Kernenergie

Kerncentrales voor energieopwekking maken gebruik van vast uraniumoxide UO2 als ‘brandstof’. Als de uraniumisotoop 235U in de kernreactor met langzame neutronen wordt beschoten, dan geeft dit een instabiele uraniumisotoop 236U dat heel snel uiteenvalt in grote kernen met een massagetal rond de 142 en rond de 92, zoals barium en krypton. Bij deze gestimuleerde kernsplitsing komen snelle neutronen vrij die na vertraging wederom uraniumkernen kunnen splitsen – een gecontroleerde kettingreactie. Water in de kernreactor zorgt voor vertraging van snelle neutronen, en neemt daarbij de kinetische energie van deze neutronen deels over waardoor het water verwarmt. Ook de ‘brokstukken’ barium en krypton bewegen met hoge snelheid uit elkaar, en deze kinetische energie gaat over op de buuratomen van de kernbrandstof en wordt omgezet in warmte. Via een warmtewisselaar wordt al deze warmte overgedragen op een andere waterkringloop die water omzet in stoom. Deze stoom drijft een turbine aan, en een generator zet de ronddraaiende beweging van de as van deze turbine om in elektriciteit – een grote fietsdynamo, als het ware. Zie daar kernenergie in een notendop.

De energie die vrijkomt bij kernsplitsing is vele ordes groter dan de vrijkomende energie bij chemische reacties zoals de verbranding van steenkool, aardolie of aardgas. We hebben hier te maken met hele sterke kernkrachten, en niet met de veel zwakkere elektron-krachten die een hoofdrol spelen bij chemische reacties. Ter vergelijking: één gram uraniumisotoop 235U geeft net zoveel energie bij kernsplitsing als enkele duizenden kilogrammen steenkool bij verbranding – dus een factor miljoen verschil. Kernenergie is hierdoor een compacte energievorm met een zeer hoge energiedichtheid – je hebt heel weinig ‘brandstof’ nodig. Dit komt ook op een andere manier naar voren: per opgewekte hoeveelheid energie zijn kerncentrales veel compacter dan andere energiecentrales, en ze hebben ook minder grondoppervlak nodig dan andere niet-fossiele energie-opwekkers als zonnecellen en windmolens.

Van uraniumerts naar energie
Het element uranium komt als bestanddeel van ertsen van nature in de aardkorst voor. Meer dan 99% in de vorm van uraniumisotoop 238U, zo’n 0,7% als de wenselijke isotoop 235U en sporen 234U. Na winning wordt het erts met fysische en chemische processen ontdaan van ongewenste bestanddelen om een zuiverder uitgangsproduct (U3O8) te krijgen.
Voor een gebruikelijk type kerncentrale waarbij ‘gewoon’ water wordt gebruikt voor de warmteoverdracht is het nodig dat het gehalte aan isotoop 235U wordt verrijkt van 0,7% naar zo’n 4%. Hiertoe wordt het U3O8 eerst omgezet in gasvormig UF6. Omdat de isotoop 235U van UF6 net iets lichter is dan de isotoop 238U kun je deze isotopen op massa scheiden. Zo zijn in het verleden robuuste keramische membranen ontwikkeld voor de scheiding van dit corrosieve en zeer reactieve UF6-mengsel. Deze membranen lieten de lichte isotoop net iets sneller door dan de zware, waardoor het gehalte aan 235U iets toenam. Met een hele batterij membranen achter elkaar kon zo de juiste concentratie worden verkregen. Tegenwoordig worden ultracentrifuges voor de verrijking gebruikt, waarbij de zwaardere isotoop naar buiten ‘slaat’ en de gewenste lichtere 235U-rijke fractie aan de binnenkant van centrifuges onttrokken wordt.

Na de verrijking wordt UF6 omgezet in UO2 dat als staven of pellets tot brandstofelementen voor de kernreactor wordt gemaakt. Deze brandstof is verpakt in een omhulsel van zirkoonlegering die corrosiebestendig is en nauwelijks neutronen absorbeert. Behalve water voor de opname van neutronen en warmte zijn er ook regelstaven van cadmium of boor die in de reactor kunnen worden geschoven om neutronen op te nemen, als (extra) regelmechanisme van de kettingreactie. Vanwege de mechanische robuustheid en stralingsbestendigheid bestaan belangrijke onderdelen van de reactor en de centrale uit staal en beton.

