Kleinere reactoren brengen kernenergie dichter bij het vervullen van haar belofte

De opkomst van kleine modulaire reactoren

Kerncentrales zijn in de Verenigde Staten niet bepaald als paddenstoelen uit de grond geschoten. De eerste commerciële kernreactor van de eenentwintigste eeuw werd pas in 2016 in gebruik genomen: Unit 2 van de Watts Bar Nuclear Plant in Tennessee, die twintig jaar na Unit 1 arriveerde.

Deze droogte, en een soortgelijke trend in Europa, lijkt nu voorbij te zijn. In 2023 en 2024 gingen er twee reactoren in gebruik nabij Baxley in Georgia, terwijl overheden en private partijen wereldwijd bereid zijn te investeren in ontwikkelaars van kerncentrales. Sommigen richten zich op conventionele lichtwaterreactoren, die gewoon water als koelmiddel gebruiken — het enige type dat momenteel commercieel wordt gebruikt in de Verenigde Staten. Er gaat echter veel inspanning en financiering naar de ontwikkeling van een nieuw type kleinere reactoren die vertrouwen op andere brandstoffen en koelmiddelen, en die de ontwikkeling van nieuwe structurele materialen vereisen.

Deze reactoren, bekend als kleine modulaire reactoren (SMR's), kunnen tot 300 megawatt elektrisch vermogen (MWe) produceren — genoeg om ongeveer 300.000 woningen van stroom te voorzien. Dit is aanzienlijk minder dan de 1.000 MWe die typisch worden geproduceerd door conventionele lichtwaterreactoren, maar SMR's zouden goedkoper en gemakkelijker te bouwen moeten zijn. Volgens Jacopo Buongiorno, een kernkundig ingenieur en directeur van het Center for Advanced Nuclear Energy Systems aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, zijn bestaande commerciële reactoren "zeer efficiënt, zeer goed voor het net, maar ook zeer duur om te bouwen".

Een deel van het voordeel van SMR's ligt in hun modulariteit. In plaats van een volledige centrale vanaf de grond op te bouwen, worden grote delen van het systeem in een fabriek geproduceerd en naar de locatie verscheept voor assemblage. Buongiorno vergelijkt dit met Lego: "Ik heb mijn geprefabriceerde blokken en ik verbind ze om mijn reactor te maken."

In maart 2025 kondigde het Amerikaanse ministerie van Energie (DoE) subsidies van 900 miljoen dollar aan om de uitrol van SMR's te ondersteunen. Een jaar later meldde de Europese Commissie dat zij tot 200 miljoen euro (228 miljoen dollar) zou investeren in de bouw van SMR's.

Critici betogen dat SMR's niet noodzakelijkerwijs economischer zijn dan grotere kerncentrales. Edward Lyman, natuurkundige en directeur van kernenergieveiligheid bij de Union of Concerned Scientists, stelt dat het lagere vermogen van SMR's betekent dat fabrieken tientallen modulaire reactoren zouden moeten produceren voordat ze kosteneffectiever worden dan conventionele reactoren. Hij betoogt bovendien dat sommige SMR-ontwerpen gevaarlijker zouden kunnen zijn dan bestaande reactoren vanwege de verschillende brandstoffen en koelmiddelen.

Ondanks deze zorgen maken de belofte van snellere en goedkopere bouw — en de groeiende vraag naar schone energie, met name vanuit datacenters voor systemen voor kunstmatige intelligentie — de ontwikkeling van modulaire reactoren commercieel aantrekkelijk. Kairos Power in Alameda, Californië, bouwt een testreactor genaamd Hermes 1 in Oak Ridge, Tennessee, en begon in april met de bouw van een demonstratiecentrale van 50 MWe, Hermes 2. Het bedrijf verwacht in 2030 commercieel operationeel te zijn en heeft een overeenkomst om stroom te verkopen aan Google.

Het verbeteren van de brandstof

Hermes 1 is de eerste niet-lichtwaterreactor die in meer dan 50 jaar is goedgekeurd door de Amerikaanse Nuclear Regulatory Commission (NRC). Lichtwaterreactoren worden gekoeld door water en meestal aangedreven door keramische uraniumdioxidetabletten, die zijn verpakt in zirconiumlegering-buizen (brandstofstaven). Hermes 1 wordt daarentegen gevoed door tristructural isotopic (TRISO) pellets — uraniumdeeltjes ter grootte van maanzaadjes, omhuld door een koolstof-keramische schil. De reactor wordt niet gekoeld door water, maar door een gesmolten zout: een mengsel van lithiumfluoride en berylliumfluoride, bekend als FLiBe.

