Kernenergie

Kernenergie
Uit uranium kan elektriciteit opgewekt worden: kernenergie. Bij de opwekking van kernenergie komt ongeveer evenveel CO2 vrij als bij wind- of zonne-energie, vele malen minder dan bij fossiele brandstoffen. Toch is over kernenergie veel discussie: over de noodzaak, kosten, kans op ongevallen en het radioactieve afval.

Voorstanders beschouwen kernenergie als veilig, duurzaam en noodzakelijk om klimaatverandering tegen te gaan. Tegenstanders vinden de technologie niet noodzakelijk en onveilig: vanwege het radioactieve afval en het risico van ernstige ongevallen, zoals het ongeval in 2011 in het Japanse Fukushima na een aardbeving.

Vijf vragen over kernenergie

Voor- en nadelen kernenergie

Voordelen

Bij de opwekking van kernenergie komen nagenoeg geen CO2 en andere broeikasgassen vrij. Er komen wel broeikasgassen vrij tijdens de bouw en ontmanteling van de kerncentrales, bij winning en transport van uranium en het transport, de verwerking en opslag van het kernafval. Als die uitstoot wordt meegerekend komen er bij kernenergie nog steeds veel minder broeikasgassen vrij dan bij elektriciteitsproductie met fossiele brandstoffen.

Uranium, de grondstof voor kernenergie, is relatief goedkoop.

Een kerncentrale is een constante bron van stroom.. De stroomproductie is niet afhankelijk van het weer, zoals zonne- of windenergie.

Nadelen

Bij kernenergie ontstaat radioactief afval. Het gaat dan onder andere om gebruikte brandstofstaven uit de kerncentrale, afval dat bij de uraniumwinning ontstaat, en het sloopafval na sluiting van een centrale. De ioniserende straling die het radioactieve afval afgeeft, is schadelijk voor de gezondheid. Hoogactief radioactief afval zal nog zeer vele generaties na de onze straling af blijven geven. Daar is op dit moment nog geen goede definitieve opslag voor.

De bouw van een kerncentrale is duur (miljarden euro’s), net als het slopen (ontmantelen).

Een kerncentrale bouwen duurt lang, ruim 10 jaar en waarschijnlijk langer. Op korte termijn kan een nieuwe kerncentrale dus niet bijdragen aan de klimaatdoelen.

De voorraad uranium is niet oneindig. Het komt overal op aarde voor, maar het deel van de uranium op aarde dat economisch interessant is om te winnen, is beperkt. Met het huidige gebruik van uranium wereldwijd zou deze voorraad in 130 jaar op zijn.

Daarnaast heeft de winning van uranium impact op mens en milieu.

De kans op een ernstig ongeval waarbij radioactieve stoffen in de omgeving vrijkomen is weliswaar klein, maar de mogelijke gevolgen zijn groot.

Kernenergiefaciliteiten kunnen misbruikt worden voor de (heimelijke) productie van kernwapens. Kerncentrales, fabrieken die uranium verrijken en opleidingsinstituten zijn ook plekken waar mogelijk gespioneerd kan worden vanuit landen die kennis over kernenergie willen verzamelen voor niet-vreedzame doeleinden.

Kernenergie in Nederland

Iets meer dan drie procent van de elektriciteit die we in Nederland gebruiken, is opgewekt door de enige werkende kerncentrale voor elektriciteitsproductie in ons land (cijfers 2020). Deze staat in Borssele (Zeeland).

Wat is nodig voor een nieuwe kerncentrale?

Een kerncentrale bouwen is duur en kost veel tijd. TNO schat in dat de bouw zo’n 10 miljard euro kost en duurt zeker 11 jaar duurt. Er is een aantal jaar nodig om alle vergunningen te verkrijgen, de bouw zelf duurt zo’n jaar of acht. Buiten de kosten voor de bouw, moet er ook rekening gehouden worden met de ontmantelingskosten: het geld dat nodig is om de kerncentrale veilig af te breken. De schatting is dat hier minimaal nog eens 1,5 miljard voor nodig is en dit bedrag moet gereserveerd worden voordat de kerncentrale in gebruik wordt genomen.

