De vergeten geschiedenis van kleine kernreactoren

Door M. V. Ramana | 27 april 2015

![De Enrico Fermi-kerncentrale, Unit 1, in Newport, Mich. was een vroege kleine kernreactor die werd gebouwd met financiering van de Amerikaanse Atomic Energy Commission. De reactor bereikte kriticiteit in 1963 en was operationeel tot 1972, ondanks een gedeeltelijke meltdown in 1966. Foto: Everett Collection/Alamy]

Een verleidelijk voorstel is opnieuw populair geworden in de kernindustrie: dat kleine kernreactoren economische en andere voordelen hebben ten opzichte van de standaardreactoren die tegenwoordig worden gebouwd. Het idee is dat kleine reactoren, door het aanzienlijke financiële risico van een project op volledige schaal te verminderen, de beste optie zijn om de veelbesproken heropleving van kernenergie op gang te brengen.

Hoewel zorgen over klimaatverandering ertoe hebben geleid dat energieplanners kernenergie als optie hebben behouden, blijft de technologie in Noord- en Zuid-Amerika en Europa stagneren of in verval raken. Twee nieuwe kernenergieprojecten die momenteel in de Verenigde Staten lopen, waren de eerste die in het land sinds het einde van de jaren zeventig een constructievergunning kregen. Wereldwijd produceerde kernenergie in 2013 ongeveer 11 procent van alle elektriciteit, een daling ten opzichte van het hoogtepunt van 17,6 procent in 1996, volgens gegevens uit de BP Statistical Review of World Energy 2014. In de Verenigde Staten is het aantal operationele kerncentrales gezakt tot onder de 100, na de recente sluiting van de Vermont Yankee-centrale.

Een fundamentele reden voor deze achteruitgang is inderdaad economisch. Vergeleken met andere vormen van elektriciteitsopwekking is kernenergie duur. Volgens een rapport uit 2014 van het adviesbureau Lazard kost het genereren van een megawattuur aan elektriciteit uit een nieuwe kernreactor (zonder rekening te houden met overheidssubsidies, inclusief die voor aansprakelijkheid bij ernstige ongevallen) tussen de 92 en 132 Amerikaanse dollar. Ter vergelijking: voor een gasgestookte gecombineerde centrale is dit 61 tot 87 dollar, voor windturbines 37 tot 81 dollar en voor zonne-energie op nutschaal 72 tot 86 dollar. De hoge kosten van kernenergie zijn een direct gevolg van de zeer hoge bouwkosten van een reactor — door Lazard geschat op 5,4 miljoen tot 8,3 miljoen dollar per megawatt. Deze kosten per megawatt vertalen zich in miljarden dollars. Zo is de nieuwste schatting voor een van de twee Amerikaanse projecten — een paar reactoren van 1.117 MW die nabij Jenkinsville, S.C. worden gebouwd — 11 miljard dollar.

Deze kosten werden erkend in een brochure uit 2012 voor een industrieconferentie gewijd aan zogenaamde kleine modulaire reactoren (SMR's). Met verwijzing naar de "enorme miljardenuitdagingen" van traditionele kerncentrales, verklaarde de brochure dat "Kleine Modulaire Reactoren de perfecte oplossing voor dit probleem zijn door miljarden aan financieel risico te beperken, incrementeel mee te groeien met de energievraag en kortere en eenvoudigere constructieschema's te bieden... De SMR-markt is mondiaal en extreem groot... Kortom, de energiesector schreeuwt om commerciële SMR-projecten over de hele wereld."

Als dat inderdaad zo is, zal de energiesector waarschijnlijk teleurgesteld worden. Kleine reactoren dateren namelijk uit de vroegste dagen van atoomenergie, en deze lange geschiedenis mag niet over het hoofd worden gezien nu leveranciers nieuwe generaties van de technologie promoten. Zoals de geschiedenis duidelijk maakt, zouden kleine kernreactoren noch zo goedkoop, noch zo eenvoudig te bouwen en te exploiteren zijn als hun moderne voorstanders beweren.