Volgens Nicholas Brown, kernkundig ingenieur aan de University of Tennessee, Knoxville, is TRISO-brandstof het oudste en best begrepen voorbeeld van wat onderzoekers "ongevalsbestendige brandstoffen" (accident-tolerant fuels) noemen. Een kern van uraniumdioxide, met een diameter van 350–600 micrometer, wordt omringd door een schil van poreuze koolstof die splijtingsproducten opvangt die uit de kern ontsnappen. Daaromheen bevindt zich een dichtere laag koolstof, die op zijn beurt is omgeven door een laag siliciumcarbide die fungeert als een miniatuur containment-vat.

Duizenden van deze deeltjes zijn verpakt in elke grafietpellet ter grootte van een golfbal. Wanneer de pellets in de reactor worden samengebracht, vindt er splijting plaats en wordt de resulterende warmte overgedragen aan het koelmiddel. Gebruikte pellets stromen gewoonlijk uit de reactor zoals de inhoud van een kauwgomballenmachine, terwijl er van bovenaf nieuwe worden toegevoegd. Dit maakt het mogelijk om de reactor bij te vullen zonder deze te hoeven stopzetten.

Een ander voordeel komt voort uit het FLiBe-koelmiddel. Water kookt bij 100 °C, waardoor er bij de temperaturen van 250–325 °C van lichtwaterreactoren een druk van ongeveer 150 atmosferen nodig is om het vloeibaar te houden. Het gesmolten-zoutkoelmiddel van Hermes 1 kookt daarentegen pas bij ongeveer 1.430 °C — veel hoger dan de bedrijfstemperatuur van 650 °C. Dit betekent dat de reactor bij normale atmosferische druk kan werken, waardoor dure containment-vaten overbodig zijn. Bij een lek is er bovendien geen druk die het koelmiddel en de radio-isotopen in de lucht kan spuiten. Daarnaast kunnen reactoren die gesmolten zout als koelmiddel gebruiken op hogere temperaturen werken, wat leidt tot een efficiëntere energieproductie.

"Walk-away safe"?

De brandstof smelt niet bij temperaturen die de reactoren kunnen bereiken. In één test overleefde TRISO meer dan 12 dagen bij 1.800 °C — veel heter dan wat zelfs een worst-case scenario bij een ongeluk zou kunnen produceren. Dit maakt de brandstof wat de kernindustrie "walk-away safe" noemt. "Je kunt de sleutels weggooien, weglopen en je geen zorgen maken over een escalatie naar een ernstig ongeluk zoals in Fukushima of Tsjernobyl," zegt Brown.

Het probleem met TRISO is dat het high-assay low-enriched uranium (HALEU) vereist, waarbij het brandstofmateriaal is verrijkt tot ongeveer 15–20% uranium-235. In januari kende het DoE een totaal van 2,7 miljard dollar toe aan drie bedrijven om binnenlandse verrijkingscapaciteit voor HALEU te creëren. Totdat die capaciteit is opgebouwd, stelt Brown dat de productie van TRISO traag en duur zal blijven.

Wetenschappers werken aan andere brandstoffen, zowel voor conventionele reactoren als voor SMR's. De groep van Brown onderzoekt een 3D-geprinte insert van molybdeen die in het midden van een uraniumdioxidetablet kan worden geplaatst. Omdat molybdeen warmte goed geleidt, zou de insert de warmtestroom uit de brandstofpellet met een factor tien kunnen verbeteren, waardoor de kans op smelten en ongelukken afneemt.

Een andere brandstof en een ander koelmiddel vormen de basis van de Natrium-reactor die TerraPower bouwt in Kemmerer, Wyoming. Met een vermogen van 345 MWe zit de Natrium-reactor net boven de grens van wat gewoonlijk als een SMR wordt beschouwd, zegt Eric Williams, mechanical engineer en chief operating officer bij het bedrijf in Bellevue, Washington. De brandstof is een legering van uranium en zirconium. Als koelmiddel wordt vloeibaar elementair natrium gebruikt, dat een kookpunt heeft van bijna 900 °C — ruim boven de 500 °C waarop de reactor werkt. Splijting verhit het vloeibare natrium, dat op zijn beurt gesmolten natriumchloride verhit. Dit gesmolten zout slaat de warmte op wanneer de vraag naar elektriciteit laag is, en kookt water om turbines aan te drijven wanneer de vraag stijgt.

