skyline photography of nuclear plant cooling tower blowing smokes under white and orange sky at daytime

Waarom de wereld kernenergie nodig heeft

We voeden de 21e eeuw met 18e-eeuwse energie-technologie. Dat heeft rampzalige gevolgen voor ons milieu. We hebben deze problemen veel te lang genegeerd. Er zijn veel mogelijke manieren om dit probleem aan te pakken, maar kernenergie heeft de bewezen staat van dienst en de flexibiliteit om een integrale hulpbron te zijn in de strijd tegen klimaatverandering.

De geschiedenis van de energie

Al duizenden en duizenden jaren maken mensen gebruik van de kracht van de natuur om energie te leveren om onze beschaving voort te stuwen. Door gebruik te maken van vuur kregen we de mogelijkheid om voedsel te koken, warmte en onderdak te verschaffen en ons te beschermen tegen roofdieren.

Later temden we verschillende dieren en gebruikten hun werk om taken uit te voeren die voor mensen te zwaar of te inefficiënt zouden zijn. Uiteindelijk werden natuurlijke krachtbronnen, zoals de wind, door middel van windmolens gebruikt om molenstenen te laten draaien, waarmee graan werd gemalen zonder enige menselijke inbreng.

Een enorme transformatie vond plaats tijdens de Industriële revolutie, toen we natuurlijke bronnen, zoals windmolens, stoomopwekkende verbrandingsprocessen en zelfs stromend water begonnen te gebruiken om turbines te laten draaien, waarmee stroom werd opgewekt en elektriciteit werd geleverd.

In de energiebehoeften van de wereld van de huidige tijd wordt nog steeds hoofdzakelijk voorzien door dezelfde processen, waarbij niet-hernieuwbare fossiele brandstoffen zoals kolen, olie en gas het grootste deel van het energieverbruik op aarde voor hun rekening nemen. We voeden een beschaving uit het ruimtetijdperk met dezelfde fossiele brandstoffen die in het ijzertijdperk werden gebruikt.

De enorme milieuproblemen van de traditionele aanpak

De werking van een conventionele, op chemicaliën gebaseerde energiecentrale is eenvoudig en ongecompliceerd. Een brandstofbron wordt verbrand, waarbij energie vrijkomt, die water opwarmt en doet koken, waardoor stoom ontstaat. Die stoom laat een turbine draaien, die elektriciteit opwekt, die wordt gebruikt om stroom te leveren voor de doeleinden waar vraag naar is.

Deze manier om grote hoeveelheden energie op te wekken heeft tot enorme milieuproblemen geleid. De eindproducten van het verbranden van deze brandstofbronnen de chemische samenstelling van de atmosfeer en de oceanen van de aarde fundamenteel en aanzienlijk veranderd, wat heeft geleid tot de opwarming van de aarde, verzuring van de oceanen en andere klimaatgerelateerde effecten.

Het bewijs dat dit is gebeurd is overweldigend, en het is een probleem dat we blijven verergeren met de dag. Naarmate meer fossiele brandstoffen op basis van koolwaterstoffen worden verbrand, stijgt de concentratie kooldioxide (CO₂) in de atmosfeer van de aarde. Die is gestegen van een pre-industrieel niveau van ongeveer 270 deeltjes per miljoen tot een modern niveau van ongeveer 410 deeltjes per miljoen: een stijging van iets meer dan 50% in minder dan 300 jaar.

Deze toename van kooldioxide (CO₂) breidt zich ook uit tot de oceaan, waar kooldioxide zich met water verbindt tot koolzuur, waardoor de pH (een maatstaf voor de zuurgraad) van onze oceanen op wereldwijde schaal verandert.

Maar het meest urgente probleem is de opwarming van de aarde die het gevolg is van deze extra hoeveelheid kooldioxide (CO₂). Onze gemiddelde temperatuur is met 0,98 °C gestegen sinds we in 1880 begonnen met het nauwkeurig meten van de temperatuur, en die stijging is versneld, met een stijging van 0,18 °C per decennium in de afgelopen 39 jaar.

