Kunnen grote kerncentrales of kleine modulaire reactoren nog een rol spelen bij het halen van klimaatdoelen? Het Nederlands-Franse bedrijf Thorizon gelooft van wel en ontwerpt een kleine, modulaire gesmoltenzoutreactor die afgewerkte kernbrandstof kan recyclen. Een Canadese auteur denkt echter dat kernenergie ‘te laat’ en ‘te duur’ is om vóór 2050 een rol te spelen.
Rond de laatste eeuwwisseling was er sprake van een nucleaire renaissance. Het Franse EDF/Areva had het ontwerp van de EPS (European Pressurized Water Reactor) en het Amerikaanse Westinghouse presenteerde zijn AP1000. Beide designs zouden eenvoudiger, veiliger en groter zijn, wat zou resulteren in goedkopere kernenergie. Die belofte is niet waargemaakt. Zowel bij het bouwen van de AP1000 in de VS als de EPS in Frankrijk, Finland en het Verenigd Koninkrijk liepen de kosten en tijdschema’s zo gierend uit de hand dat de animo voor grote centrales in de VS en Europa is gekelderd.
De conclusie lijkt duidelijk: door de hoge kapitaals- en bouwkosten is de energie van kerncentrales te duur. Volgens Lazard, het Amerikaanse bedrijf dat dit nauwkeurig bijhoudt, ligt de Levelized Cost of Energy (LCOE) van kerncentrales op dit moment tussen de $130 en $200 per MWh. Voor zonnecentrales ligt dit tussen $29 en $92 per MWh en voor onshore wind tussen $27 en $73 per MWh. Zelfs onshore wind gecombineerd met opslag is volgens Lazard aanzienlijk goedkoper dan kernenergie.
Kernenergie kan qua prijs dus niet concurreren met wind en zon. Toch meent Rafael Grossi, directeur-generaal van het Internationale Energieagentschap, dat de wereld meer kernenergie nodig heeft. ‘De wereld heeft in 2024 de grens van 1.5 °C opwarming doorbroken terwijl de vraag naar energie stijgt,’ aldus Grossi. ‘Het ene na het andere technologiebedrijf is nu op zoek naar kernenergie om hun datacenters te kunnen opereren met low-carbon elektriciteit.’ Ze kijken daarbij volgens Grossi naar grote centrales maar vooral ook naar SMR’s (kleine modulaire reactoren).
Kleine modulaire reactoren zijn de smaak van het decennium. Volgens het Internationaal Atoomenergie Agentschap werken op dit moment meer dan 80 bedrijven en wetenschappelijke instellingen aan prototypen of demonstratiemodellen van kernreactoren met een vermogen van minstens 10MWe en maximaal 300 MWe. Waarom? Ze zullen aanzienlijk goedkoper zijn dan grote kerncentrales. Dat verlaagt de drempel om in kernenergie te stappen. Daarnaast bestaat het idee dat modulaire reactoren uiteindelijk goedkoper zullen worden wanneer ze eenmaal massaal geproduceerd kunnen worden,
Momenteel zijn er in de wereld slechts drie SMR’s in gebruik. Rusland opereert twee reactoren van ieder 70 MWe op de drijvende centrale Akademik Lomonosov. China nam in 2021 een 125 MWe reactor in gebruik in de provincie Hainan. De Russische reactoren zijn van het type PWR (pressurized water). De Chinese is een high-temperature gas-cooled pebble-bed reactor. De meeste bedrijven en organisaties die SMR’s ontwerpen werken aan verschillende versies van PWR. Er zijn een paar uitzonderingen. Eén daarvan is Thorizon. Dit Nederlands/Franse bedrijf werkt aan het ontwerp van een kleine gesmoltenzoutreactor.