Omdat de brandstof, de omhulling, het vloeibare natrium en het vat zelf allemaal van metaal zijn, is het systeem uitmuntend in het geleiden van warmte, zegt Williams. Zelfs wanneer een reactor wordt uitgeschakeld, blijven de door splijting geproduceerde radionucliden vervallen, wat extra warmte genereert die aanvankelijk gelijk is aan ongeveer 7% van het vermogen bij vollast. Het volledig metalen ontwerp vereenvoudigt de afvoer van deze vervalwarmte. "We kunnen het vat aan de buitenkant koelen door simpelweg natuurlijke luchtcirculatie toe te staan," zegt Williams. Vloeibaar natrium kan wel branden bij contact met lucht of water, maar het bedrijf stelt dat er extra barrières en sensoren zijn geplaatst om dit te voorkomen.

Toen de kerncentrale Fukushima Daiichi in Japan in 2011 faalde na een tsunami, probeerden operators zeewater in te pompen om de reactoren te koelen. De aardbeving had echter het elektriciteitsnet en het grootste deel van de noodstroom beschadigd, waardoor koeling onmogelijk werd en radioactief materiaal in het milieu terechtkwam. Omdat de TerraPower-reactor luchtgekoeld is, kan de koeling onbeperkt doorgaan zonder dat er iets gepompt hoeft te worden.

Er is nog een ingebouwde veiligheidsfunctie bij het gebruik van vloeibaar natrium, zegt Williams. Onder de gevaarlijkste radioactieve bijproducten van splijting behoren cesium-137 en jodium-131. Beide zijn zeer radioactief en zouden bij een lek in het water- en voedselaanbod terecht kunnen komen. Natrium bindt echter met beide elementen; een natriumgebaseerd koelmiddel houdt ze dus in de tank. "Zelfs als de brandstof volledig zou falen en al het geproduceerde cesium en jodium in het natrium terechtkomt, blijft het in het natrium," zegt Williams.

Conventionele lichtwaterreactoren zijn niet noodzakelijkerwijs gevaarlijker dan een SMR zoals die van TerraPower, zegt Raluca Scarlat, kernkundig ingenieur aan de University of California, Berkeley. Kerncentrales kunnen allerlei veiligheidsvoorzieningen hebben: actieve veiligheid, zoals elektrisch aangedreven pompen, en passieve back-ups die vertrouwen op zwaartekracht om water uit een daktank te laten vallen of brandstof uit de reactoren af te voeren. Sommige SMR-ontwerpen hebben echter meer inherente veiligheidskenmerken die vertrouwen op fysica in plaats van techniek, zoals het kunnen werken bij atmosferische druk, en bieden meer mogelijkheden voor het ontwerpen van passieve veiligheidssystemen.

De verschillende veiligheidskenmerken van sommige SMR's betekenen dat ze mogelijk kleinere noodbufferzones om zich heen nodig hebben. Dit komt enerzijds omdat kleinere centrales noodzakelijkerwijs minder radioactief materiaal produceren, en anderzijds omdat hun ontwerp ervoor zorgt dat radioactief materiaal minder snel kan ontsnappen. In de Verenigde Staten hebben lichtwaterreactoren lange tijd een noodplanningszone van 16 kilometer gehad (voor directe evacuatie) en een ingestieplanningszone van 80 kilometer (voor bodem- en grondwaterverontreiniging). In 2023 vaardigde de NRC een regel uit die stelt dat planningszones voor SMR's per geval kunnen worden vastgesteld, afhankelijk van de technologie. Kleinere zones zouden ervoor kunnen zorgen dat kerncentrales dichter bij de plek waar de stroom nodig is, kunnen worden geplaatst, zegt Williams.

De kracht van zout (Salt power)

Gesmolten zout kan meer zijn dan alleen een koelmiddel of opslagmedium voor energie. Door een radioactief element, zoals uranium of thorium, te mengen met het zout, ontstaat een vloeistof die tegelijkertijd als brandstof en koelmiddel fungeert. De term "gesmolten-zoutreactor" verwijst vaak naar ontwerpen die gebruikmaken van zo'n vloeibare brandstofmix. Hoewel TerraPower zich richt op de commercialisering van hun Natrium-technologie (geen gesmolten-zoutreactor), heeft het bedrijf ook gewerkt aan het Molten Chloride Reactor Experiment bij het Idaho National Laboratory, dat draait op een mengsel van gesmolten natrium en uraniumchloride.

