Reactorinstituut rekent aan brandstof voor drijvende kerncentrales
Een schip met compacte kernreactoren aan boord, die in een haven tot 800 megawatt aan elektriciteit kunnen leveren. Experts van het Reactorinstituut Delft onderzoeken een uranium houdend zoutmengsel voor dit schip, de Power Barge.
© Stephan Timmers
Tekst Jos Wassink
De Power Barge is een plan voor CO2-vrije energieopwekking in de nabije toekomst. Bijna tien jaar geleden staken een stel natuurkundigen in Kopenhagen de koppen bij elkaar om een oplossing te bedenken voor de stijgende CO2-emissies en de energie-armoede. Hun keuze viel op kernenergie met een gesmolten-zoutreactor, vanwege onder meer de compacte bouw en de veiligheid (waarover later meer). De compacte gesmolten-zoutreactor is klein genoeg om te passen in een scheepsruim. Het idee voor de Power Barge was geboren: een schip met twee tot acht compacte kernreactoren aan boord dat afgemeerd in een industriehaven geruisloos 200 tot 800 megawatt elektriciteit aan het elektriciteitsnet levert. Na 12 jaar moet de brandstof vervangen worden en na 24 jaar de reactor. Het schip kan bijdragen aan een warmtenet, industriële warmte en/of ontzilting van zeewater, meldt de Deense start-up Seaborg Technologies – een start-up met meer dan honderd mensen in dienst. Seaborgs doelstelling is het eerste energieschip af te leveren in 2028.
Delfts onderzoek
Voor de samenstelling en eigenschappen van het gesmolten zout, dat het hart van de reactor vormt, kwam Seaborg terecht bij dr. Anna Smith in het TU Delft Reactor Institute. Opgeleid als chemicus en materiaalkundige promoveerde Smith aan de Universiteit van Cambridge. Het experimentele onderzoek aan uranium, neptunium en plutonium deed ze in het Europese Joint Research Centre in Karlsruhe. Na haar promotie zette ze in Delft haar eigen onderzoekslijn op bij de afdeling Radiation Science and Technology (RST) van de faculteit Technische Natuurwetenschappen. Smiths specialisme zijn de chemie en materiaaleigenschappen van gesmolten zouten (fluoriden en chloriden) voor nucleaire toepassingen. In 2022 tekenden Seaborg en de TU Delft een jaarcontract voor een postdocpositie voor dr. Lukasz Ruszczynski bij RST. Hij deed het afgelopen jaar onder leiding van Smith onderzoek naar de chemie van gesmolten zout als brandstof voor de Deense Compact Molten Salt Reactor (CMSR).
De simulatie Molecular dynamics laat zien dat uranium (blauw) fluoride (groen) de neiging heeft om meer aan elkaar te kleven dan natrium (oranje) en kalium (roze).
© Lukasz Ruszczynski
Rekenen aan zouten
Kijk, zegt Lukasz Ruszczynski, terwijl hij zijn laptop openklapt om te laten zien hoe de eigenschappen van gesmolten zout berekend worden. Hij start het simulatieprogramma Molecular Dynamics. Dat berekent de macroscopische eigenschappen zoals viscositeit, warmtecapaciteit en dichtheid van gesmolten zouten. Ruszczynski laadt 800 ionen in de simulatie een mengsel van positieve ionen kalium, natrium, uranium en negatief geladen fluorionen. Het programma berekent vervolgens hoe de ionen zich gedragen onder invloed van elektrostatische aantrekking en afstoting, polarisatie en verspreiding. Een miljoen rekenstappen later ontstaat er een soort gemiddeld beeld dat laat zien dat uraniumfluoride, anders dan kalium- en natriumfluoride, de neiging heeft langgerekte kettingen te vormen. Dat maakt het vloeibare gesmolten zout stroperig. “Dat zijn belangrijke uitkomsten voor de ingenieurs die de reactor ontwerpen”, zegt Ruszczynski. “Die moeten dat weten bij de dimensionering van de leidingen en de capaciteit van de pompen.”
Gesmolten-zoutreactor
De belangrijkste eigenschap van een gesmolten-zoutreactor is dat die inherent veilig is, zodat die met een gerust hart in een haven aangesloten kan worden. Mocht het gesmolten zout te heet worden, doordat de kernreactie te hard gaat bijvoorbeeld, dan smelt een plug en loopt alle splijtstof naar de dumptanks waar de kernsplijting stopt. Een meltdown, het nachtmerriescenario bij een conventionele kerncentrale, kan dus niet gebeuren. Ook kan de reactor niet ontploffen, omdat het kernsplijtingsproces bij atmosferische druk plaatsvindt. Hoge druk ontstaat pas in de stoomgenerator. De brandstof kan door zijn vloeibare aard vrij gemakkelijk worden verwerkt om ongewenste splijtingsproducten te verwijderen en splijtbare materialen terug te winnen. Seaborg Technologies spreekt de ambitie uit om de brandstofcyclus te sluiten en dus geen (langlevend) radiologisch afval te produceren.