Thorizon
Kiki Lauwers, ceo van Thorizon, meent dat kleine reactoren nodig zullen zijn voor de energietransitie. ‘Kernenergie is een emissievrije bron die we niet onbenut kunnen laten. Nederland is van plan 10 procent van alle energie uit kernenergie te halen. Kleine reactoren kunnen lokaal worden ingezet en daardoor onder meer de innovatiekosten van het grid verlagen.’ Ze wijst erop dat kleine reactoren gaten in het grid kunnen opvullen door bijvoorbeeld datacenters te voorzien van een stabiel aanbod van schone elektriciteit. Vandaar dat bedrijven als Amazon, Google en Facebook in de VS reeds in kernenergie investeren.
Een gesmoltenzoutreactor heeft volgens Lauwers een groot voordeel over andere typen kleine reactoren. ‘Onze gesmoltenzoutreactor opereert op een hoge temperatuur van 550 °C. Dat is de hitte die de industrie nodig heeft. Wij kunnen daardoor direct hitte leveren aan de industrie, op een temperatuur die bij andere reactoren niet haalbaar is.’ Daarnaast is een gesmoltenzoutreactor inherent veilig. Lauwers: ‘De reactor opereert bij lage druk en wanneer de temperatuur toeneemt neemt de splijtingsreactie automatisch af. Wanneer de stroom uitvalt, stoppen de pompen en is de reactor niet meer kritisch.’
De kern van Thorizon’s reactor wordt gevormd door een stuk of vijftien vervangbare modules waarin het hele proces zich afspeelt. Het zoutmengsel in deze modules is tegelijkertijd de brandstof en het koelmiddel. Het bestaat voor een groot deel uit keukenzout, natriumchloride, in combinatie met chloride zouten op basis van thorium en de materialen die uit langlevend kernafval worden gehaald, zoals uranium en plutonium. Thorium is op zich niet splijtbaar, maar wordt door een bombardement van neutronen omgezet in uranium-233, de brandstof voor de nucleaire reactie.
Kernenergie is een emissievrije bron die we niet onbenut kunnen laten.”
‘De corrosiviteit van het zout is een van de grote uitdagingen bij het ontwerpen van een gesmoltenzoutreactor,’ zegt Lauwers. Haar bedrijf lost dit probleem op met vervangbare modules. ‘In de eerste sessie zullen de modules na vijf jaar worden vervangen. Gedurende de levensduur van de centrale worden de modules steeds beter en dan kunnen ze langer in gebruik blijven.’ Door het periodiek vervangen van de modules kan Thorizon gebruik maken van conventionele materialen – in dit geval een geavanceerd type roestvrij staal – die al goedgekeurd zijn voor nucleaire toepassingen.
Een ander pluspunt van Thorizons design: recycling van nucleair afval. De zout mixture voor Thorizon’s reactor zal worden geproduceerd in de recycling- en opwerkingsfabriek van Orano in het Franse La Hague. De Franse partner verwijdert daar uranium en plutonium uit de afgewerkte brandstofstaven van kerncentrales en vermengt dit dan met het thorium en de andere ingrediënten van het zoutmengsel. Wanneer het zoutmengsel aan vervanging toe is, kan Orano opnieuw uranium en plutonium eruit halen voor hergebruik. De gesmoltenzoutreactor draagt zo netto bij aan de afname van langlevend radioactief afval.
Niet de oplossing
De Canadese fysicus MV Ramana heeft geen hoge pet op van kernenergie in het algemeen en kleine reactoren in het bijzonder. De titel van zijn boek Nuclear is not the Solution, the Folly of Atomicpower in the Age of Climate Change, laat daar weinig twijfel over bestaan. Ramana is van mening dat kernenergie te duur is terwijl de ontwikkeling van nieuwe projecten en nieuwe reactoren te lang zal duren en daardoor domweg te laat komt om nog voor 2050 een noemenswaardige rol te spelen.
‘2050 komt heel snel dichtbij’, zegt Ramana. ‘Kernenergie zal ons niet kunnen helpen om in 2050 op zero-carbon te zitten. Bij de bouw van een kerncentrale zit er gemiddeld zeker tien jaar tussen de eerste betonstort en het opstarten van de reactors. Dat duurt te lang. Bovendien is kernenergie te duur.’ Ramana gelooft dat het veel effectiever is om investeringen te doen in wind- en zonne-energie en de opslag ervan.
