De 4e Generatie Kernenergie: Goedkoper, Schoner, Veiliger

Van Sciencefiction tot Stagnatie

Saying that nuclear energy is controversial is an understatement. Many see it as an extremely dangerous idea, bringing up the specter of Chernobyl and Fukushima as proof, and the problem of nuclear waste as something unsolvable. Others see it as a potential civilization-saving technology, thanks to its ability to generate baseload power with extremely low carbon emissions and land footprint.

Deze verdeeldheid bestond al vroeg, voordat klimaatverandering zelfs een onderwerp was.

De wereld werd voor het eerst zich bewust van de buitengewone kracht van kernenergie door de atoombommen op Hiroshima en Nagasaki, gevolgd door de uitvinding van de H-bom en de Koude Oorlog. Vanuit deze oorsprong was het vernietigende potentieel van onze nieuw verworven beheersing van het atoom duidelijk.

Al snel nam ook het idee om die kracht voor vreedzame doeleinden te benutten toe. Eerst de “Atom For Peace”‑initiatief, daarna een enorme golf van bouw van kerncentrales wereldwijd. Een tijdlang leek het duidelijk dat de toekomst kernenergie was en dat het verbranden van kolen, olie en gas spoedig zo verouderd zou zijn als de pittoreske molens van Nederland.

In de praktijk stopte de groei van de productie van kernenergie eind jaren 1990 na Chernobyl en is sindsdien wereldwijd gestagneerd, waarbij de groeiende productie van China de teruglopende Europese kernindustrie compenseert.

Bron: Nuclear Energy – Our World in Data

Jarenlang leken alleen China en Rusland bereid om kernenergie te ontwikkelen.

Vooral China, dat volgens The Economist “sneller kernreactoren bouwt dan elk ander land”.

Bron: The Economist

Vandaag maakt kernenergie wereldwijd een comeback, op een schaal die een paar jaar geleden onvoorstelbaar was, met veel nieuws dat wijst op een beleidsverandering in de meeste delen van de wereld:

• Japan versnelt de poging om ’s werelds grootste kerncentrale te herstarten
• VS‑energiechef Jennifer Granholm roept op tot verdrievoudiging van de Amerikaanse kernvloot
• Nieuwe kernenergie opgenomen in concept-Koreaans energieplan
• Frankrijk laat hernieuwbare doelstellingen vallen en geeft prioriteit aan kernenergie in nieuw energiewetboek
• VK plant bouw van een nieuwe kernreactor in Schotland
• India wil tegen 2032 18 kernreactoren met een capaciteit van 13,8 GW bouwen

De Ontbrekende Decarbonisatielink?

Safety concerns are still very much alive, and they are the justification behind Germany’s decision to shut down its nuclear power plants.

Echter, zorgen over CO₂‑uitstoot en klimaatverandering worden steeds urgenter, en kernenergie is in feite de kleinste uitstoter van alle energiebronnen, zelfs beter dan wind en zon, die veel meer land en grondstoffen vereisen.

Bron: Our World In Data

Hoewel spectaculair en met blijvende gevolgen, is kernenergie in de praktijk net zo veilig als hernieuwbare bronnen als je het aantal doden meet dat het heeft veroorzaakt, zelfs wanneer grote rampen worden meegerekend.

Dus, objectief bekeken, zou kernenergie waarschijnlijk een van de instrumenten moeten zijn die worden ingezet om het elektriciteitsnet en de economie in het algemeen te decarboniseren. Dit geldt vooral nu we steeds meer stroom nodig hebben voor de elektrificatie van transport (EV’s) en verwarming (warmtepompen), evenals nieuwe behoeften zoals AI‑datacenters.

De hoeveelheid kolen, olie en gas die moet worden vervangen is enorm. Zelfs rekening houdend met de vooruitgang in hernieuwbare energie en de adoptie van EV’s, vormen zij nog steeds de overgrote meerderheid van ons huidige energieverbruik.

Bron: Our World In Data

Wat met Kernafval?

