Ondergrondse kernreactor: kernenergie diep onder onze voeten
Stel je een kerncentrale voor, maar dan zonder de vertrouwde koeltoren en het grote koepelgebouw. In plaats daarvan bevindt de reactor zich in een nauwe schacht, honderden meters tot enkele kilometers diep in de rotsbodem. Dat is in de kern het idee achter een ondergrondse kernreactor: een kleine kernreactor die niet bovengronds staat, maar wordt weggewerkt in de aardkorst zelf.
Het idee klinkt futuristisch, maar de gedachte erachter is heel praktisch. Een dikke laag rots en aarde werkt als een natuurlijk pantser. Waar een gewone centrale dure betonnen containment-gebouwen nodig heeft om straling binnen te houden bij een ongeval, doet de aarde daar bij een ondergrondse reactor een groot deel van het werk gratis bij. Vergelijk het met het verschil tussen een kluis die op straat staat, met dikke muren en bewaking, en een kluis die je gewoon een paar kilometer de grond in laat zakken: de diepte zelf is al een groot deel van de beveiliging.
Wat is het precies?
Een ondergrondse kernreactor is geen apart type kernsplijting: de fysica in de kern is hetzelfde als bij elke andere reactor. Uranium- of plutoniumatomen splitsen, komt warmte vrij, die warmte verhit water of een andere koelvloeistof, en daarmee wordt uiteindelijk stroom opgewekt. Het verschil zit in de locatie en de bouwwijze.
Er zijn grofweg twee varianten. De oudste vorm is de rotsholte-reactor: een grote grot of tunnel wordt uitgegraven in stevig gesteente, en daarin wordt een vrij normale reactor gebouwd, vaak met een extra stalen of betonnen omhulling. De berg zelf vervangt dan deels het beschermende gebouw dat je bovengronds zou moeten neerzetten.
De nieuwere en veel ambitieuzere variant is de boorgat-reactor. Hierbij wordt met booртechniek uit de olie- en gasindustrie een smal, verticaal gat geboord van soms wel anderhalve kilometer diep. Daarin laat men een kleine, compacte reactor zakken, een zogeheten small modular reactor (SMR): een kernreactor die fabrieksmatig in stukken wordt gebouwd en op locatie in elkaar gezet, in plaats van een centrale die jarenlang op maat ter plekke wordt gegoten.
Op die diepte staat het grondwater onder enorme druk. Diezelfde druk zorgt ervoor dat het koelwater rond de reactorkern niet kan koken, zelfs niet bij hoge temperaturen, zonder dat daar een zware drukvaten voor nodig zijn zoals bovengronds. Ontstaat er toch een storing, dan blijft de warmte grotendeels in de put en het omringende gesteente zitten in plaats van dat er radioactieve stoffen de lucht in kunnen ontsnappen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is veiligheid, of beter: het gevoel van veiligheid bij zowel toezichthouders als omwonenden. Na grote ongelukken zoals Tsjernobyl (1986) en Fukushima (2011) is de nucleaire sector voortdurend op zoek naar manieren om de kans op en de gevolgen van een ongeval verder te verkleinen. Diep gesteente en grondwaterdruk bieden in theorie een extra, passieve beveiligingslaag die niet afhankelijk is van pompen, stroom of menselijk ingrijpen.
Een tweede motief is beveiliging tegen opzettelijke dreigingen: sabotage, terrorisme of een vliegtuig- of raketinslag. Een reactor die kilometers diep in de grond zit, is vrijwel onmogelijk van bovenaf te bereiken of te beschadigen.
Daarnaast spelen economische argumenten mee. Een groot deel van de kosten van een kerncentrale zit in het betonnen containmentgebouw en de bijbehorende veiligheidssystemen. Voorstanders van boorgat-reactoren stellen dat je, als de aarde zelf al een groot deel van die functie overneemt, met kleinere en goedkopere reactoren toe kan, die bovendien sneller te bouwen zijn omdat ze in fabrieken worden geproduceerd.
Tot slot is er de ruimtelijke factor: een compacte, ondergrondse installatie neemt aan de oppervlakte weinig plek in, wat interessant is voor gebieden waar weinig ruimte is of waar bewoners liever geen zichtbare kerncentrale in hun omgeving hebben.
Voorbeelden uit de praktijk
Het concept is minder nieuw dan het klinkt; er bestaan al decennialang reactoren die (deels) ondergronds zijn gebouwd, al gaat het dan om de oudere rotsholte-variant.