SMR's hebben een vermogen van 10 tot 300 MW. Ter vergelijking: de meest populaire reactortypes die momenteel wereldwijd in gebruik zijn, hebben een gemiddeld vermogen van 860 MW, en de reactoren die in aanbouw zijn gemiddeld 980 MW. Hoewel sommige van de tientallen nieuwe kleine reactorontwerpen nieuwe benaderingen hanteren, zijn velen van hen — vooral diegenen die waarschijnlijk als eerste een constructievergunning krijgen — slechts variaties op de bekende lichtwaterreactor. De kosten van SMR's kunnen laag worden gehouden, zo stellen voorstanders, mede door het gebruik van in fabrieken geprefabriceerde modules, die ter plaatse van de centrale slechts beperkte assemblage vereisen.

![De PM-3A kerncentrale van de Amerikaanse marine in McMurdo Station was de eerste en enige kernreactor op Antarctica. Deze werd in 1972 gesloten nadat er scheuren en lekken waren ontstaan in de containment-container en de koelmiddelleidingen. Uiteindelijk werden de besmette componenten en 14.400 ton grond naar Californië verscheept voor verwerking. Foto's: Boven: U.S. Navy/National Science Foundation (2); Onder: U.S. Navy Seabee Museum]

Vroege militaire experimenten

Het basisidee dateert eigenlijk uit de jaren 40, toen de Amerikaanse luchtmacht, het leger en de marine elk onderzoek en ontwikkeling startten naar verschillende soorten kleine reactoren. Van 1946 tot 1961 gaf de luchtmacht meer dan 1 miljard dollar uit om een reactor te bouwen voor langeafstandsbommenwerpers — zonder resultaat. Bij het stopzetten van het programma schreef president John F. Kennedy: "De mogelijkheid om in de voorzienbare toekomst een militair bruikbaar vliegtuig te realiseren, is nog steeds zeer gering."

De marine had meer succes met de ontwikkeling van kernenergie voor haar vliegdekschepen en onderzeeërs. Maar deze hebben heel andere vereisten dan de huidige SMR-voorstellen. Een reactor in een onderzeeër is ontworpen om onder zware omstandigheden te werken — om bijvoorbeeld een enorme piek in vermogen te leveren wanneer het vaartuig versnelt. En in tegenstelling tot civiele centrales hoeven marine-kernreactoren economisch niet te concurreren met andere energiebronnen. Hun overweldigende voordeel is dat ze een onderzeeër in staat stellen om lange tijd op zee te blijven zonder te hoeven tanken.

Van de vroege kleine reactoren van het Amerikaanse leger waren die van het Army Nuclear Power Program het meest vergelijkbaar met wat tegenwoordig wordt besproken. Dit leidde tot de bouw van acht kleine reactoren. Verschillene hiervan bevonden zich op geïsoleerde plekken die nu worden voorgesteld als potentieel aantrekkelijke locaties voor SMR's: Antarctica, Groenland en afgelegen legerbases. Een documentaire van het leger uit 1969 benadrukte de vermeende voordelen van het programma.

De ervaring op deze locaties was echter niet bemoedigend. De PM-3A in McMurdo Station op Antarctica vertoonde bijvoorbeeld "meerdere defecten, waaronder lekken in het primaire systeem [en] scheuren in de containment-container die moesten worden gelast", aldus de officiële geschiedenis van het programma door Lawrence H. Suid. De lekken uit de centrale (die in eigendom was van en werd beheerd door de Amerikaanse marine) resulteerden in aanzienlijke besmetting, waardoor 14.400 ton grond werd verwijderd en naar Port Hueneme, een marinebasis ten noorden van Los Angeles, werd verscheept voor verwerking.

In tegenstelling tot de reactoren in onderzeeërs konden de reactoren van het leger worden vervangen door conventionele dieselgeneratoren, en in 1976 stopte het leger met het programma. Zoals Suid schrijft, concludeerde het leger "dat de ontwikkeling van complexe, compacte kerncentrales van geavanceerd ontwerp duur en tijdrovend was... dat de kosten voor de ontwikkeling en productie van dergelijke centrales in feite zo hoog zijn dat ze alleen gerechtvaardigd kunnen worden als de reactor een unieke capaciteit heeft en een duidelijk gedefinieerd doel dient dat wordt ondersteund door het Ministerie van Defensie... [en dat] het leger en het Pentagon bereid moesten zijn om financiële steun te verlenen die in verhouding staat tot de inspanningen van de AEC [U.S. Atomic Energy Commission] aan de nucleaire zijde."

