Amerikaanse onderzoekers willen gebruikte splijtstof niet langer begraven maar benutten als energiebron. Met versnellertechnologie moet de levensduur van het gevaarlijkste afval met drie ordes van grootte omlaag — én ontstaat extra CO₂-vrije stroom.
Onderzoekers van het Thomas Jefferson National Accelerator Facility werken aan een technologie die een fundamentele verschuiving kan betekenen in de nucleaire brandstofcyclus. In plaats van kernafval als permanente last te zien, moet het via Accelerator-Driven Systems (ADS) worden hergebruikt als brandstof voor nieuwe energieproductie.
De projecten worden gefinancierd met 8,17 miljoen dollar vanuit het Department of Energy-programma NEWTON en richten zich op twee kernvragen: kan ADS technisch continu op hoog vermogen draaien, en kan dat tegen acceptabele kosten?
Van 100.000 naar 300 jaar
Gebruikte splijtstof blijft normaal tot zo’n 100.000 jaar gevaarlijk. Met isotopenscheiding en transmutatie in een ADS-systeem kan dat volgens onderzoekers terug naar circa 300 jaar.
In zo’n systeem beschiet een deeltjesversneller een zwaar doel (bv. vloeibaar kwik) met hoogenergetische protonen. De spallatiereactie levert veel neutronen, die langlevende actiniden omzetten in korterlevende isotopen. De vrijgekomen warmte kan tegelijk elektriciteit opwekken.
ADS wordt al decennia onderzocht (o.a. in Europa en Japan), maar was economisch lastig. Het werk van Jefferson Lab focust daarom op hogere efficiëntie en vermogensdichtheid.
Geen dure installaties nodig
Een klassieke versneller vereist grote cryogene installaties om niobiumcaviteiten tot zeer lage temperaturen te koelen. Dat maakt het systeem kapitaalintensief en energetisch minder aantrekkelijk.
De onderzoekers ontwikkelen nu niobium-tin-coatings die supergeleiding bij hogere temperaturen mogelijk maken. Daardoor kunnen standaard commerciële koelinstallaties worden gebruikt in plaats van op maat gemaakte cryoplants. Dat verlaagt zowel de CAPEX als de operationele energievraag.
Daarnaast werkt het team aan zogeheten spoke cavities, een geometrie die vooral bij lagere bundelenergieën een hogere efficiëntie kan leveren. Voor ADS, waar continue hoge vermogens nodig zijn, is dat cruciaal.
Magnetron als megawattbron
Het tweede project pakt de RF-vermogensbron aan. ADS vraagt om bundelvermogens in de orde van 10 megawatt. In plaats van traditionele, dure klystrons wordt gekeken naar gemoduleerde magnetrons – bekend uit de keuken, maar hier in een high-power, fase-gestabiliseerde variant.
Samen met industriepartners zoals Stellant Systems worden magnetrons ontwikkeld die exact op 805 MHz kunnen worden afgestemd en modulair te combineren zijn tot het benodigde vermogen. Als dit lukt, kan dat de kosten per watt aanzienlijk verlagen en ADS dichter bij commerciële inzet brengen.
Strategische impact
Het NEWTON-programma heeft als ambitie om de volledige Amerikaanse voorraad gebruikte splijtstof binnen 30 jaar recyclebaar te maken. Dat zou de discussie over permanente geologische opslag – zoals deep geological repositories – fundamenteel veranderen.
In plaats van eindopslag wordt afval een tussenstap in een gesloten brandstofcyclus. Dat sluit aan bij internationale trends rond partitioning & transmutation en bij de groeiende interesse in geavanceerde reactorconcepten zoals fast reactors en molten-salt systemen, die beter omgaan met gerecyclede actiniden.
Uitdagingen
Toch blijven er stevige vraagstukken:
- Schaalbaarheid: ADS-installaties moeten betrouwbaar continu vermogen leveren, iets waar versnellers traditioneel minder goed in zijn dan reactoren.
- Brandstofcyclus: Scheiding van isotopen (partitioning) vereist chemische installaties die zelf complex en kostbaar zijn.
- Systeemintegratie: Koppeling van versneller, spallatiedoel en subkritische reactor stelt hoge eisen aan materiaalgedrag, thermische belasting en neutronenhuishouding.
- Businesscase: Alleen als zowel de elektriciteitsopbrengst als de afvalreductie financieel worden gewaardeerd, ontstaat een rendabel model.
Op naar industriële toepassing
Opvallend is dat vanaf het begin industriepartners zoals RadiaBeam en General Atomics betrokken zijn. Daarmee probeert men de klassieke kloof tussen labdemonstratie en commerciële installatie te overbruggen.
Volgens projectleider Rongli Geng ligt de kernuitdaging in het verhogen van de Technology Readiness Level van versnellertechnologie tot het niveau dat nodig is voor energie-infrastructuur: continu, robuust en economisch.
Ook voor Europa is de ontwikkeling relevant. Landen als Frankrijk en België worstelen met de eindbestemming van hoogradioactief afval, terwijl tegelijkertijd de vraag naar CO₂-arme baseload-energie groeit. ADS zou op termijn zowel de afvalproblematiek kunnen verlichten als extra productiecapaciteit bieden zonder nieuwe uraniumwinning.
Voorzichtig optimisme
Accelerator-Driven Systems worden al jaren gezien als technisch elegant maar economisch lastig. De huidige focus op kostenreductie via hogere bedrijfstemperaturen, efficiëntere cavities en goedkope RF-bronnen kan een kantelpunt betekenen.
Als de technologie daadwerkelijk schaalbaar en betaalbaar blijkt, verandert kernafval van een opslagprobleem in een strategische energiebron – met een opslaghorizon die van geologische tijdschalen terugvalt naar enkele eeuwen. Dat zou niet alleen technisch, maar ook maatschappelijk een paradigmaverschuiving betekenen.