Lees ook: olivijn, de steen die CO₂ absorbeert

Er is nog geen schoon alternatief

Er zijn veel verschillende benaderingen voorgesteld om dit probleem aan te pakken. Elke duurzame langetermijnoplossing moet één belangrijk onderdeel omvatten: een overgang naar energiebronnen die niet resulteren in extra kooldioxide- of CO₂-emissies.

De meeste ideeën die naar voren zijn gebracht richten zich op hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie. Een van de grote bezwaren tegen deze energiebronnen is dat ze niet controleerbaar zijn. Als het niet waait, genereer je geen windenergie; als het niet zonnig is, of als het nacht is, daalt de opbrengst van je zonnepanelen enorm.

Alle stroom die op een willekeurig moment wordt gebruikt moet op vrijwel datzelfde moment ergens worden opgewekt. Gebeurt dat niet, dan kunnen grote stroomstoringen optreden. Grootschalige opslag van opgewekte elektriciteit zou een oplossing kunnen zijn om die pieken en dalen op te vangen, maar zover zijn we technisch nog lang niet.

Dat betekent dat we geen netstabiliteit kunnen krijgen met duurzame energiebronnen. Van duurzame opwekkers als windmolens en zonnepanelen weet je nooit exact wanneer ze elektriciteit leveren, daar kun je geen betrouwbaar en stabiel hoogspanningsnet mee in de lucht houden. 

Een veelgenoemde andere optie is gas- of biomassacentrales, waarbij de uitgestoten CO₂ wordt opgevangen en weer onder de grond wordt gestopt, een techniek die Carbon Capture and Storage (CCS) heet. Dat vereist dat we elk jaar miljoenen tonnen CO₂ in de grond, waarschijnlijk de zeebodem, stoppen.

Dat kost veel energie en geld, een zuivering van CO₂, pijpleidingen en een plek waar we de dioxide in de zeebodem injecteren. Er zijn nog geen realistische plannen voor gemaakt. Ook andere opties zoals ‘groene’ waterstof worden besproken. Deze lijken echter niet binnen afzienbare tijd ingeschakeld te kunnen worden.

Waarom kernenergie een serieuze optie is

De meest interessante kandidaat om het energieprobleem in één keer op te lossen is kernfusie, maar een goede toepassing daarvan zal zeker nog decennia op zich laten wachten. Kernsplitsing is op dit moment het enige stabiele alternatief. Deze kernenergie, opgewekt in kernscentrales. heeft al bewezen dat het een betrouwbaar is en dat het veel ‘groener’ is dan traditionele methoden. Het nadeel: kernenergie heeft een serieus slechte reputatie:

Lees ook: Kernfusie als antwoord op de klimaatcrisis

  • Er kunnen rampen die verband houden met radioactiviteit plaatsvinden, zoals de beruchte ramp in Tsjernobyl in 1986.
  • Kernsmelting is een risico, zoals in Three Mile Island in 1979.
  • Een slecht ingeperkte reactor op kan ertoe leiden dat radioactieve afvalstoffen het nabijgelegen milieu besmetten, zoals in Fukushima in 2011 gebeurde.

Ondanks deze nadelen en deze incidenten is kernenergie veiliger dan elke andere grootschalige energiebron die in de loop van de menselijke geschiedenis is gebruikt. De eerste kernreactoren voor grootschalige energieopwekking werden midden jaren vijftig in gebruik genomen en in die tijd zijn er in totaal meer dan 17.000 reactorjaren (waarbij één kernreactor die een jaar in bedrijf is gelijk staat aan één reactorjaar) geweest, verspreid over 33 landen. De drie voornoemde incidenten zijn de enige grote incidenten die in al die tijd zijn gedocumenteerd.

