Vaak hoor je in de discussie over de problemen met het broeikas effect of de aankomende energie crisis, kernenergie naar voren komen als oplossing. Met kernenergie zouden we geen CO₂ uitstoot meer hebben en tevens kunnen we hiermee al onze energie problemen oplossen.

Echter diepgaand onderzoek heeft inmiddels aangetoond dat dit helemaal niet het geval is. Een gemiddelde kerncentrale begint pas na 10 jaar energie te leveren, levert netto weinig energie op en produceert jaarlijks meer dan 1 miljoen ton CO₂….

Update: 13-3-2011
Extra informatie over veiligheid van kerncentrales

Wat is kernenergie

Als men het in de volksmond heeft over kernenergie, dan wordt hier vaak kernsplijting mee bedoeld. In dit proces worden zware kernen, meestal uranium isotopen gesplitst in nieuwe atoomkernen die samen iets lichter zijn dan de som van de uitgangsmaterialen. De ontbrekende massa is omgezet in energie volgens de beroemde formule van Einstein:

E = mc²

Omdat de term c² zo groot is, ongeveer 300.000.000 meter per seconde, komt er bij kernreacties zeer veel energie vrij, ook als maar een klein gedeelte (een paar procent) van de massa wordt omgezet. Ook andere kernen, zoals die van plutonium en thorium zijn splijtbaar. Plutonium ontstaat vanzelf uit uranium tijdens de kernreacties in de reactorkern en wordt ook gedeeltelijk gespleten, waarbij natuurlijk ook energie vrijkomt. Gebruikte splijtstof kan voor circa 95% hergebruikt worden, men spreekt van recycling. De overige procenten, en de materialen die als verpakking hebben gediend van de splijtingsmaterialen en die ook in meerdere of mindere mate radio-actief zijn geworden, vormen samen het zogenoemde kernafval. [1]

De nucleaire brandstof cyclus

Om meer inzicht te krijgen in het hele kernenergie opwekking proces is het belangrijk om te kijken naar de gehele nucleaire brandstof cyclus. Deze cyclus bestaat uit de volgende onderdelen:

• Uranium winning
• Conversie
• Verrijking
• Het maken van de brandstofstaven
• Energie opwekking in de kerncentrale
• Tijdelijke opslag brandstofstaven
• Afkoelen nucleaire onderdelen
• Ontmantelen nucleaire onderdelen
• Verwerken nucleair afval
• Opslag nucleair afval

Alleen in de stap: “Energie opwekking in de kerncentrale” wordt daadwerkelijk energie opgewekt, de andere stappen kosten alleen maar energie. Om inzicht te krijgen hoeveel energie er nu netto opgewekt wordt in een kerncentrale is het belangrijk om naar de volledige nucleaire brandstof cyclus te kijken. Hieronder staat het schema van de volledige nucleaire brandstof cyclus.

De nucleaire brandstof cyclus bij kernenergie opwekking. Bron: [5]

Uranium winning

“Yellowcake” (ammoniumdiuranaat) is een uraniumerts dat van nature op aarde voorkomt. Het bevat 70 tot 80 gewichtsprocent uraniumoxide (U₃O₈).

Uraniniet is een ander voorkomend uraniumerts. Om U-235 te winnen moeten grote hoeveelheden erts gedolven worden. Bij erts met een uranium percentage van 0,05% (zoals bij de Olympic Dam mijn in Australie) zit er in 2000 kilo erts slechts 1 kilo van dit uranium isotoop. [6]

Uranium mijn Rabbit Lake

In tegenstelling tot olievelden, waarvan er wereldwijd meer dan 4000 zijn, zijn er maar een paar uranium mijnen in de wereld. Op dit moment komt meer dan 73% van de uranium uit slechts 10 mijnen. Hierbij een overzicht van de 10 grootste uranium mijnen.

* Som van opgeslagen -en bewezen voorraad uranium erts.