Civiele prototypes en de AEC

De AEC (de voorloper van het Amerikaanse Ministerie van Energie en de Nuclear Regulatory Commission) was zeer geïnteresseerd in kleine reactoren. Vanaf de jaren 50 werden in de Verenigde Staten verschillende civiele kleine reactoren voorgesteld, en uiteindelijk werden er 17 reactoren met een vermogen van minder dan 300 MW in gebruik genomen. Geen van hen is vandaag de dag nog operationeel.

Veel van deze projecten werden ondersteund door de AEC, die kernenergie promootte bij Amerikaanse nutsbedrijven. De eerste financieringsronde, aangekondigd in januari 1955, ging naar kleine units die konden dienen als "prototype-reactoren die zouden bijdragen aan de ontwikkeling van grote reactoren", schreef Wendy Allen in haar rapport uit 1977, Nuclear Reactors for Generating Electricity: U.S. Development From 1946 to 1963.

Van de vier ingediende voorstellen financierde de AEC er drie: de Yankee (niet te verwarren met de latere en veel grotere Vermont Yankee), Dresden-I en Fermi-I. Van deze is Fermi de bekendste, omdat deze in 1966 een meltdown onderging, wat kleurrijk werd beschreven in het boek We Almost Lost Detroit (1975) van John G. Fuller en het lied met dezelfde titel van Gil Scott-Heron. De andere twee reactoren waren relatief succesvol in het behalen van hun doelen. De 185-MW Yankee, ook bekend als Yankee Rowe, was 31 jaar operationeel; de ontmanteling ervan duurde echter 16 jaar en kostte 608 miljoen dollar.

Zoals vermeld zag de AEC deze reactoren als prototypes voor grotere projecten. Men gaf de voorkeur aan grote reactoren vanwege een simpele reden: schaalvoordelen. Veel van de kosten die verbonden zijn aan de bouw en exploitatie van een reactor veranderen niet lineair in verhouding tot het opgewekte vermogen. Zo heeft een reactor van 400 MW minder dan twee keer zoveel beton en staal nodig als een reactor van 200 MW, en kan hij worden bediend door minder dan twee keer zoveel mensen. In een artikel in Science uit 1961 uitte een senior lid van de AEC zijn zorgen over de "formidabele concurrentie [van fossiele brandstoffen]" en suggereerde dat "met de huidige technologie voor drukwaterreactoren de laagste kosten voor kernenergie het gemakkelijkst kunnen worden bereikt met grote centrales."

Het geloof in schaalvoordelen was zo sterk binnen de elektriciteitssector dat sommige nutsbedrijven begin jaren zestig samenwerkten om de output van één grote kerncentrale te kunnen absorberen.

De hoop op massaproductie en rurale projecten

Tegenover deze heersende wijsheid stelden voorstanders van kleine reactoren hun hoop op een ander commercieel principe: "schaalvoordelen door massaproductie". Samuel B. Morris, algemeen directeur en hoofdingenieur van het Department of Water and Power in Los Angeles, reisde in 1955 naar Genève voor de eerste internationale conferentie over het vreedzaam gebruik van atoomenergie. Daar pleitte hij voor kleine reactoren; hij voerde aan dat omdat het "aantal kleine units... vele malen groter is dan het aantal grote units", er "voordelen kunnen zijn in de ontwikkeling en repetitieve productie" van de kleine units.

Ondertussen voerden vertegenwoordigers van kleinere elektriciteitsbedrijven, waaronder die in landelijke gebieden, aan dat de focus van de AEC op grote reactoren hen effectief uitsloot.