Een vroeg voorbeeld is de R1-reactor aan het Koninklijk Instituut voor Technologie (KTH) in Stockholm, in de jaren vijftig van de vorige eeuw onder de campus uitgegraven. De ondergrondse ligging bood destijds vooral bescherming en een zekere mate van geheimhouding, in een periode waarin Zweden ook onderzoek deed naar kernwapentechnologie.
In Zwitserland werd de experimentele Lucens-reactor in een kunstmatige rotsholte in het kanton Vaud gebouwd. In 1969 kreeg deze reactor te maken met een gedeeltelijke kernsmelting, een van de weinige ernstige nucleaire ongevallen buiten de grote, bekende rampen. De ondergrondse ligging beperkte de gevolgen voor de omgeving, maar het ongeval liet ook zien dat een berg geen garantie is tegen menselijke of technische fouten binnenin.
In Noorwegen stond de Halden-reactor, eveneens in een rotsholte gebouwd, tientallen jaren in gebruik als internationaal onderzoekscentrum voor brandstof- en materiaaltesten, tot de definitieve sluiting in 2018.
Recenter richt de aandacht zich vooral op nieuwe boorgat-concepten. Het Amerikaanse start-up Deep Fission, opgericht door onder anderen natuurkundige Richard Muller en ondernemer Elizabeth Muller, presenteert een ontwerp waarbij kleine drukwaterreactoren op ongeveer anderhalve kilometer diepte in een boorput worden geplaatst. Het bedrijf bevindt zich nog in de ontwikkel- en vergunningsfase; een werkende demonstratiereactor is er op het moment van schrijven nog niet.
Ook Zuid-Korea heeft, via het onderzoeksinstituut KAERI, na het ongeval in Fukushima gekeken naar ondergrondse of in rotsholtes gebouwde kerncentrales als manier om centrales beter te beschermen tegen aardbevingen, overstromingen en externe dreigingen. Dit bleef vooralsnog bij haalbaarheidsstudies.
Hoe ver is de techniek?
Hier is eerlijkheid op zijn plaats: het overgrote deel van wat nu ‘ondergrondse kernreactor’ wordt genoemd, bestaat nog op papier of in een vroeg ontwikkelstadium. De rotsholte-variant is bewezen technologie, met tientallen jaren praktijkervaring in landen als Zweden, Zwitserland en Noorwegen, al zijn de meeste van die installaties inmiddels gesloten of ontmanteld.
De boorgat-reactor is veel prilder. De benodigde boortechnologie zelf is volwassen, dankzij decennia ervaring in olie- en gaswinning en geothermie. Wat ontbreekt, is praktijkervaring met het combineren van die boortechniek met een werkende kernreactor: hoe onderhoud je zoiets op anderhalve kilometer diepte, hoe haal je oude splijtstof er veilig weer uit, en hoe gedraagt de installatie zich echt bij een storing? Op die vragen bestaan vooralsnog vooral modelberekeningen, geen decennia aan praktijkdata.
Ook de vergunningsprocedures lopen achter op de technologie. Nucleaire toezichthouders, zoals de Amerikaanse Nuclear Regulatory Commission, hebben hun regels grotendeels geschreven met bovengrondse centrales in gedachten. Voor boorgat-reactoren moeten nieuwe veiligheidsanalyses en procedures worden ontwikkeld, wat een langzaam en zorgvuldig proces is en zeker jaren in beslag neemt voordat een eerste commerciële eenheid, als die er komt, daadwerkelijk stroom levert.
Wie werken eraan?
Naast Deep Fission in de Verenigde Staten houden ook andere ontwikkelaars van kleine modulaire reactoren zich bezig met ondergrondse of gedeeltelijk verzonken ontwerpen, al gaat het daarbij vaker om een reactorgebouw dat een aantal verdiepingen de grond in gaat dan om een kilometersdiepe boorput. Voorbeelden van bedrijven die op zijn minst delen van hun installatie onder het maaiveld plannen, zijn te vinden binnen de bredere Amerikaanse SMR-sector.
Op onderzoeksniveau spelen nationale kernenergie-instituten een rol, zoals het Zuid-Koreaanse KAERI. Ook internationale organisaties als het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) en de OESO-Kernenergieagentschap (NEA) volgen en documenteren dit soort ontwerpen als onderdeel van hun bredere werk aan de volgende generatie kernreactoren.
Landen met een lange traditie in rotsbouw en mijnbouw, zoals Zweden, Noorwegen, Zwitserland en Finland (denk aan het ondergrondse eindbergingsproject Onkalo voor kernafval), beschikken over relevante geologische kennis en ervaring die ook voor ondergrondse reactoren van pas komt, al betekent dat niet automatisch dat deze landen zelf actief zulke reactoren bouwen.