The real safety profile of nuclear, however, leaves the question of nuclear waste.

Het idee om voor toekomstige generaties giftig afval achter te laten dat veel langer gevaarlijk blijft dan de Grote Piramide heeft gestaan, is, om het zacht uit te drukken, verontrustend.

Moeten we de toekomst vergiftigen om het klimaat te redden? Gelukkig komen er ten minste twee oplossingsrichtingen voort uit technologische vooruitgang om dit dilemma te beantwoorden.

De eerste optie is het recyclen van kernafval, de andere is het produceren van bijna geen kernafval. Beide maken deel uit van de zogenaamde 4^th generatie kerncentrales.

Voor meer details, zie hieronder snelle reactoren en thoriumreactoren.

Natuurlijk kunnen later andere oplossingen worden aangenomen, zoals het buiten de aarde brengen van dit afval met ultra‑betrouwbare raketten. Maar voorlopig is het onwaarschijnlijk dat het risico om kernafval over een halve continent te verspreiden bij een lanceer‑mislukking acceptabel wordt geacht.

Generaties Kerncentrales

The 1^st generation of nuclear power plants were essentially prototypes with no commercial utilization.

De 2^nd generatie kerncentrales vormt het grootste deel van de huidige vloot. Ze werden gebouwd in de periode 1965‑1996.

De 3^rd generatie kerncentrales werd gebouwd na de lessen van de 2^nd generatie en probeerde de fouten die leidden tot zeldzame maar catastrofale nucleaire rampen te verhelpen. Ze werden gebouwd in de periode 1996‑2016. Soms wordt een 3+‑generatie beschreven als de generatoren gebouwd in de periode 2017‑2021, met een focus op verhoogde veiligheid.

De 4e generatie kernenergie staat nog aan het begin en vormt een breuk met de voorgaande generaties, met een doel voor nieuw ontwerp, nieuw concept, en misschien zelfs een andere kernbrandstof in plaats van incrementele verbeteringen.

Er wordt ook gesproken over een 5^th‑generatie kerncentrale. Deze ontwerpen zijn theoretisch mogelijk maar worden niet actief onderzocht, meestal vanwege economische levensvatbaarheidsproblemen, ontbrekende technologieën of veiligheidszorgen.

4^th Generatie Kerncentrales

What makes a nuclear power plant part of the 4^th generation is hotly debated among experts in the industry.

In dit artikel bespreken we voornamelijk ontwerpen die radicaal afwijken van de 3^rd generatie‑ontwerpen.

En we proberen de uitleg zo simpel mogelijk te houden, waarbij we waar nodig details overslaan.

Very-High-Temperature Reactor (VHTR)

This design is characterized by very high temperatures, in the range of 1,000°C. This is the only 4^th generation nuclear power plant already operating, with the commercial launch in 2023 of Huaneng Shandong Shidao Bay Nuclear Power Plant in eastern China.

Het ontwerp maakt vaak gebruik van een “pebble‑bed”, waarbij keramische bolletjes – klein genoeg om in de hand te houden – een kern van uranium beschermen, met tienduizenden van deze bolletjes in één reactor.

Bron: CGTN

X-Energy ontwikkelt een soortgelijk technologie in de VS.

Omdat de reactie hoge temperaturen vereist en passief wordt gekoeld, is dit een ontwerp dat van nature veiliger is dan 3^rd generatie kerncentrales.

Het voordeel van het pebble‑ontwerp is dat vervanging mogelijk is zonder de reactorproductie te onderbreken, en het keramiek voorkomt bovendien elk risico op lekkage van radioactief materiaal.

Molten-Salt Reactor (MSR)

In these reactors, the coolant is a molten salt mixture instead of water or gas. In some cases, the fuel is also contained in the molten salt.

Molten‑salt‑reactoren hebben doorgaans een hogere output‑efficiëntie, verbranden brandstof efficiënter en produceren minder kernafval. Omdat ze heter zijn, worden ze soms samen met VHTR’s in de categorie “thermische reactor” geplaatst.