** Percentage is het gewogen gemiddelde van opgeslagen -en bewezen voorraad uranium erts.

Bronnen: [7], [8]

Bij de mijn blijven in veel gevallen grote hoeveelheden radioactief afval en verzuurde modder achter. Als voorbeeld: de Olympic Dam mijn in Australië gebruikt nu dagelijks 60 miljoen liter water – het managen van de verzuurde modder en het radioactieve afval die hierbij ontstaan is groot milieu probleem. [9]

In de jaren 80 werd dit afval van sommige mijnen gewoon gedumpt in de natuur. Het is onduidelijk wat er nu precies gebeurt met dit afval.

In de jaren ’80 werden miljoen tonnen vast en vloeibaar (radioactief) afval afkomstig van de Beaverlogde uranium mijn gedumpt in Fookes Lake. Bron: [18]

Conversie naar UF₆

Voordat men de uranium kan verrijken moet deze eerst omgezet worden in gas. Uraniumhexafluoride (UF₆) is hiervoor de enige geschikte chemische samenstelling, omdat dit al op kamertemperatuur een vereiste hoge dampspanning heeft.

Uraniumhexafluoride wordt gemaakt door uranium te binden aan fluor, waarna deze verbinding bij kamertemperatuur gasvormig wordt gemaakt door de druk te verlagen.

Het chemische proces waarmee UF₆ wordt geproduceerd, wordt conversie genoemd. [17]

Verrijking

Verrijkt uranium is uranium waarin de isotoop U-235 meer vertegenwoordigd is dan in uranium zoals het van nature voorkomt. Het wordt toegepast bij kernenergie en in kernwapens.

Uranium zoals dat van nature voorkomt, bestaat hoofdzakelijk uit U-238, een kleine fractie U-235, en sporen van U-234. Hiervan is alleen U-235 splijtbaar. In natuurlijk uranium zit gemiddeld 0,7% van dit uranium-235. Voor het op gang houden van een kettingreactie is een hoger percentage U-235 noodzakelijk dan in natuurlijk uranium wordt gevonden. De meeste kernreactoren hebben uranium nodig waarin minstens drie procent uranium-235 aanwezig is. Het bereiken van een hoger percentage wordt ‘verrijken’ genoemd.

Voor verrijken worden momenteel twee methoden gebruikt. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het feit dat U-235 lichter is dan U-238. Het gehalte van U-235 kan worden verhoogd door gascentrifuge of door gasdiffusie.[10]

Een rij van centrifuges bij de Urenco fabriek

Maken van de brandstofstaven

Na verrijking kan men de brandstof gaan maken voor de kerncentrale. Hiervoor wordt UF6 omgezet in uraniumoxide (UO₂). Reactor brandstof komt het meest voor in de vorm van keramische pellets. Deze worden gemaakt uit samengeperste uraniumoxide, die op een hoge temperatuur (meer dan 1400°C) worden gesinterd (gebakken). De pellets gaan dan in metalen omhulsels en vormen op die manier brandstofstaven, die als splijtstof pakketten worden gearrangeerd voor gebruik in een reactor.[17]

De brandstofstaven. Bron [19]

Kern centrale

De brandstofstaven met verrijkt uranium worden in de kerncentrale gebruikt voor het kernsplijtings process.

De uranium brandstofstaven worden geplaatst in de kerncentrale. Credits: Yann Arthus-Bertrand/Impact Photos

Bij het splijten van uranium komt een grote hoeveelheid warmte vrij. Dit splijtingsproces vindt plaats in de kernreactor van de centrale. Met de warmte die vrijkomt door kernsplijting wordt water verhit tot stoom. Deze stoom drijft een turbine aan. Die is gekoppeld aan een grote dynamo: de generator. Deze generator levert op zijn beurt de elektriciteit aan het openbare net.[2]

Kerncentrales in de wereld

Op dit moment draaien er wereldwijd 442 kerncentrales. Deze wekken samen jaarlijks 2626 miljard kWh op, dit is 16% van de totale elektriciteitsvoorziening. Deze centrales gebruiken per jaar 65.478 ton uranium.

