Nieuwe vloeibare kernbrandstof kan de prestaties van bestaande reactoren verhogen zonder dat er compleet nieuwe centrales nodig zijn. Als de theorie zich ook naar de praktijk weet te vertalen, dan kan het een revolutie betekenen in efficiëntie, veiligheid en levensduur van kerncentrales.
Een onderzoeksgroep van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) heeft een licentieovereenkomst gesloten met de Australische investeerder Out The Back Ventures om een opvallend nieuw type kernbrandstof richting commercialisatie te brengen. Het concept heet Uranium Dioxide Liquid Metal Suspension (ULIMES), en vervangt de klassieke vaste brandstofpellets door een stromende suspensie van uraniumdioxide in vloeibaar metaal.
Volgens ORNL kan deze aanpak de prestaties, veiligheid en levensduur van bestaande lichtwaterreactoren (LWR’s) aanzienlijk verbeteren, zonder dat een compleet nieuw reactortype nodig is.
De wetenschappelijke basis voor ULIMES werd eerder beschreven in een peer-reviewde studie in Nuclear Engineering and Design van Ian Greenquist, gebaseerd op verkennende simulaties.
Van vaste pellets naar stromende brandstof
Vrijwel alle huidige kerncentrales draaien op vaste UO₂-pellets in brandstofstaven. Dat systeem is robuust, maar kent bekende nadelen: slechte warmtegeleiding in het brandstofmateriaal, hoge piektemperaturen en onvolledige benutting van de splijtstof door het zogeheten self-shielding-effect. De buitenkant van een pellet wordt sterker bestraald dan de kern, waardoor een deel van het uranium ongebruikt blijft.
ULIMES pakt dit fundamenteel anders aan. In plaats van gesinterde pellets bestaat de brandstof uit microscopische UO₂-deeltjes die in een vloeibare metaalmatrix circuleren door de reactorkern. Doordat de brandstof stroomt tussen zones met hoge en lage neutronflux ontstaat een veel gelijkmatigere burn-up.
In theorie betekent dat meer energie uit dezelfde hoeveelheid uranium, minder lokale hotspots en een langere brandstofcyclus. Het concept heeft raakvlakken met gesmoltenzoutreactoren, maar blijft compatibel met de watergekoelde LWR-architectuur.
Koeling als gamechanger
Een van de grootste voordelen zit in de thermische eigenschappen van het vloeibare metaal. De warmtegeleiding ligt ordes van grootte hoger dan die van keramisch UO₂. Daardoor kan warmte sneller worden afgevoerd en dalen de piektemperaturen in de brandstof.
Voor reactorontwerpers is dat cruciaal. Lagere temperaturen betekenen:
- grotere veiligheidsmarges
- minder materiaaldegradatie
- potentieel hogere vermogensdichtheid
Bovendien hoopt ORNL dat de vorming van splijtingsgassen minder problematisch wordt, omdat deze niet opgesloten zitten in een vaste pelletstructuur.
Minder problemen en lagere kosten
Een hardnekkig probleem in conventionele brandstof is stralingsschade aan vaste structuren, veroorzaakt door zogeheten collision cascades. In een vloeibare matrix speelt dat nauwelijks: de vloeistof ‘herstelt’ zichzelf continu.
Ook claimt ORNL dat ULIMES chemisch compatibel is met bestaande materialen in LWR’s. Dat is strategisch belangrijk. Nieuwe brandstoffen lopen vaak vast op decennialange kwalificatieprogramma’s voor bekledingsmaterialen en componenten. Als ULIMES daadwerkelijk in bestaande reactorvaten en leidingsystemen kan worden toegepast, zou dat de doorlooptijd naar inzet drastisch verkorten.
Brug naar SMR’s
De technologie is niet alleen interessant voor de huidige reactorvloot. Door de hogere uraniumconcentratie ten opzichte van zuiver vloeibare brandstoffen kan ULIMES ook aantrekkelijk zijn voor kleine modulaire reactoren (SMR’s), waar compacte, efficiënte brandstofsystemen nodig zijn.
Daarnaast zou een beter warmtebeheer de levensduur van bestaande centrales kunnen verlengen – een belangrijk punt nu veel westerse landen hun kerncentrales langer openhouden om klimaatdoelen te halen.
Nog enkele technische hobbels
De stap van lab naar reactor is echter groot. De samenwerking met Out The Back Ventures richt zich onder meer op:
- het bepalen van de optimale dichtheid en viscositeit van de suspensie
- het voorkomen van sedimentatie van UO₂-deeltjes
- de keuze tussen natuurlijke circulatie en mechanische menging
Dat zijn geen triviale vraagstukken. Een stabiele, homogeen verdeelde brandstofstroom is essentieel voor een voorspelbare neutronenflux en veilige bedrijfsvoering. Daarnaast zullen regelgevers moeten bepalen hoe een ‘stromende’ brandstof past binnen bestaande veiligheidskaders voor LWR’s.
Interessant alternatief
Wereldwijd groeit de belangstelling voor geavanceerde brandstoffen zoals TRISO, HALEU-varianten en accident tolerant fuels. ULIMES positioneert zich daar tussenin: het biedt een prestatieverbetering zonder een volledig nieuw reactortype te vereisen.
Als het concept werkt zoals beoogd, kan het de efficiëntie van bestaande centrales verhogen, de kosten per MWh verlagen en de stap naar nieuwe reactorconcepten verkleinen.
Daarmee zou ULIMES een zeldzame ‘incrementele disruptie’ kunnen worden: geen revolutionair nieuw reactorontwerp, maar een brandstofinnovatie met systeemimpact.
Fundamenteel andere kijk op kernbrandstof
Met ULIMES zet ORNL in op een fundamenteel andere kijk op kernbrandstof binnen de vertrouwde LWR-omgeving. De combinatie van betere koeling, gelijkmatigere burn-up en compatibiliteit met bestaande infrastructuur maakt het concept technisch en economisch aantrekkelijk – al moeten de stromings- en materiaalvraagstukken nog worden opgelost.
Lukt dat, dan kan een ogenschijnlijk kleine verandering – van vaste pellet naar vloeibare suspensie – grote gevolgen hebben voor de prestaties en levensduur van de huidige kernreactorvloot én voor de ontwikkeling van toekomstige SMR’s.