![Elektriciteit van de kortstondige 22-megawatt Elk River Power Reactor in Minnesota kostte twee keer zoveel als die van een kolencentrale. De reactor was slechts drie en een half jaar in bedrijf en werd in februari 1968 definitief gesloten nadat er scheuren in de koelsysteemleidingen waren verschenen. Foto's: Nuclear Regulatory Commission (2)]

Confrontereerd met deze argumenten en met de wens om kernenergie uit te breiden naar regio's die geen grote reactoren konden ondersteunen, kondigde de AEC in september 1955 een tweede financieringsronde aan. Deze keer waren kleine reactoren het doel, niet het middel. De commissie ontving zeven voorstellen, waarvan er twee werden gefinancierd: een reactor van 22 MW in Elk River, Minnesota, en een reactor van 12 MW nabij de stad Piqua, Ohio. Later werden er nog twee reactoren aan het programma toegevoegd: de Boiling Nuclear Superheater (Bonus) reactor in Punta Higuera, Puerto Rico, en de La Crosse kokendwaterreactor in Genoa, Wisconsin.

Elk River werd door de exploitant gepresenteerd als "de eerste atoomcentrale van het landelijke Amerika". Net als de SMR's die nu worden voorzien, was deze gemaakt van geprefabriceerde componenten en was de reactorvat compact genoeg om op een standaard spoorwegwagon naar de locatie te worden vervoerd.

Het ontwerp van de reactor was een variant van de kokendwaterreactor, het op dit moment tweede meest voorkomende reactortype. Maar de brandstof was ongebruikelijk: een mengsel van sterk verrijkt uranium (met meer van het kettingreactie-isotoop uranium-235 dan gebruikelijk) en thorium. Veel experts beschouwden thorium als de hoop voor kernenergie op de lange termijn, mede omdat ze vreesden dat uranium op zou raken; tot op de dag van vandaag geloven sommigen nog steeds dat thorium het antwoord is op alle problemen van kernenergie.

De bouw van Elk River begon in januari 1959 en de reactor bereikte kriticiteit in november 1962. Maar hij werd pas in juli 1964 commercieel operationeel, drie en een half jaar later dan gepland. De lange vertraging was het gevolg van diverse technische problemen, waaronder scheuren in enkele componenten. Volgens hoorzittingen in het Congres in 1967 verdubbelden de constructiekosten van Elk River, van 6,2 miljoen naar 16 miljoen dollar. Om eerlijk te zijn kostten andere reactoren uit die tijd vaak drie keer zoveel als de oorspronkelijke schattingen; in vergelijking daarmee leek Elk River redelijk.

Voor een reactor die meer dan vijf jaar nodig had om voltooid te worden, had Elk River een opvallend korte operationele levensduur: slechts drie en een half jaar. De reactor werd in februari 1968 definitief gesloten nadat er scheuren in de koelsysteemleidingen waren verschenen. Geconfronteerd met geschatte reparatiekosten van 1 miljoen dollar, koos de coöperatie ervoor de reactor niet te repareren. Een woordvoerder van de coöperatie vertelde de Chicago Tribune dat de groep "niet het gevoel had dat we het geld wilden uitgeven, vooral omdat de reactor niet erg economisch was omdat hij te klein is", en voegde eraan toe dat de reactor stroom produceerde tegen twee keer de kosten van kolengestookte centrales.

Zoals kernfysicus Walt Patterson in zijn boek Nuclear Power (1976) opmerkte, werd Elk River de eerste demonstratie-energieractor die werd ontmanteld. Omdat het reactorvat zeer radioactief was, vereiste de ontmanteling de ontwikkeling van nieuwe onderwatersnijbranders die op afstand werden bediend om de dikke stalen structuur door te snijden. Dit proces duurde drie jaar en kostte 6,15 miljoen dollar — bijna precies hetzelfde bedrag als de oorspronkelijke schatting voor de bouw.

Ook de omgang met de bestraalde uranium-thoriumbrandstof bleek moeilijk. Uiteindelijk werd de gebruikte brandstof verscheept naar een verwerkingsinstallatie in Zuid-Italië.