Echter, een probleem met gesmolten zouten is dat ze corrosief zijn, een probleem dat wordt verergerd door mogelijke verzwakking van de structuur door radioactiviteit. Dit impliceert een noodzaak voor uiterst voorzichtige onderhouds‑ en inspectieprocedures van leidingen, pompen, enz.

Thorium

Since the 1950s, almost all reactors have used uranium as fuel. This leads people to assume that it is the only solution.

Maar dit was eigenlijk grotendeels een politieke keuze, omdat uraniumcentrales plutonium creëren. Destijds werd dit als positief gezien, omdat het nucleaire machten in staat stelde materiaal voor kernbommen te maken.

Een alternatief met een bron die drie keer zo overvloedig is als uranium is het element thorium. De bijproducten van een thoriumreactor zijn bovendien zeer onwaarschijnlijk om omgevormd te worden tot materiaal voor atoombommen.

Bron: ACS

Een ander belangrijk voordeel van thorium is de mogelijkheid om tot 100 × minder afval te produceren, tenminste bij gebruik van een vloeibare fluoride‑thorium‑reactorontwerp (een gesmolten‑zout‑thoriumreactor).

Hier loopt China ook voorop met een thoriumreactor die waterloos kan draaien, wat het geschikt maakt voor woestijngebieden. En met containerschip‑propulsie door een thoriumreactor onthuld door China State Shipbuilding Corporation (CSSC).

Fast / Breeder / Burner Reactors

Fast reactors rely on “fast neutrons” which are not slowed down by moderators like in classical nuclear reactors. This allows to design the reactor so it can use the fast neutrons to consume elements part of the actinides family (which include uranium and plutonium).

Bron: Sciences Notes

Omdat traditioneel reactorbrandstof verandert in een complexe mix van langlevende actiniden, vormen deze elementen het grootste probleem in kernafval.

Burner‑reactoren transmuteren het grootste deel van de problematische actiniden in gebruikte kernbrandstof, waardoor het verwerkte afval minder actief, 90‑98 % minder volumineus, en slechts problematisch voor decennia of eeuwen in plaats van millennia wordt.

Deze categorie reactoren wordt meestal geclassificeerd op basis van hun koelsysteem, dat kan bestaan uit gas, natrium of lood.

Hoewel geclassificeerd als 4^th generatie, is dit geen geheel nieuwe of ongeteste technologie. Met name Frankrijk’s Phénix en Superphénix verbrandden kernafval gedurende de jaren 1970‑1990, voordat ze uiteindelijk werden gesloten vanwege operationele kosten en politieke druk van de Groene partij.

Moderne versies van snelle kweekreactoren omvatten bijvoorbeeld de ontworpen maar niet gebouwde PRISM van GE‑Hitachi.

Small Modular Reactors (SMRs) & Microreactors

Most nuclear reactors are conceived as the typical large power plants we think of as nuclear plants.

Een nieuw type ontwerp richt zich op het verkleinen van kerncentrales tot een formaat dat op een vrachtwagen (SMR) of zelfs in een standaard container (microreactors) kan worden vervoerd.

Bron: Nuscale

Over het algemeen worden SMR’s verwacht het net of grote industriële processen van stroom te voorzien, terwijl microreactoren waarschijnlijk meer gebruikt zullen worden voor afgelegen gebieden, militaire faciliteiten en ruimteverkenning.

De kleinere omvang en gestandaardiseerde ontwerpen zouden de adoptie van SMR’s ook voor kleinere landen vergemakkelijken.

Een ander voordeel van SMR’s is dat ze in series kunnen worden geproduceerd, zoals vrachtwagens of schepen, in plaats van het unieke maatwerkontwerp dat de industrie doorgaans prefereert. In theorie zou dit schaalvoordelen en kostenreductie moeten opleveren.

In de praktijk kunnen de kosten hoger uitvallen dan verwacht, althans voor de prototypes. Dit leidde tot een lichte daling van de enthousiasme rond SMR’s nadat ze misschien een beetje overgehypet waren.