Zowel chloride- als fluoridezouten zijn veelbelovend voor brandstofmengsels, zegt radiochemicus Patricia Paviet, die het onderzoek van het DoE naar gesmolten-zoutreactoren leidt. "We houden ervan omdat het een hogere temperatuur en meer efficiëntie oplevert," zegt Paviet. "We houden ervan omdat het bij lage druk werkt, waardoor scenario's met drukexplosies niet zullen voorkomen."

Net als bij de Hermes 1 pebble-bedreactor van Kairos Power kan een reactor op gesmolten zout worden bijgevuld zonder te worden uitgeschakeld — verbruikte brandstof kan worden afgevoerd en nieuwe brandstof kan worden gepompt terwijl de reactor operationeel is. Een ander voordeel ten opzichte van lichtwaterreactoren is dat actiniden — radioactieve elementen die tijdens een kernreactie ontstaan — als brandstof voor volgende reacties kunnen dienen. In gesmolten-chloride-reactoren wordt de kernsplijtingskettingreactie in stand gehouden door neutronen met een hogere energie. In lichtwaterreactoren werkt het water als een moderator die de neutronen vertraagt. Hierdoor kunnen gesmolten-chloride-reactoren de actiniden als extra brandstof verbranden, wat lichtwaterreactoren niet kunnen.

Gesmolten-zoutreactoren bieden volgens Paviet ook een kans om afval te minimaliseren. Verbruikte brandstof uit een lichtwaterreactor bevat ongeveer 95% uranium en 1% plutonium. Frankrijk en Rusland hebben uitgebreide recyclingprogramma's, maar de Verenigde Staten recyclen geen kernafval, mede omdat storten goedkoper is. Het verwerken van vloeibare brandstof is echter eenvoudiger dan het produceren of demonteren van vaste brandstof, aldus Paviet.

Het gebruik van zouten in machines die bij extreem hoge temperaturen werken, brengt echter het risico op corrosie met zich mee. Scarlat betoogt dat oxidatie geen probleem zou moeten zijn als de systemen zo zijn ontworpen dat water en zuurstof buiten blijven. Maar zelfs als dat lukt, zijn er andere mechanismen die structurele materialen kunnen verzwakken. Gesmolten zouten hebben bijvoorbeeld de neiging om chroom op te lossen, het element dat aan staal wordt toegevoegd om het roestvast te maken. Dit betekent dat reactoronderdelen niet meer dan ongeveer 7% chroom mogen bevatten, zegt Steven Zinkle, kernkundig ingenieur en materiaalkundige aan de University of Tennessee, Knoxville.

Structurele materialen in deze nieuwe hogetemperatuurreactoren moeten bovendien bestand zijn tegen de effecten van straling, die defecten kan veroorzaken door atomen uit hun positie te stoten. De hoge temperaturen maken het voor deze defecten gemakkelijk om te migreren en clusters te vormen, waardoor het materiaal brosser wordt. Zinkle zegt dat van de duizenden bekende legeringen er slechts zes zijn gekwalificeerd voor gebruik in hogetemperatuurreactoren door de American Society of Mechanical Engineers. Geen van deze legeringen is echter gekwalificeerd voor de reactoren met de allerhoogste temperatuur die ontwerpers zouden willen gebruiken.

Zinkle leidt een door het DoE gefinancierd project om meer legeringen voor gebruik in reactoren te ontwikkelen. Eén daarvan is een magnetisch staal en de andere is een vanadium-gebaseerde legering. Beiden zijn "precipitate strengthened", een proces waarbij herhaalde cycli van verhitting en koeling kleine stukjes materiaal binnen de grotere structuur vormen die defecten blokkeren en stralingsbestendigheid bieden. Andere materiaalkundigen proberen de grenzen van korrels in de kristallijne structuur van een materiaal zo aan te passen dat ze als een val voor defecten fungeren.

De ontwikkeling van nieuwe materialen, brandstoffen en reactorontwerpen is een traag proces dat geduld vereist, zegt Brown. Maar hij gelooft dat de resultaten de inspanning waard zullen zijn. Kernenergie is "echt belangrijk voor de toekomst van het land en ook voor de toekomst van de wereld. Het is zeer veilig. Het is werkelijk de volgende generatie energierbron die ons in staat zal stellen om voorbij fossiele brandstoffen te gaan."