Als de kerncentrale eenmaal gebouwd is, zijn de kosten om de centrale te laten draaien relatief laag. Om de centrale economisch interessant te maken, is het wel belangrijk dat een kerncentrale zoveel mogelijk uren draait. Een kerncentrale moet in ongeveer zestig jaar de kosten terugverdienen en winst zien te maken.

Zekerheid over overheidsbeleid is daarom belangrijk. Wanneer een toekomstige regering plotseling zou besluiten te stoppen met kernenergie, kan dat immers tot grote financiële verliezen lijden. Het is daarom voor de bouw van een nieuwe kerncentrale van belang dat er sprake is van voldoende zekerheid.

Nieuwe kerncentrale in Nederland

Er zijn op dit moment geen vergunningaanvragen ingediend voor een nieuwe kerncentrale in Nederland. Iedereen met genoeg geld en de juiste vergunningen kan een centrale bouwen in Nederland. Op dit moment zijn er geen subsidies voor het bouwen of draaiende houden van een kerncentrale. Het geld moet dus volledig uit de markt komen.

Een kerncentrale kan in principe overal gebouwd worden, waar het bestemmingsplan het toestaat. De Nederlandse overheid heeft plekken gereserveerd voor een kerncentrale: Borssele en de Maasvlakte 1 bij Rotterdam. Op deze plekken mag niets gebouwd worden wat de eventuele komst van een kerncentrale in de weg kan staan. De Eemshaven in Groningen was ook een gereserveerde locatie, maar in maart 2021 werd besloten dat deze locatie geschrapt moet worden.

Wat is kernenergie?

Kernenergie is energie die vrijkomt door atoomkernen van het erts uranium te splijten. Met die energie kan elektriciteit worden gemaakt. Hier komt geen CO2 bij vrij.

Tijdens onder andere de bouw van de centrales, de winning en het vervoer van uranium en het vervoer en de opslag van kernafval ontstaat wel CO2-uitstoot. Het internationale panel van klimaatwetenschappers IPCC heeft berekend dat er ten opzichte van stroom gemaakt met behulp van aardgas de broeikasgasuitstoot van nucleaire stroom zo’n 40 keer lager is.

Hoe wordt de energie opgewekt?

Uranium heeft een zware, onstabiele atoomkern en deelt zich bij kernsplijting in lichtere atoomkernen. Tijdens die splijting komt er een grote hoeveelheid energie vrij en komen neutronen vrij, kleine deeltjes die onderdeel zijn van atomen. Deze neutronen schieten op hoge snelheid tegen andere uraniumatomen aan, waardoor deze ook splijten. Dat heet een kettingreactie. In een kernreactor houden operatoren van een kerncentrale deze kettingreactie onder controle.

In een kerncentrale liggen honderden zogeheten splijtstofstaven van uraniumoxide in een met water gevuld reactorbad. In de staven vinden de kernsplijtingen plaats, terwijl er water langs stroomt. De energie komt bij de kernsplijtingen vrij in de vorm van warmte. Het water neemt die warmte op. Die warmte wordt in verschillende typen anders benut om elektriciteit op te wekken.

De grondstof: uranium

In de kernreactoren wordt uranium gebruikt. Deze grondstof is niet hernieuwbaar. De voorraad uranium op aarde is groot, maar slechts een klein deel is relatief goedkoop te winnen. De voorraad goedkoop te winnen uranium is voldoende om - wanneer je uitgaat van het jaarlijkse verbruik van de huidige kerncentrales die momenteel in bedrijf zijn - zo’n 130 jaar vooruit te kunnen. Komen er meer centrales bij, dan is de voorraad dus eerder op.

Als we ook het lastiger bereikbare uranium meewegen en uitgaan van veel efficiëntere centrales, zou de voorraad uranium veel langer mee gaan. Daarnaast kunnen ook andere radioactieve elementen gebruikt worden, zoals thorium. De technieken hiervoor zijn nog volop in ontwikkeling.