De Canadees ziet ook weinig perspectief voor kleine modulaire reactoren. ‘De eerste kernreactoren die ooit werden gebouwd waren klein, zo in de buurt van de 300 MW. Sindsdien zijn kerncentrales altijd maar groter gemaakt, juist om de energie goedkoper te maken. Hoe groter je centrale, hoe meer output en hoe groter je verdiensten per MWh. Schakel je terug naar kleinere reactoren, dan gaan de kosten per MWh onvermijdelijk weer omhoog. Zelfs al kun je SMR’s in grote aantallen bouwen, dan nog zal de energie die ze leveren nooit goedkoper zijn dan die van een grote kerncentrale en dus te duur’
Kernenergie zal ons niet kunnen helpen om in 2050 op zero-carbon te zitten.”
Te duur? Waarom investeren Facebook, Google en Amazon dan honderden miljoenen dollars in start-ups die SMR ontwikkelen? Ramana: ‘Dat klinkt goed, maar voor deze bedrijven zijn dat geen grote bedragen. Uiteindelijk zal geen enkel datacenter afhankelijk willen zijn van een reactor die dure elektriciteit levert. Zo’n SMR levert ook geen besparing op de uitbouw van het grid. Geen enkele reactor opereert 365 dagen per jaar. Je moet onderhoud doen en brandstof vervangen. ‘Een exploitant van een datacenter zal daarom altijd een hele dikke verbinding met het grid willen hebben voor de back-up.’
Ramana voorspelt dat bij de SMR’s, net als bij grote kerncentrales, de kosten uit de hand zullen lopen. Hij wijst op de lotgevallen van NuScale, het Amerikaanse bedrijf dat qua technologie en vergunningstraject waarschijnlijk het verst gevorderd is met de ontwikkeling van een SMR. Ramana: ‘NuScale adverteerde aanvankelijk dat het door het combineren van modules mogelijk zou zijn een 600 MW centrale te bouwen voor 4 miljard dollar. Na 1.8 miljard dollar te hebben uitgegeven aan R&D, denkt het nu $9.3 miljard nodig te hebben voor een 460 MW centrale. Geen wonder dat alle potentiële klanten hebben afgehaakt.’
Hoe duur?
Lauwers is bekend met de problemen van NuScale, maar blijft onverminderd optimistisch. ‘Kleine projecten zijn minder complex en lopen minder risico om qua kosten uit de hand te lopen.’ Thorizon heeft samen met Demcon en VDL een consortium gevormd dat de maakbaarheid, veiligheid en functionaliteit van alle kritische componenten en niet-nucleaire systemen gaat valideren. Het consortium zal een testfaciliteit bouwen waarin prototypen gebouwd en getest kunnen worden.
Thorizon is al in gesprek met de regelgevers in Nederland en Frankrijk om in 2027 een bouwvergunning aan te kunnen vragen en in 2030 te beginnen met de bouw van de eerste reactor. Waar dat zal gebeuren is nog niet zeker. Lauwers: ‘We doen op dit moment drie feasibility studies op sites in Nederland, België en Frankrijk die al een nucleaire vergunning hebben.’ Het streven is dan om in 2032 de eerste Thorizon reactor in gebruik te nemen.
De hamvraag is natuurlijk hoe duur straks de energie zal zijn die de reactoren van Thorizon produceren. Het bedrijf heeft zich ten doel gesteld een kostenniveau te halen van €60 per MWh. Is dat optimistisch? Lauwers: ‘We hebben die kosten extern laten valideren. Dankzij het passieve veiligheidsprofiel en de lage druk in de reactor is de constructie goedkoper. Essentiële componenten, zoals de gesmoltenzoutmodules kunnen centraal en in serie worden gemaakt. Daarnaast verlaagt de efficiëntere verwerking van langlevend nucleair afval de opslagkosten.’