In 1968, hetzelfde jaar dat Elk River sloot, werd de laatste van de kleine reactoren van de AEC aangesloten op het net: de La Crosse kokendwaterreactor van 50 MW. Die centrale was 18 jaar operationeel; aan het einde kostte de elektriciteit drie keer zoveel als die van de kolencentrale ernaast, volgens een nieuwsbericht uit 2012 over de verwijdering van de gebruikte brandstof van de centrale. In het artikel werd een voormalige plantmanager geciteerd die zei dat de La Crosse-centrale "een geweldig ontwerp had. Het enige probleem was dat hij te klein was."

Sinds die tijd is er in de Verenigde Staten geen enkele kleine reactor meer in gebruik genomen. Sterker nog, de omvang van reactoren in de Verenigde Staten nam enorm toe en bereikte tegen het midden van de jaren zeventig een niveau van 800 tot 1.300 MW.

![De 330-megawatt Fort St. Vrain Nuclear Generating Station in Platteville, Colo. had een ontwerp voor een hogetemperatuur-gasgekoelde reactor die als "ultrasafe" werd beschouwd. De centrale draaide echter zelden op volle capaciteit en werd in 1989 gesloten. Foto: Nuclear Regulatory Commission]

De enige uitzondering op deze trend was een experimentele hogetemperatuur-gasgekoelde reactor van 330 MW, de Fort St. Vrain-centrale in Platteville, Colorado. Deze ging in 1976 online met een ontwerp dat werd gepresenteerd als ultrasafe. Maar de reactor was een mislukking. Een artikel in de New York Times over de beslissing om de centrale in 1988 te sluiten vatte het probleem samen: "Veiligste Reactor Sluit Omdat Hij Zelden Draait." Gegevens van het Internationaal Atoomenergieagentschap toonden aan dat de centrale slechts ongeveer 15 procent van de elektriciteit produceerde die hij zou hebben geproduceerd als hij op volle capaciteit had gedraaid.

Kleine reactoren werden ook in veel andere landen gebouwd, maar ze dienden allemaal als tussenstap naar grotere reactoren. Het land met de meest recente ervaring met kleine reactoren is India, dat tot voor kort nog zware-waterreactoren van 220 MW bouwde. Deze vertoonden veel van de kenmerken van de SMR's die tegenwoordig door voorstanders worden voorzien: bescheiden omvang en een relatief gestandaardiseerd ontwerp dat werd gefabriceerd en beheerd door één nutsbedrijf en zijn partners. Desondanks besloot de Indiase atoomenergie-instantie deze op te schalen naar 700 MW of meer. De conclusie: schaalvoordelen waren niet uniek voor de Verenigde Staten.

Wat wel specifiek is voor de Verenigde Staten, en het grotere belang in kleine reactoren verklaart, is dat kerncentrales daar worden beheerd door private nutsbedrijven; in de meeste andere landen worden kernreactoren beheerd door door de overheid gecontroleerde organisaties. Private nutsbedrijven hebben striktere budgetten en kampen met hechtere kapitaalbeperkingen, vandaar de aantrekkingskracht van een potentieel goedkopere kernreactor. Voor zover andere landen geïnteresseerd waren in de ontwikkeling van kleine reactoren, was dat voornamelijk met het oog op de exportmarkt.

De herhaling van de geschiedenis

De droom van kleine kernreactoren stierf niet in de jaren zestig. In de jaren tachtig wankelde de kernindustrie door hoge kosten en budgetoverschrijdingen bij de bouw van reactoren, die in het voorgaande decennium waren begonnen. En dus keerden voorstanders van kernenergie terug naar het idee van het "klein gaan".

Een artikel uit 1983 in het tijdschrift Energy van analist Joe Egan bood zijn visie op kleine, geprefabriceerde reactoren. "Een vernieuwende, fabrieksgebaseerde benadering van het produceren van reactoren onder de 400-MWe grootte kan veel van de pragmatische beperkingen van de kernenergiebusiness verlichten," schreef hij, waarbij hij suggereerde dat "prefabricage en standaardisatie van belangrijke plantcomponenten de kapitaalkosten per kilowatt kunnen verlagen tot niveaus die nu worden geclaimd door 1.000-MW modellen." Dergelijke fabriekassemblage zou de kosten verder kunnen verlagen door minder regelgeving, kortere bouwtijden en het vermijden van kwaliteitsproblemen met componenten.