De gesmolten-zoutreactor is een van de zes reactortypes die tot de vierde generatie kernreactoren gerekend worden. Generatie IV-reactoren zijn ontworpen op veiligheid en duurzaamheid. De technologische uitdaging is om met gesmolten zout van ruim 600 graden om te gaan – een goedje dat radioactief, gloeiend heet en uitermate corrosief is. Dat het kan lieten Amerikaanse onderzoekers ruim vijftig jaar geleden al zien. Het Molten Salt Reactor Experiment vond plaats tussen 1964 en 1969 in het Oak Ridge National Laboratory. In de kern circuleerde aanvankelijk thoriumfluoride en later uraniumfluoride. De conclusie luidde dat een gesmolten-zoutreactor een haalbaar concept is. Toeval of niet: de directeur van de Amerikaanse energiecommissie destijds was Nobelprijswinnaar G.T. Seaborg, een pleitbezorger voor vreedzame toepassing van kernenergie.
Hoe werkt een gesmolten zout kerncentrale?
De splijtstof, in het geval van Seaborg Technologies is dat laag verrijkt uranium, is opgelost in de vorm van een fluoride (UF4) dat samen met natrium- en kaliumfluoride (NaF en KF) door de reactorbuizen circuleert. De buizen zijn omgeven door grafiet dat als moderator de bij kernsplijting vrijkomende neutronen voldoende afremt om andere uraniumkernen te kunnen splitsen. Regelstaven die neutronen absorberen, remmen de nucleaire kettingreactie af tot een gewenst kritisch niveau. Tijdens de passage door de reactor loopt de temperatuur van het gesmolten-zoutmengsel (NaF-kF-UF4) op van 600 naar 700 graden Celsius. Warmtewisselaars koelen het zoutmengsel terug tot 600 graden en wekken met de vrijkomende hitte stoom op die een elektriciteitsgenerator aandrijft.
‘Door de klimaatbeloften is er een dringende behoefte aan kernenergie’
Klimaatdoelstellingen
Door de huidige klimaatdoelstellingen kwam de compacte gesmolten-zoutreactor een halve eeuw later opnieuw in de belangstelling. De Nuclear Energy Agency (NEA) noemde in een recent rapport wereldwijd meer dan twintig start-ups, waaronder Seaborg, die aan een gesmolten-zoutreactor werken. Momenteel komt ongeveer 10 procent van de elektriciteit wereldwijd uit kerncentrales, analyseert de NEA in hetzelfde rapport. Om in lijn te blijven met een maximale opwarming van 1,5 graden moet dat in 2050 drie keer meer zijn. Daarvoor moeten bestaande kerncentrales langer openblijven en moeten er nieuwe kerncentrales bijkomen. De NEA heeft de hoop gericht op kleine gesmolten-zoutreactoren die lokaal CO2-emissies kunnen verlagen en de energieafhankelijkheid verminderen. Na een jaar onderzoek in Delft is postdoc Lukasz Ruszczynski inmiddels teruggekeerd naar Kopenhagen om als numeriek scheikundige bij te dragen aan de gesmolten-zoutreactor.
Seaborg ziet de CMSR als flexibele en CO2-vrije krachtbron, met name in Azië. “Er zijn contacten met Zuid-Korea, Vietnam en Indonesië”, vertelt Ruszczynski. “Steden daar zijn dichtbevolkt en worden nu voornamelijk van stroom voorzien door kolencentrales. Er is onvoldoende duurzame energie beschikbaar en dus ontstaat door de klimaatbeloften een dringende behoefte aan kernenergie.” Seaborg heeft in Zuid-Korea al contracten met Samsung voor de levering van schepen om de reactoren in te plaatsen. Vanaf 2030, een belangrijke peildatum in het klimaatbeleid, denkt Seaborg de stroomboten in serie te kunnen produceren en in bedrijf te houden. Ruszczynski en Smith willen beiden de samenwerking voortzetten. “Tot nu toe hebben we gewerkt met private financiering vanuit Seaborg”, vertelt Smith. “Maar we kunnen er ook een Europese subsidie voor aanvragen, of anders bij de Deense stichting Novo Nordisk, die zich ook inzet voor de energietransitie.”
Illustratie van de Powerbarge. Vanaf 2030 denkt Seaborg de stroomboten in serie te kunnen produceren.
© Seaborg Technologies