De winning van uranium kan voor schade aan milieu en gezondheid zorgen. Zeker in landen waar de regelgeving minder streng wordt nageleefd, kunnen de gevolgen groot zijn. Het gaat dan om schade aan de gezondheid van werknemers, schade aan de natuur en problemen rondom het (chemische) afval uit de mijnbouw. De lokale bevolking profiteert bovendien niet altijd mee van de financiële winst.

In een kokendwaterreactor bereikt het water een temperatuur van honderden graden Celsius en gaat dan over in stoom. Deze stoom drijft turbines aan die elektriciteit opwekken. Deze stoom is licht radioactief. Omdat die turbines zich buiten het zwaar beschermde reactorgebouw bevinden is er in dit type reactor in theorie een iets grotere kans op een radioactief lek bij incidenten.

In een drukwaterreactor wordt het water onder hoge druk gehouden. Het gaat niet koken, maar het verwarmt water in een tweede systeem. In deze tank ontstaat stoom die de turbine aandrijft. Dit type reactor is het meest gebruikte type in de wereld. Ook de kernreactor in Borssele is een drukwaterreactor.
De grondstof: uranium

Kernenergie: noodzakelijk of niet?

Vanwege klimaatverandering is er een noodzaak voor hernieuwbare en duurzame energiebronnen, zoals zonne- en windenergie. Maar zonne- en windenergie alleen zijn niet genoeg om aan de energievraag te voldoen, omdat ze afhankelijk zijn van de weersomstandigheden. Om dat op te vangen zijn er ook niet-weersafhankelijke energiebronnen nodig. Daar zou kernenergie een rol in kunnen spelen.

Naast deze optie, zijn er ook andere mogelijkheden, zoals de opslag van zonne- en windenergie op piekmomenten van productie. Dit kan bijvoorbeeld via waterstof. De hierin opgeslagen energie kan ingezet worden op momenten dat de zonne- en windparken niet aan de energievraag kunnen voldoen. Een nadeel van deze omzetting is dat een deel van de energie verloren gaat. Een ander nadeel van deze en andere oplossingen die ervoor zorgen dat er ook bij ongunstig weer voldoende stroom is, is dat er hoge kosten bij komen kijken.

Aangezien ook de bouw van kerncentrales zeer hoge kosten kent, kun je de centrale niet alleen laten draaien op momenten dat zonne- en windenergie niet aan de vraag voldoen. Dan worden de kosten niet voldoende terugverdiend. Een deel van de experts beargumenteert dat kerncentrales bovendien niet ontworpen zijn om met flinke schommelingen in het vermogen om te gaan, hoewel in Frankrijk op- en afregelen van het vermogen veelvuldig plaatsvindt.

Een alternatief hiervoor zou zijn om kerncentrales wel op volle kracht te laten draaien en het overschot aan energie in waterstof op te slaan. Daarbij spelen dezelfde nadelen als bij de opslag van zonne- en windenergie in waterstof: er gaat een deel van de energie verloren en zo’n systeem brengt hoge kosten met zich mee.

Energiedrager Waterstof Waterstof kan worden gebruikt om overtollige energie op te slaan voor later gebruik. Maar er kleven nadelen aan: hoge kosten en energieverlies. Lees meer over waterstof

Verschillende scenario’s

Experts zijn het niet met elkaar eens of kernenergie nodig, wenselijk of rendabel is. Er zijn verschillende scenariostudies gedaan naar de kosten van kernenergie. Sommige van die studie trekken de conclusie dat kernenergie te duur zal zijn. Andere studies concluderen dat kernenergie stroom kan leveren voor een vergelijkbare prijs als zonne- en windenergie.

Reden voor deze verschillende uitkomsten is dat er nog niet bekend is hoe het energiesysteem er in de toekomst uit zal zien. Daarnaast moeten onderzoekers ook over tal van andere zaken aannames maken, bijvoorbeeld over financiële ontwikkelingen die de kosten van de bouw van een toekomstige kerncentrale beïnvloeden. Deze onzekerheden en de aannames die je vervolgens maakt, hebben een grote invloed op de uitkomsten van een studie.

