kunnen kweekreactoren de mensheid eeuwenlang van energie voorzien. Ze gebruiken het natuurlijk uranium ongeveer zeventig keer efficiënter dan de lichtwaterreactor.
Het Internationaal Atoom Energie Agentschap (IAEA) bracht onlangs een rapport uit, dat – vrij vertaald – is getiteld: “Als radioactief afval ooit veel waard is en geen last meer” ˚). Het rapport gaat in op de mogelijkheid en wenselijkheid om langlevend hoogactief afval, dat de lichtwaterreactor produceert, te hergebruiken in snelle reactoren, daarmee de splijtstofcyclus te sluiten en een circulaire economie op kernenergiegebied te realiseren.
Snelle kweekreactoren zijn in de periode tussen 1960 en 1990 door een aantal landen, waaronder VS, VK, Frankrijk en Rusland, gebouwd. In de westerse landen is die ontwikkeling, deels om politieke redenen, tot stilstand gekomen, deels omdat de snelle kweekreactor economisch niet aantrekkelijk bleek te zijn. De ontwikkeling ging echter door in Rusland, India en China.
Een voorbeeldfunctie, die IAEA noemt, is het energiecomplex in aanbouw in Seversk in Rusland. Daar verrijzen op een vestigingsplaats een loodgekoelde snelle kweekreactor van 300 MWe (BREST-OD-300), een opwerkingsfabriek, een fabriek voor de productie van plutoniumhoudende splijtstofelementen, een fabriek om het radioactieve afval te conditioneren en te verpakken, als ook een ondergrondse eindberging. IAEA attendeert er op, dat de controle van een dergelijk complex uit oogpunt van non-proliferatie een stuk eenvoudiger is, dan wanneer de installaties verspreid over het land zouden staan. Vanwege de aanwezige kweekreactor vindt een nagenoeg volledige versplijting van het natuurlijke uranium plaats. Een verspleten kilogram natuurlijk uranium genereert dan – op een enkele gram na vanwege Einsteins E = mc2 – een kilogram splijtingsproducten, die 200 tot 300 jaar radioactief blijven. En dus geen langlevende transuranen, die miljoenen jaren radioactief kunnen blijven. Naar schatting levert elke aldus verspleten kilogram natuurlijk uranium een hoeveelheid elektriciteit op, die gelijk is aan 11 miljoen kWh. Voor de opwekking van het huidige jaarlijks elektriciteitsgebruik van ons land zou minder dan elf ton natuurlijk uranium voldoende zijn. Ter vergelijking: De reactorkern van Borssele bevat 39 ton uranium. Een snelle kweekreactor gebruikt het natuurlijk uranium ongeveer zeventig keer efficiënter dan een lichtwaterreactor.
Het hergebruik van plutonium, dat door opwerken is vrijgemaakt, vindt ook in sommige westerse lichtwaterreactoren plaats. In de regel is dat hergebruik eenmalig. De reden is, dat er voldoende uitgeputte splijtstofelementen zijn, waardoor vaker hergebruiken onnodig is. Voorts is er een praktisch probleem. Een lichtwaterreactor produceert niet alleen plutonium-239 (Pu-239), maar ook Pu-240, Pu-241 en Pu-242. Dat Pu-242 heeft maar een kleine kans om een neutron in te vangen en daardoor verder te transmuteren. Er treedt na meermaals recyclen dus een opbouw op van Pu-242 in de splijtstof. Een snelle reactor versplijt dat Pu-242 echter wel, waardoor zijn hoeveelheid afneemt.
IAEA attendeert er op, dat voor snelle kweekreactoren de technische innovaties in de materiaalwetenschap, de reactorfysica en de ontwerpmethodiek hebben geleid tot betere reactorconcepten met hogere veiligheid en lagere bouwkosten. Daardoor zien de snelle kweekreactoren er tegenwoordig een stuk aantrekkelijker uit.
Opmerkelijk is, dat enkele grote westerse reactorleveranciers direct betrokken zijn bij de ontwikkeling van geavanceerde snelle reactoren. Het betreft allemaal kleine modulaire reactoren (SMRs), in plaats van de voormalige grote mastodonten. Voorbeelden zijn: General Electric Hitachi’s Natrium, waarin ook TerraPower van Bill Gates participeert; Korea Hydro & Nuclear Powers ARC-100, die is ontwikkeld door ARC Clean Technology; Westinghouses W-LFR, waaraan ook SCK CEN meedoet en SCK CENs eigen Myrrha. De beschrijvingen van de genoemde reactoren kunt u lezen door op de reactornaam te klikken.
˚) De titel en URL van het IAEA-rapport: When Nuclear Waste is an Asset, not a Burden