"De reactoren zouden, eenmaal geassembleerd op pontons (of in één geval zelfs op spoorwegwagons), over oceanen worden gevaren, rivieren opvaren, of door het land worden vervoerd naar de operationele locaties," voegde Egan toe. "Daar zouden kopers de centrales verankeren en simpelweg de 'sleutel omdraaien' voor 200–400 MWe aan onmiddellijke stroom."

Deze visie is nooit werkelijkheid geworden. Er zijn geen "turnkey"-reactoren door het land vervoerd of rivieren op gevaren. Ook nu werden ze als te duur beschouwd.

Helaas blijft de kernindustrie een selectief geheugen houden en ideeën pushen die niet hebben gewerkt. Opnieuw zien we de geschiedenis zich herhalen in de huidige claims voor kleine reactoren — dat de vraag groot zal zijn, dat ze goedkoop zullen zijn en snel te bouwen.

Maar niets in de geschiedenis van kleine kernreactoren suggereert dat ze economischer zouden zijn dan reactoren op volle schaal. Sterker nog, het bewijs is vrij duidelijk: zonder uitzondering kostten kleine reactoren te veel voor de weinige elektriciteit die ze produceerden, het resultaat van zowel hun lage output als hun slechte prestaties. Uiteindelijk, zoals een analist van General Electric in 1966 verklaarde: "Kernenergie is een business van grote centrales: het is het meest concurrerend bij grote plantmaten." En als grote kernreactoren niet concurrerend zijn, is het onwaarschijnlijk dat kleine reactoren dat wel zullen zijn. Erger nog: pogingen om ze goedkoper te maken, zouden de andere problemen van kernenergie kunnen verergeren: de productie van langlevend radioactief afval, de koppeling met kernwapens en het incidentele catastrofale ongeluk.

***

Over de auteur

M.V. Ramana is onderzoeker bij het Nuclear Futures Laboratory en het Program on Science and Global Security aan de Princeton University. In dit artikel schrijft hij over de kleine kernreactoren uit het verleden, van welke velen leden onder slechte economische omstandigheden en technische problemen. "Er was veel hoop verbonden aan die reactoren," zegt Ramana. "Gezien de claims die nu worden gemaakt over huidige ontwerpen van kleine reactoren, is de geschiedenis van de eerdere ontwerpen het waard om opnieuw te bekijken."

Voor verdere verdieping

• The World Nuclear Industry Status Report 2014, door Mycle Schneider en Antony Froggatt. Dit rapport bevat overzichten van kernenergieprogramma's per land en regio, economie van kernenergie, bouwtijden van reactoren en een vergelijking tussen hernieuwbare energie en kernenergie.
• Wetenschappelijke artikelen van M.V. Ramana et al.:
• "Resource Requirements and Proliferation Risks Associated with Small Modular Reactors" (Nuclear Technology 184, 2013).
• "Licensing Small Modular Reactors" (Energy 61, 2013).
• "One Size Doesn’t Fit All: Social Priorities and Technical Conflicts for Small Modular Reactors" (Energy Research & Social Science 2, 2014).
• Power Plant Cost Escalation: Nuclear and Coal Capital Costs, Regulation, and Economics, door Charles Komanoff (1981). Een gedetailleerde analyse van de escalerende kosten van kernreactoren en kolencentrales in de jaren 70 in de VS.
• In Mortal Hands: A Cautionary History of the Nuclear Age (2009), door journalist Stephanie Cooke. Een verslag van de ontwikkeling van kernenergie en kernwapens, inclusief de hoop rondom atoomenergie in de jaren 50 en 60.
• The Power of Promise: Examining Nuclear Energy in India (2012), door M.V. Ramana. Een geschiedenis van de adoptie van kernenergie in India, inclusief de ervaringen met 220-megawatt zware-waterreactoren.