Geen oplossing voor klimaatdoelen 2030

Om de klimaatdoelen voor 2030 te halen, speelt kernenergie in Nederland nauwelijks een rol. De kerncentrale in Borssele produceert nu zo’n 3 procent van de elektriciteit in Nederland. Omdat de bouw van een nieuwe centrale zeker 10 jaar zal duren, zal dat aandeel voor 2030 niet (veel) groter kunnen worden. Voor de klimaatdoelen in 2050 zou kernenergie wel een rol kunnen spelen.

Waar laten we radioactief afval?

Bij de opwekking van elektriciteit in een kerncentrale ontstaat radioactief afval dat straling afgeeft. Als een levend wezen deze zogenaamde opvangt, dan kan dit ernstige gezondheidsproblemen veroorzaken. Een deel van het hoogradioactief afval kan tot honderdduizenden jaren straling afgeven. Zorgvuldige opslag vormt zo een verantwoordelijkheid voor vele generaties na de onze.

Hoogactief afval: afschermen en bewaren

Hoogactief afval is zeer gevaarlijk. Het moet wel 100.000 jaar lang goed afgeschermd bewaard worden om te voorkomen dat straling vrijkomt in de omgeving.

De gebruikte splijtstofelementen van een kerncentrale vallen onder hoogactief afval. De gebruikte splijtstofelementen van de kerncentrale in Borssele worden naar Frankrijk getransporteerd. Daar worden de nog bruikbare bestanddelen gescheiden van de rest van de afvalstoffen. Dit kan na opwerking worden toegevoegd aan nieuwe splijtstofstaven. De centrale in Borssele gebruikt ook splijtstofstaven waar een deel van de opgewerkte stoffen aan is toegevoegd.

Het hoogradioactieve afval dat niet hergebruikt kan worden, wordt in glas verpakt voordat het wordt opgeslagen en moet – omdat het veel warmte afgeeft – ongeveer 100 jaar lang gekoeld worden. Dit hoogradioactieve afval wordt nu in Nederland bovengronds in een speciaal gebouw opgeslagen. Een definitieve oplossing voor dit afval bestaat nog niet. Wel zijn er voornemens om op de zeer lange termijn hoogactief afval diep onder de grond op te slaan, in aardlagen waar het duizenden jaren veilig kan liggen. Hier wil de regering in het jaar 2100 een besluit over gaan nemen. In de tussentijd kan hier verder onderzoek naar gedaan worden. Er is verder afgesproken dat deze zogenaamde eindberging in het jaar 2130 er is.

Laag- en middelactief afval: bovengronds opslaan

Laag- en middelactief afval komt uit kerncentrales in de vorm van vervangen buizen, leidingen en ander materiaal uit de centrale. Maar ook ziekenhuizen, (nucleaire) laboratoria en de olie- en gasindustrie produceren laag- en middelactief afval. Dit soort afval wordt in beton verpakt. Het wordt in Nederland bovengronds opgeslagen in speciale gebouwen.

Radioactief afval in Nederland

Per jaar ontstaat er in Nederland 4,5 kubieke meter hoogactief afval. Dat staat gelijk aan 3 bedrijfsafvalcontainers. De hoeveelheid laag- en middelactief afval is zo’n 240 keer groter: 1.100 kubieke meter. Dit afval wordt opgeslagen in dezelfde gemeente waar ook de Nederlandse kerncentrale staat. Het hoogactieve afval wordt opgeslagen in een verstevigde opslag, die bestand is tegen explosies, natuurrampen en vliegtuigongelukken. Het kernafval wordt goed beveiligd en via metingen constant in de gaten gehouden.

Radioactieve stoffen zenden straling uit die zo’n hoge energie heeft, dat het kan ioniseren. Ioniseren wil zeggen dat het elektronen uit atomen kan vrijmaken. Een molecuul waar dat atoom zich in bevindt, kan hierdoor beschadigd raken. Als dit veelvuldig in weefsels gebeurt bij mensen of dieren, levert dit schade op. Het DNA is een extra kwetsbare plek, omdat veranderingen van moleculen hierin gevolgen kunnen hebben voor het functioneren van cellen.