Desondanks zullen SMR’s waarschijnlijk snel uitbreiden, met bijvoorbeeld projecten die vorderen in Finland, Noorwegen, Polen, VS, Canada en Argentinië.

U kunt meer lezen over de status van SMR‑technologie in ons artikel “Update on SMRs (Small Modular Reactor) – Still The Future of Nuclear Power”.

Floating Nuclear Station

While maybe not technically 4^th generation, floating power stations are a new concept that provides a radical departure from the usual nuclear power plant concept.

Voornamelijk gepromoot door Rusland’s Rosatom, verschilt dit concept van kern-aangedreven schepen, zoals bijvoorbeeld sommige vliegdekschepen.

Hier is het hele doel van het schip om een energiecentrale te zijn, zij het een mobiele drijvende. Door de groottebeperkingen kan dit ook worden omschreven als een SMR, zij het een zeer grote.

Bron: Power Technology

De toepassing van deze concepten was in het Russische poolgebied, waar steden aan de kust voornamelijk gericht waren op mijnbouw en olie‑ en gaswinning. In deze omgeving wordt de “afval‑warmte” van de station niet verspild en kan worden gebruikt voor wijkverwarming.

Een bredere toepassing zou kunnen zijn om kernenergie naar ontwikkelingslanden te brengen zonder ervaring met het exploiteren van nucleaire technologie. Het station kan worden bediend door de fabrikant, en de stroom wordt aan het vasteland verkocht simpelweg door het “aansluiten” op het elektriciteitsnet.

Het concept zou ook stroom kunnen leveren aan eilanden en afgelegen regio’s, evenals een snel inzetbaar rampenhulpsysteem.

Zo kijkt Guinea al klaar om met Rusland aan zo’n project te werken.

Westinghouse en Prodigy onderzoeken het idee ook, evenals Korea’s KSOE & Kepco, of Denemarken’s Seaborg die gesmolten‑zout‑technologie combineert met zeebasis‑energiecentrales.

Kosten

One last criticism leveraged against nuclear power is cost.

Dit komt grotendeels doordat de nieuwste kernprojecten in de VS en Europa enorme kostenoverschrijdingen hebben geleden. Bijvoorbeeld, de Vogtle‑centrale in Georgia kostte uiteindelijk $37 miljard, waarvan $20 miljard kostenoverschrijdingen. Of de €11 miljard Olkiluoto‑3‑centrale in Finland, in plaats van de aanvankelijk verwachte €3 miljard.

Het feit dat Vogtle 14 jaar nodig had om te bouwen en Olkiluoto pas 12 jaar na de eerste schatting in gebruik werd genomen, is grotendeels verantwoordelijk voor de opswellende kosten.

Maar dit is geen doodvonnis. In dezelfde periode toonde Bloomberg aan dat China 6 kernreactoren bouwde voor slechts $17 miljard.

De kostenstijging in het Westen wordt vooral veroorzaakt door drie factoren:

1. Toenemende regulatoire lasten.
   1. Hoewel een deel hiervan te wijten is aan strengere veiligheidscontroles, beschouwen sommigen het als bureaucratische rompslomp en politiek gemotiveerde belemmeringen voor de industrie.
2. Stijgende kapitaalkosten.
   1. Aangezien de kosten van kerncentrales voornamelijk voorafgaand aan de bouw ontstaan, verlagen lage kapitaalkosten de uiteindelijke prijs drastisch. Chinese kernprojecten krijgen doorgaans toegang tot leningen met lage rente van de staat.
3. Te weinig projecten.
   1. Als er meer centrales achter elkaar worden gebouwd, kunnen fabrikanten de productie standaardiseren en apparatuur in series of batches produceren, in plaats van elk project als een uniek maatwerk te behandelen.
   2. Een constanter stroom van projecten helpt ook bij het opleiden en behouden van gekwalificeerd personeel.