Na enkele jaren productief te zijn geweest in de kernreactor voor energieopwekking is driekwart van de 235U omgezet in splitsingsproducten en daardoor sterk radioactief. De gebruikte brandstof wordt uit de reactor gehaald, en herbruikbare splijtbare materialen zoals uranium kunnen worden gerecycled en opgewerkt voor nieuw gebruik als brandstof. Het overige materiaal moet in een goede afschermende omgeving worden ingepakt en opgeslagen om ‘uit te stralen’. Omdat bij kernenergie vanwege de hoge energiedichtheid relatief weinig brandstof wordt gebruikt, gaat het hier om kleine volumes aan materiaal. De meeste ontstane splitsingsproducten hebben een halfwaardetijd die 30 jaar of korter is, waardoor ze na enkele honderden jaren uitgestraald zijn tot hetzelfde niveau als de grondstof uraniumerts. Een klein gedeelte van de splitsingsproducten heeft een veel langere halfwaardetijd; ze verdwijnen heel langzaam, maar ze stoten dus ook zeer langzaam en zeer weinig radioactiviteit uit. Deze radioactiviteit wordt in feite over de totale vervaltijd verdeeld.

Kernenergie en de (nabije) toekomst?
Als elektrificatie en waterstof de basis voor de niet-fossiele energiehuishouding van de toekomst gaat worden, is een combinatie van zonnepanelen, windturbines en kerncentrales met SOEC-elektrolysers voor waterstofproductie mogelijk een goede oplossing. Zoals hierboven al genoemd kan de warmte die een kerncentrale genereert worden gebruikt om via stoom een generator aan te drijven die elektriciteit produceert. Deze elektriciteit kan dan in een hogetemperatuur SOEC-elektrolyser worden gebruikt om waterstof te genereren – voor opslag, of om toe te voegen aan de infrastructuur van (voorheen aard-)gasleidingen door heel Nederland. Bij deze omzetting van water naar waterstof gaat energie verloren, dus gebruik hier bij voorkeur overtollige elektriciteit voor – op dagen met veel zon en veel wind, met kernenergie als ‘stabiele onderstroom’.
Kernsplitsing voor het opwekken van energie op deze manier is een bestaande technologie, die vandaag de dag al wordt toegepast. In kerncentrales van de verdere toekomst wordt gedacht om de kernbrandstof op te lossen in gesmolten zouten om zo het splijtbare uranium (al dan niet gemaakt door de grondstof thorium met neutronen te beschieten) direct z’n warmte te laten afgeven aan z’n oplosmiddel. Grote uitdaging: omdat gesmolten zout sterk corrosief is moeten de gebruikte constructiematerialen hier chemisch en thermisch tegen bestand zijn.
Als de nodige technische hobbels genomen zijn is kunstmatige kernfusie later in deze eeuw wellicht een optie. Dit is dezelfde energieopwekking die de zon al miljarden jaren op natuurlijke wijze gebruikt om te blijven schijnen. Hierbij worden zware kernen niet gesplitst, maar worden juist lichte kernen zoals de waterstofisotopen deuterium (2H) en tritium (3H) met elkaar versmolten waarbij veel energie vrijkomt. Een toepassing van Einsteins ‘E=mc2‘: lichte kernen (veel lichter dan ijzer) die samensmelten hebben gezamenlijk een iets hogere massa dan het samensmeltingsproduct, en het massaverschil komt als energie vrij. Miljoenen graden Celsius zijn nodig om zo’n samensmelting te laten plaatsvinden, met deeltjes in de vorm van een plasma dat binnen een fusiereactor in sterke magneetvelden opgesloten zit, zodat het niet in direct contact komt met de inwendige reactorwand. Materiaaluitdagingen liggen vooral in de bestendigheid van de inwendige reactorwand tegen hoge temperaturen en neutronenstraling.