Op de achtergrond twee grote koeltorens en op de voorgrond twee kernreactoren. [2]

Er zijn momenteel 38 nieuwe kerncentrales gepland om bij te bouwen en er liggen voorstellen voor nog eens 115 extra kerncentrales. [3]

Typen van kerncentrales

Er zijn veel verschillende typen van kerncentrales. Hieronder staat een overzicht van de typen van centrales die nu in gebruik zijn.

Bron: [4]

Tijdelijke opslag

Na de operatie cyclus wordt de kernreactor gestopt voor het vervangen van de brandstofstaven die opgebruikt zijn. De opgebruikte brandstofstaven zijn dan hoog-radioactief en hebben gemiddeld 3-6 jaar in de reactor gezeten. Deze opgebruikte brandstofstaven worden eerst opgeslagen in een zogenaamde “spent fuel pool”. Hier moeten brandstofstaven eerst afkoelen in water basins. Het water zorgt voor de koeling en voor de afscherming van de hoog-radioactieve straling. Dit afkoelen duurt 10-20 jaar.
[20][21].

Ontmanteling

De ontmanteling is de laatste fase van de levensduur van een kerncentrale en omvat alle organisatorische, administratieve en technische activiteiten van het afsluiten van de centrale tot het terugkeren naar de groene wei situatie.

Bij de bouw van een kerncentrale wordt veelal uitgegaan van een bedrijfsduur van 40 jaar. In uitzonderlijke gevallen kan na die 40 jaar de levensduur met nog maximaal 20 jaar worden verlengd. In de praktijk is de levensduur als gevolg van economische, politieke en veiligheidstechnische overwegingen in de meeste gevallen korter. In 2004 was de gemiddelde leeftijd van de op dat moment 107 gesloten kerncentrales 21 jaar. [12]

De kosten voor het ontmantelen van een kerncentrale hangen af van het type centrale. De kosten varieeren tussen de 200$/kWe – 2700$/kWe.

Hier volgt een overzicht van de verschillende kerncentrales die nu nog in bedrijf zijn en wat de kosten zouden zijn als deze ontmanteld moeten worden.

bronnen: [13],[14],[15],[16]

De prijs van uranium

De vraag naar uranium is groter dan de hoeveelheid uranium die nu gewonnen wordt in de mijnen. Dit gat wordt momenteel gedicht door het recyclen van uranium afkomstig van ontmantelde nucleaire wapens, vooral uit Rusland. Als deze wapens straks allemaal recycled zijn verwachten analisten dat er ondanks de hogere productie door de nieuwe mijnen er nog steeds een tekort is aan uranium van 22 miljoen pond in 2010. Het huidige tekort is 25 miljoen pond. [11]

Door dit tekort aan uranium en de stijgende vraag naar uranium door de aanbouw van nieuwe kerncentrales zal de prijs van uranium nog sterk gaan stijgen.

De nominale prijs van uranium

De netto energie opbrengst

In een zeer diepgaand onderzoek hebben Jan Willem Storm van Leeuwen and Philip Smith [5] uitgerekend hoeveel energie een kerncentrale nu daadwerkelijk oplevert als je de volledige nucleaire brandstof cyclus meeneemt in de berekeningen. Het resultaat van hun berekeningen is terug te vinden in onderstaande grafiek. De grafiek is een representatie van de energie kosten -en opbrengsten van een kerncentrale. Alleen bij de lijnen die lopen in het witte gedeelte van de grafiek is de energie opbrengst hoger dan energie kosten.

Netto energie productie kerncentrale. Klik op grafiek voor details. Bron: [5]

Deze grafiek toont aan dat een kerncentrale,zelfs met de meest rijke uranium erts, dat het 10 jaar duurt voordat de centrale meer energie begin op te wekken dan de energie die het gekost heeft om hem te bouwen en draaiend te houden. Voor uranium erts met een laag uranium percentage, is de situatie nog erger:

Voor uranium erts met een uranium percentage van 0,05% of lager produceert een kerncentrale netto geen energie meer. De hoeveelheid energie die nodig is om hem op gang te houden is hoger dan de energie die de centrale daadwerkelijk opwekt.