Elk van deze problemen kan worden opgelost.

Overmatige regulatoire lasten kunnen worden teruggeschroefd, kapitaal kan door de overheid worden gemobiliseerd. En meer projecten en een stabiel energiebeleid zullen de toeleveringsketen herstellen.

Kernenergiebedrijven

1. Cameco Corporation

Kernenergie is afhankelijk van de uranium‑voorziening. Uranium is geen bijzonder zeldzame grondstof, hoewel hoogconcentratie‑afzettingen niet gemakkelijk te vinden zijn.

De markt wordt gedomineerd door Kazatomprom in Kazachstan en Cameco in Canada. Andere uraniummakers bestaan, maar deze twee zijn verreweg de grootste en hebben de laagste productiekosten. Daardoor zal Cameco centraal staan in de levering van de grondstoffen die nodig zijn voor bestaande en toekomstige kerncentrales.

Bron: Cameco

Echter, Cameco’s mijnbouwtak is slechts de helft van het verhaal. In 2022 besloot Cameco de meerderheid van Westinghouse over te nemen, de toonaangevende bouwer van kerncentrales in de VS, samen met een gigantisch investeringsbedrijf, Brookfield.

Dit geeft Cameco toegang tot de stabiele inkomsten van Westinghouse uit het onderhoud van bestaande centrales en controle over een groot deel van de nucleaire toeleveringsketen. Door strenge regelgeving zullen dergelijke onderdelen en apparatuur vereist zijn voor elke nieuwe centrale, traditioneel of SMR‑achtig.

Een goede demonstratie van Westinghouse’s innovatiepotentieel is het recent onthulde AP300 SMR‑ontwerp, dat waarschijnlijk zal worden ingezet in Slowakije, Finland,  en Zweden.

Dus Cameco is zowel een weddenschap op uraniummprijzen als op Westinghouse die een stevige controle houdt over de markt voor het bouwen van kerncentrales die het vroeger domineerde. Het moet worden opgemerkt dat het mede‑eigendom met Brookfield ook kan helpen, aangezien het bedrijf een enorme divisie voor hernieuwbare/laag‑koolstof energieproductie heeft in de vorm van $19 miljard Brookfield Renewable Partners (BEP).

2. Mirion Technologies, Inc.

Naast de reactoren en brandstoftechnologieën is de opwekking van kernenergie sterk afhankelijk van tal van sensoren, onderdelen en andere “kleine” apparatuur die desondanks perfect moet functioneren.

Een dergelijke categorie is stralingsdetectie, de kernactiviteit van Mirion (VS). Nucleaire regelgeving vereist zeer strenge controles op stralingsblootstelling van personeel, omgeving en de vroege detectie van eventuele lekken of besmetting. Hetzelfde geldt voor medisch gebruik van radioactieve stoffen, zoals kankerbehandeling en beeldvorming.

Bron: Mirion

Het bedrijf is ook actief in fysieke metingen voor wetenschappelijke analyses en onderzoek, evenals decommissioning‑ en decontaminatie‑apparatuur voor de defensie‑industrie, cyberbeveiliging en trainingsdiensten. Het bedrijf ging in 2020 naar de beurs.

De omzet van Mirion is gestaag gegroeid, evenredig gedragen door zowel de medische als de industriële klanten.

Mirion is een minder “glamoureus” onderdeel van de nucleaire toeleveringsketen, dat straling monitort en meet in plaats van nieuwe reactorontwerpen, hoog‑dichtheidsbrandstof of militaire toepassingen te creëren. Dit maakt het echter niet minder interessant vanuit financieel oogpunt.

Dus Mirion is meer een “pick‑and‑shovel”‑type aandeel dat zal profiteren van hernieuwde interesse en investeringen in kernenergie. Het zal ook profiteren van de nog steeds hoge publieke scepsis over kernenergie, waardoor de eisen voor alomtegenwoordige, efficiënte en betrouwbare stralingssensoren en monitoren, geleverd door beproefde leveranciers, worden versterkt.