Transitietechnologie - Factsheets energietechnologieën

Kern-centrales

Stand van de techniek

Technologiebeschrijving
Elektriciteitopwekking in kerncentrales maakt gebruik van de energie die vrijkomt bij de splijting van atoomkernen. Het huidige mondiale kernenergiepark bestaat uit 441 reactoren (nuclear power plants), voor het overgrote deel van het LWR (Light Water Reactor) type, met een totale capaciteit van zo?n 359 GW_e met een totale elektriciteitsproductie van rond de 2574 TWh (IAEA, 2004). Kernenergie draagt hiermee voor zo?n 17% bij aan de globale elektriciteitsproductie. Er bestaan twee LWR types: de PWR (Pressurised Water Reactor) en de BWR (Boiling Water Reactor), beide gekoeld door middel van (?gewoon?) water (onder druk en kokend, respectievelijk).

Er bestaan nog verschillende andere reactor types, waaronder reactoren die door middel van een gas gekoeld worden. Een voorbeeld van een dergelijk reactortype is de in ontwikkeling zijnde HTR (High Temperature Reactor). De PBMR (Pebble Bed Modular Reactor) is een type HTR, door helium gekoeld, die als voordeel o.a. zijn kleine en modulaire vermogen heeft. De PBMR behoort tot de zgn. ?vierde generatie? van toekomstige kernreactoren, waarvan het doel is om kernenergie aantrekkelijker te maken ten opzichte van momenteel in gebruik zijnde (tweede generatie) reactoren, in termen van veiligheid, afval, proliferatie en economische aspecten. Eerste generatie kernreactoren waren de prototype reactoren die voornamelijk in de jaren ?50 en ?60 werden gebouwd. Derde generatie reactoren worden gekenmerkt door evolutionaire verbeteringen ten opzichte van de momenteel in gebruik zijnde tweede generatie reactoren. Gehoopt wordt dat over enkele decennia vierde generatie reactoren op relatief grote schaal gecommercialiseerd kunnen worden (Generation-IV, 2003).
Daarbij is verondersteld dat de kerncentrale 8059 vollast draaiuren per jaar maakt en dat het langer openhouden van de kerncentrale Borssele vooral opwekking met gasgestookte centrales zal vervangen.

De inbedrijfname van een PBMR demonstratiecentrale in Zuid-Afrika is gepland in 2009 (zie http://www.pbmr.co.za/).

Huidige toepassing
Nederland heeft ??n in werking zijnde kerncentrale, Borssele (van het PWR type), met een jaarlijkse elektriciteitsproductie van ca. 4 TWh (ongeveer 4% van de totale elektriciteitsvraag in Nederland). Het beleid van het kabinet Paars-II was gericht op het sluiten van Borssele, in 2003. Het kabinet Balkenende-I heeft in haar Strategisch Akkoord aangegeven, vanuit het oogpunt van klimaatbeleid, de kerncentrale langer open te willen houden. Dit impliceert dat de kerncentrale Borssele vermoedelijk tot 2013 (mogelijk langer) in bedrijf zal blijven. Het openhouden van Borssele levert een CO₂-emissiereductie op van zo'n 1,4 Mton per jaar[3] (Ybema et al, 2002).

In het Westen is er sprake van stagnatie van de kernindustrie: terwijl in sommige landen gepland wordt om op termijn de bijdrage van kernenergie aan de nationale energievoorziening af te bouwen, wordt er in andere landen voorzichtig gedacht aan het bouwen van nieuwe centrales in de toekomst. In Azi? daarentegen - met name in China en India - worden momenteel verschillende kernreactoren gebouwd, en lijkt kernenergie, naast in deze landen, ook in bijvoorbeeld Japan (met een reeds grote kernindustrie ervaring) een significante lange termijn toekomst te hebben.

Ontwikkelingsfase en verbeteropties
De productie van elektriciteit via kernsplijting heeft de afgelopen decennia aanzienlijke operatie- en rendementsverbeteringen laten zien. De kernindustrie kan vandaag de dag een rijpe industrie genoemd worden. Ontwikkelingen aangaande kernenergie zijn met name gericht op vermindering van de risico?s die inherent aan deze optie verbonden zijn. Deze risico?s hebben betrekking op radioactief afval, reactorongevallen en het gevaar van proliferatie.

Kernafval
Blootstelling aan de straling van kernafval blijft gedurende millennia levensbedreigend. Langdurige opslag in geologische formaties zal daarvoor waarschijnlijk noodzakelijk zijn. Onzekerheden over de integriteit van containers en de stabiliteit van geologische formaties blijven echter vragen oproepen. Technologische en institutionele oplossingen kunnen het kernafval probleem beter beheersbaar maken. Zo wordt er onderzoek gedaan naar levensduurverkorting van langelevende radioactieve isotopen door middel van transmutatie en naar het gebruik van thorium als energiebron waarbij geen plutonium wordt geproduceerd of dat zelfs samen met plutonium kan worden ingezet. Het gebruik van een andere splijtstofcyclus, bijvoorbeeld ??n met kW_eekreactoren, zou de hoeveelheid afval kunnen reduceren, maar de economische verwachtingen hiervan zijn momenteel negatief. Afvalreductie vormt een van de punten van aandacht van het Generation-IV onderzoeksprogramma (Generation-IV, 2003).