CO₂ uitstoot

In de discussie over kernenergie hoor je vaak dat het een goede oplossing is omdat er geen CO₂ uitstoot is. Echter als je de volledige nucleaire cyclus meeneemt dan produceert een kerncentrale wel degelijk CO₂. De hoeveelheid CO₂ productie is sterk afhankelijk hoe rijk de uranium erts is. Hoe lager het percentage uranium in de erts, hoe hoger de CO₂ uitstoot.

In onderstaande grafiek is de CO₂ uitstoot uitgezet van een kerncentrale, als percentage CO₂ van een gascentrale, tegen het percentage (grade) uranium in de gewonnen uranium erts.

CO₂ uitstoot kerncentrale. Klik op grafiek voor details. Bron: [5]

In het meest gunstige geval, waarbij men uranium erts gebruikt met een zeer hoog uranium gehalte, dan produceert een kerncentrale 33% van de hoeveelheid CO₂ van een gas-centrale, oftewel 133 gram CO₂ / KWh.

Dat betekend dat een PWR kerncentrale van 1000 MW met een capaciteitsfactor van 90% (Cummins, 2004) en een jaarproductie van 7,88 TWh elk jaar meer dan 1 miljoen ton CO₂ produceert.

Zodra men uranium erts begint te gebruiken met een lager percentage uranium dan neemt de CO₂ productie steeds meer toe.

Indien men uranium erts met 0,013% of lager gebruikt dan is de CO₂ productie bij een kerncentrale zelf hoger dan bij een gascentrale. Oftewel meer dan 3,15 miljoen ton CO₂ per jaar.

Langere termijn

Op niet al te lange termijn zullen de mijnen die een hoog uranium percentage hebben steeds meer opraken. Hierdoor zullen steeds meer mijnen met een laag uranium percentage gebruikt gaan worden.

Het gevolg is dan dat de CO₂ productie in de totale nucleaire cyclus steeds meer gaat toenemen en dat de kerncentrales netto steeds minder energie gaan produceren.

Door de stijgende vraag naar uranium en het reeds ontstane tekort in de productie van uranium, wat nu tijdelijk wordt opgevangen wordt door het recyclen van nucleaire wapens, zal de prijs van uranium steeds meer gaan stijgen.

Veiligheid op papier

Bij een kerncentrale vindt continue een gecontroleerde vorm van kernsplitsing plaats. Dit gebeurt enerzijds door de kernreactor continue te koelen en anderszijds door het gebruik van een moderator. De moderator zorgt ervoor dat de neutronen die vrijkomen tijdens kernsplitsingsreactie afgevangen worden en/of afgeremd worden. Zou dit niet gebeuren dan ontstaat er een kettingsreactie die niet meer te stoppen is. De kernreactor zal dan zo heet worden dat deze smelt en door de beschermingsmantel heen in de grond zakt. Je praat dan over een zogenaamde kernsmelting (Meltdown). Als dat optreedt dan kan niets dit proces meer stoppen. De kernreactor is dan blootgesteld en nucleair materiaal kan ontsnappen. Als de extreem hete kernreactor in contact komt met grondwater dan kan er een zeer grote chemische explosie ontstaan die zorgt voor het wegslingeren van het radioactief materiaal. Dit is een “worst-case” scenario.

In geval van een calimiteit kan een kerncentrale afgeschakeld worden. Echter door de normaliter extreme hete kernreactor duurt dit afschakelen ongeveer 6 dagen. Tijdens die periode is het nog steeds van groot belang dat de centrale gekoeld blijft. Gebeurd dat niet dan kan er alsnog een kernsmelting plaatsvinden.