Veiligheid van kerncentrales

De kernreacties die in kerncentrales plaatsvinden, moeten zorgvuldig onder controle worden gehouden en de kern moet steeds voldoende gekoeld worden. Wat er ook gebeurt aan natuurrampen, storingen of onverwachte gebeurtenissen: er moet te alle tijden worden voorkomen dat de kern beschadigd kan raken of kan smelten. En er moet altijd voorkomen worden dat er radioactief materiaal naar de omgeving kan lekken.

Elke kerncentrale beschikt daarom over uitgebreide veiligheidssystemen. Dit zijn verschillende typen systemen. Sommige moeten door de operator worden ingeschakeld. Daarnaast zijn er ook zogenaamde inherent veilige systemen die automatisch in werking treden wanneer er iets mis dreigt te gaan. Verder zijn er nog back-upsystemen voor het geval zo’n veiligheidssysteem het om welke reden dan ook af laat weten.

Ernstige incidenten: Tsjernobyl en Fukushima

De bekendste ernstige ongelukken met kerncentrales zijn het ongeluk in 1986 met de kerncentrale in Tsjernobyl (Oekraïne) en het ongeluk in 2011 met de reactor in Fukushima (Japan). De aanleiding van het ongeluk in Tsjernobyl was een experiment dat verkeerd liep, met explosies in de kernreactor tot gevolg. Fukushima werd getroffen door een zeebeving en een daarop volgende tsunami, waardoor de koeling niet meer werkte.

Naast de doden en gewonden die bij deze incidenten vielen, is de omgeving van beide kerncentrales jarenlang bestempeld tot onbewoonbaar gebied vanwege de radioactieve besmetting.

Kernwapens

Met kernenergietechnieken kan elektriciteit worden gemaakt, maar met deze technieken kunnen ook kernwapens gemaakt worden. Dit wordt proliferatie genoemd. Voor het vervaardigen van kernwapens zijn dezelfde kennis, processen en materialen nodig als voor de productie van nucleaire stroom. Wel is hiervoor zeer zuiver en hoogverrijkt uranium of plutonium nodig. De grondstoffen en afvalstoffen van een kerncentrale zijn daarom niet zomaar bruikbaar voor kernwapens, zonder verdere bewerking.

Veel landen hebben het Non Proliferatie Verdrag (NVP) getekend om verspreiding van kernwapens en kernwapentechnologie te voorkomen. Het Internationaal Atoom Energie Agentschap (IAEA) - en in Europa Euratom - ziet er op toe dat kerncentrales alleen worden gebruikt voor elektriciteitsproductie. Landen die het NVP niet hebben getekend, vallen in principe buiten deze controle.

Spionage en terrorisme

Er bestaat ook een risico op spionage bij kerncentrales, fabrieken die uranium verrijken of bij opleidingsinstituten om zo kennis te verzamelen over kerntechnologie, met niet-vreedzame toepassingen zoals het maken van kernwapens op het oog. Strenge beveiliging en controle moeten dit voorkomen.

Kerncentrales en transporten (van kernafval en splijtstofstaven) moeten bovendien goed beveiligd worden om ervoor te zorgen dat nucleair materiaal niet in handen komt van terroristen. Die zouden dit radioactieve materiaal kunnen toevoegen aan ‘gewone’ explosieven, waardoor zogenaamde vuile bommen ontstaan. De kans hierop is klein, vanwege strenge beveiliging en omdat het materiaal vanwege de hoogradioactieve aard alleen getransporteerd en bewerkt kan worden met zeer gespecialiseerde werktuigen.

Toekomstige technieken

Wereldwijd wordt er onderzoek gedaan naar verschillende nieuwe technieken rondom kernenergie.