Reactorongevallen
Sinds de ongelukken in Free Mile Island (Harrisburg) in 1979 en Tsjernobyl in 1986 is de kans op kernreactor ongevallen niet verdwenen, maar de kans erop is wel kleiner geworden door het toepassen van aanzienlijk veel meer veiligheidsmaatregelen. Tevens is de omvang van mogelijke gevolgen van een ongeval afgenomen doordat de reactorkern door middel van vele beschermingslagen van de buitenwereld wordt gescheiden. De kans op reactorongelukken kan nog kleiner gemaakt worden door een groter gebruik van passieve veiligheidskarakteristieken. Naast evolutionaire ontwikkelingen gebaseerd op bestaande ontwerpen kunnen er meer revolutionaire concepten gehanteerd worden, zoals de HTR, die een hogere inherente veiligheid vertegenwoordigen dan reactoren uit het verleden. Naast het toepassen van fysische eigenschappen waardoor de reactor veel minder gemakkelijk in een oncontroleerbare toestand kan geraken, wordt er bijvoorbeeld in de PBMR een grotere veiligheid verkregen door het type brandstof dat gebruikt wordt, waarin splijtstofdeeltjes in een sferische bal (?pebble?) van grafiet zijn opgeslagen.

Ook bij opwerking van gebruikte splijtstof kunnen zich stralingsongevallen voordoen. Verder moet sinds ?11 september? aandacht besteed worden aan de kans op terroristische aanslagen, bijvoorbeeld sabotage van de reactor of van de koelbaden buiten de reactor zelf.

Proliferatie
De civiele benutting van kernenergie heeft op meerdere manieren een relatie met het militaire gebruik ervan. Deze relatie betreft nucleaire kennis en onderzoeksfaciliteiten, verrijkingstechnologie, en het produceren van plutonium als splijtstof. De civiele toepassingen hiervan kunnen weglekken naar militaire doeleinden. Er zijn zowel technologische (bijvoorbeeld keuze reactortype of brandstofcyclus) als institutionele mogelijkheden (bijvoorbeeld versterking IAEA) om nucleaire proliferatie risico?s te verlagen, maar het is onwaarschijnlijk dat deze risico?s ooit geheel voorkomen kunnen worden.

Technische gegevens en kostenaspecten
De kosten van elektriciteit geproduceerd door middel van kernenergie worden voornamelijk bepaald door de investeringskosten benodigd voor het bouwen van een kerncentrale. De daaruit resulterende elektriciteitskosten blijken sterk afhankelijk te zijn van het land waarin de elektriciteit geproduceerd wordt, en blijken ook in tijd te (kunnen) veranderen (Lako en Seebregts, 1998). Een van de daarachter liggende redenen is de mate waarin een land over is kunnen gaan op standaardisatie van de productie van kernreactoren. De ?overnight? investeringskosten hebben een vrij grote bandbreedte, maar als centrale waarde kan realistisch 2000 ?/kW_e aangenomen worden. Dit bedrag is zo'n 2 tot 4 maal hoger dan de investeringskosten benodigd voor kolen of gasgestookte centrales. In Finland (Olikiluoto) zijn recent de contracten getekend voor de bouw van een nieuwe kerncentrale van het PWR type. De totale kosten van het project liggen nabij de 3 miljard euro. De kerncentrale heeft een vermogen van 1600 MW, hetgeen betekent dat de specifieke investeringskosten rond de 1875 ?/kW_e bedragen. Deze nieuwe kerncentrale in Finland moet in 2009 in bedrijf worden genomen (EnsocWeekly, 19 december 2003).

De kapitaalslasten voor kernenergie bedragen uitgaande van 2000 ?/kW_e, een economische levensduur van 20 jaar en 8%, en een load factor van 75% (conform Scheepers et al, 2003) 3,1 ? ct/kWh. Samen met onderhouds- en bedieningskosten van 1.5 ? ct/kWh, inclusief brandstofkosten, betekent dat een kostprijs voor elektriciteit uit kerncentrales van ca. 4,6 ? ct/kWh. In vergelijking met kolen en gasgestookte centrales zijn de hoge kapitaalslasten een nadeel, zeker in een liberale markt waarin een hogere investering meer risico betekent.

De concurrentiepositie van kernenergie in de toekomst zal met name afhangen van de mate waarin de kernindustrie, speciaal voor nieuw te ontwikkelen reactortypen, erin zal slagen kostenreducties te verwezenlijken. De concurrentiepositie van kernenergie zal verbeteren wanneer in de toekomst een belasting geheven gaat worden op de emissie van CO₂, dan wel een systeem van emissiehandel wordt ge?ntroduceerd. Terwijl onderhouds- en bedieningskosten voor kernenergie relatief hoog zijn met betrekking tot vergelijkbare posten voor fossiele brandstof gestookte centrales, zijn brandstofkosten laag voor kernenergie. De kosten van elektriciteit uit kernenergie zijn dan ook nauwelijks afhankelijk van fluctuaties in brandstofkosten (zoals wel het geval is bij olie en aardgas).

Bij kernenergie zijn kosten verbonden aan de gehele splijtstofcyclus, die ook de ?back-end? (verwerken en/of opbergen van kernafval) omvat. Bij reactoren van het type PWR en BWR bestaat de mogelijkheid om gebruikte brandstof, die na verbranding uit de reactor komt, op te werken. De daarbij vrijkomende uranium en plutonium kunnen weer in de splijtstofcyclus worden ingezet. Dit levert een vermindering op van het gebruik van (natuurlijk) uranium en een reductie van het resterende volume langlevend radioactief kernafval. De kosten van de splijtstofcyclus in geval van opwerken zijn echter significant hoger dan in het geval van de zgn. ?once-through cycle? (Bunn et al., 2003). Deze laatste wordt daarom vooralsnog door veel landen niet toegepast 

Bron: ECN-rapport ECN-C--04-020, 2004