De veiligheid van zo’n kerncentrale is er dan ook grotendeels op gebaseerd dat de centrale ten alle tijden goed gekoeld wordt en dat de moderator werkt. Op papier lijken de meeste kerncentrales erg veilig. Ze zijn uitgerust met veel sensoren en veiligheidssystemen. Behalve het primaire koelingssysteem is er altijd een backupsysteem om de centrale te koelen.

Veiligheid in de praktijk

In de praktijk kan er toch veel misgaan waar van te voren geen rekening mee is gehouden.

Hier zijn een paar voorbeelden van zeer ernstige nucleaire incidenten:

11 Maart, 2011 – Fukushima Kerncentrale Japan
Door een aardbeving met een kracht van 8.9 op de schaal van richter valt de elektriciteit uit in de centrale. Hierdoor vallen de koelingsystemen stil. Er zijn dieselgeneratoren die in bedrijf komen die zorgen voor de backup stroomvoorziening. Echter door de aardbeving onstaat er ook een grote tsunami die het complex (wat aan zee ligt) overspoelt. De dieselgeneratoren vallen uit en de koeling valt stil. Oververhitte stoom zorgt voor de ontwikkeling van waterstofgas. Door een waterstofexplosie wordt de helft van het gebouw weggeblazen. De kernreactor is inmiddels zo heet geworden dat er een (gedeeltelijke) kernsmelting plaatsvindt. Meer info: Fukushima I Nuclear Power Plan

April 26, 1986 — INES Level 7 – Prypiat (Chernobyl), Ukraine (then USSR)
Uitvallen van de stroom, explosie en volledige kernsmelting.

March 28, 1979 — INES Level 5 – Middletown (Three Mile Island), Dauphin County, Pennsylvania, United States
Gedeeltelijke kernsmelting.

May 1967 – Dumfries and Galloway, Chapelcross Scotland, United Kingdom
Gedeeltelijke kernsmelting.

Hier is de complete lijst van nucleaire incidenten: List of civilian nuclear accidents.

Situatie in Nederland

De Nederlandse kerncentrale in Borsele is net zoals de Fukushima kerncentrale in Japan een lichtwater reactor. Koeling van de centrale is dan ook zeer belangrijk voor de veiligheid. Echter de Borsele centrale is net zoals in Japan aan het water gebouwd.

De Borsele kerncentrale is gebouwd vlak aan de Nederlandse kust

Lokatie Borsele in detail

In 1953 hebben we een grote watersnoodramp gehad in Nederland. Toen zijn grote gedeelten van Zeeland onder water gelopen.

Het is bekend dat vanwege klimaatverandering de kans groter is dat er sterkere stormen gaan komen. Als zo’n grote storm nog een keer toeslaat in Zeeland (waar kerncentrale Borsele staat) dan kun je hetzelfde scenario krijgen als in Japan.

Samenvatting

Als je alle aspecten van kernenergie meeneemt dan lijkt kernenergie toch niet DE oplossing van ons energie probleem.

Zoals hierboven beschreven heeft kernenergie de volgende problemen:

• Een kerncentrale begint in het gunstigste geval pas na 10 jaar energie op te wekken. In geval van uranium erts met een laag uranium percentage levert een kerncentrale zelfs netto helemaal geen energie meer op.
• De bouw van centrale kost ongeveer 10 jaar, de levensduur is gemiddeld 21 jaar en daarna duurt het nog 150 jaar voordat deze volledige ontmanteld is. En dat terwijl de centrale effectief maar 10 jaar energie produceert.
• Een gemiddelde kerncentrale produceert elk jaar meer dan 1 miljoen ton CO₂.
• De prijs van uranium zal de komende jaren sterk gaan stijgen. Hierdoor zal de kostprijs voor kernenergie alleen nog maar gaan toenemen.
• Op papier is een kerncentrale veilig. Echter de praktijk laat zien dat nucleaire incidenten met ernstige gevolgen niet uit te sluiten zijn.

Gerelateerde artikelen

• Artikelen over kernenergie