Verbeterde kernreactoren

Kerncentrales kunnen worden ingedeeld naar het type generatie waar ze toe behoren. De prototypen uit de jaren 50 en 60 uit de vorige eeuw vormden de eerste generatie reactoren. Daarna volgde de tweede generatie: reactoren die commercieel werden ingezet. De meeste reactoren die nu in Europa in gebruik zijn – waaronder de Nederlandse kerncentrale in Borssele – zijn van deze tweede generatie. Deze reactoren zijn naar aanleiding van het ongeluk aan Fukushima aan strenge veiligheidstesten onderworpen en aangepast waar nodig. Bij centrales die nu in aanbouw zijn of gepland zijn, gaat het vaak om derde generatie reactoren, die in feite doorontwikkelde, verbeterde tweede generatiereactoren zijn.

Wereldwijd wordt nu onderzoek gedaan naar nieuwe technieken; dit is de vierde generatie reactoren. Deze nieuwe generatie kernreactoren moet veiliger zijn, zuiniger gebruik maken van grondstoffen en minder (langlevend) radioactief afval produceren. De ontwikkeling van deze technieken vergt waarschijnlijk nog tientallen jaren en er zijn per reactortype nog tal van technische uitdagingen die overwonnen moeten worden. Eén van de nieuwe type reactoren waaraan gewerkt wordt, is de thorium-MSR.

Thorium-MSR

Een mogelijke toekomstige techniek voor kernenergie waar veel over wordt gesproken, zijn thoriumreactoren (thorium-MSRs). Dit zijn reactoren waarbij de kernreacties plaatsvinden in heet, vloeibaar zout waarin zich het metaal thorium bevindt. Het zout bevat de brandstof voor de reactie én dient als koelmiddel. Dit zorgt ervoor dat de thorium-MSRs mogelijk veiliger zijn dan traditionele kerncentrales. Doordat een constructie mogelijk is waarbij het gesmolten zout automatisch wegloopt bij een probleem, stopt namelijk de kernreactie.
Thorium-MSRs bieden mogelijk nog andere voordelen, zoals minder zeer lang levend radioactief afval. Daarnaast is de voorraad thorium op aarde groter dan de voorraad uranium.

Voordat thorium-MSRs breed ingezet kunnen worden, is nog veel onderzoek nodig. Het kan nog tientallen jaren duren voordat de eerste centrale stroom levert aan het net. Er zijn ook vele flinke technische uitdagingen die eerst opgelost moeten worden voordat de techniek veilig en goed werkt. In China is inmiddels een experimentele thorium-MSR gebouwd, waar verder onderzoek naar de techniek wordt gedaan.

Kernfusie

Naast kernsplijting is er nog een andere techniek die in de toekomst mogelijk energie kan opwekken door de kern van atomen te veranderen: kernfusie. Hierbij worden lichte atoomkernen . Daar komt veel energie bij vrij. Deze techniek zit nog een experimentele fase.

Kernfusie is pas interessant als het meer energie oplevert dan dat het kost. De reactor moet zogenaamd op extreem hoge temperaturen houden om kernfusie mogelijk te maken: tussen de 150 miljoen en 300 miljoen graden. Dit kost enorme hoeveelheden energie. Maar de hoopvolle verwachting is dat kernfusie vele malen meer energie oplevert dan dat het kost. Waar bij kernsplijting de kernreactie uit de hand kan lopen als er iets mis gaat, is dit bij kernfusie niet te verwachten: als er iets misgaat, komt de reactie vanzelf tot stilstand.

Verschillende landen bouwen momenteel samen in Frankrijk een fusiereactor (ITER). De verwachting is dat deze reactor pas rond 2035 energie gaat produceren. De elektriciteit zal dan nog niet geleverd worden in het energienet, maar alleen worden gebruikt om de techniek te testen. Na het succesvol testen en de bouw van een aantal demonstratiereactoren, zal het daarna nog tientallen jaren duren voordat er fusiecentrales echt een rol gaan spelen in de elektriciteitsvoorziening.

Bij kernfusie smelten de atoomkernen van twee stoffen (deuterium en tritium) samen. Daardoor ontstaat helium (een andere stof), een kerndeeltje (neutron) en heel veel energie. De chemische reacties in de zon vormen het bekendste voorbeeld van kernfusie.

Wanneer een gas tot extreem hoge temperaturen wordt gebracht, raken de atoomkernen en elektronen die daar omheen zwermen los van elkaar. Dit wordt een plasma genoemd.