In de Europese Unie hebben 224 kernreactoren nu samen al ruim 6.500 jaar lang stroom op staan wekken, zonder één serieuze calamiteit. Het ernstigst was een moeilijk beheersbare brand in een reactorkern in Windscale in 1957, toen we nog niet goed bezig waren met veiligheid. Door die brand kwam een flinke hoeveelheid radioactiviteit vrij. Ondanks onderzoek is sindsdien niets gebleken van gezondheidseffecten op het personeel van de centrale of de omwonenden.  

Toch denken mensen bij kernenergie meestal aan grote rampen, of aan het gevaar van een kernoorlog, de gevaren van radioactief afval en de vernietigende kracht van de atoombom, in plaats van aan de veilige, efficiënte en groene energiebron die kernenergie in feite is.

De wetenschap achter kernenergie

Gelukkig is de wetenschap achter kernenergie eigenlijk eenvoudig. Het gaat om een goed begrepen proces dat zich binnenin het atoom afspeelt en dat enorme hoeveelheden energie kan opwekken, genoeg om eeuwenlang in onze wereldwijde energiebehoeften te voorzien, zonder de vervuilende neveneffecten van fossiele brandstoffen:

  • In conventionele brandstoffen (op chemische basis) treden reacties op tussen de elektronenconfiguraties van verschillende atomen, waarbij tot ~0,0001% van de massa van de brandstof als energie vrijkomt.
  • Bij reacties op nucleaire basis worden de atoomkernen zelf gesplitst, waarbij ongeveer ~1000 maal zoveel energie vrijkomt voor dezelfde hoeveelheid brandstof. Met name splijtbaar materiaal (zoals uranium-235) heeft slechts één eenvoudig ingrediënt nodig – een neutron dat de kern kan absorberen – om een splijtingsreactie op gang te brengen.

Hoewel ook andere brandstoffen kunnen worden gebruikt, is het goede nieuws van kernenergie dat zij zichzelf in stand houdt: elke U-235 kern die een neutron absorbeert, zendt op zijn beurt drie nieuwe neutronen uit wanneer hij uiteenvalt, waarbij energie vrijkomt en de reactie in stand wordt gehouden.

Zolang er voldoende neutronen in contact blijven met splijtbaar materiaal, zal de reactie plaatsvinden. Hierbij komt warmte vrij, die wordt gebruikt om water te koken, stoom op te wekken en een turbine te laten draaien, net als in een reactor op chemische basis. Alleen wordt er bij kernenergie geen CO₂-afval geproduceerd.

De energieopbrengst van kernenergie is volledig controleerbaar:

  • Als je meer of minder regelstaven inbrengt, absorbeer je meer of minder van de beschikbare neutronen, waardoor de wisselwerking met de splijtstof verandert.
  • Als je de temperatuur verhoogt, verhoog je de reactiesnelheid; als je de temperatuur verlaagt, daalt de reactiesnelheid.
  • De aanwezigheid van een medium, zoals water, kan ook als neutronenabsorber fungeren, maar daar hangt een prijskaartje aan: je krijgt getrititreerd water, dat zelf gedurende enkele tientallen jaren radioactief is.

Lees ook: Thorium als nucleaire brandstof: de voordelen en nadelen

De echte risico’s van kernenergie

Veel mensen zijn bang voor het risico van een nucleaire explosie. Gelukkig is het risico van een kernexplosie absoluut nihil als het om een kerncentrale gaat. De brandstof die in elke kernreactor wordt gebruikt is niet voldoende verrijkt om een op hol geslagen kettingreactie mogelijk te maken. Het materiaal is niet in staat om een nucleaire explosie te veroorzaken.

Er zal wel nucleair afval geproduceerd worden. Een deel daarvan zal nuttig zijn voor hergebruik, zoals het plutonium dat wordt gebruikt in thermo-elektrische verwarming en energieopwekking voor diepe ruimtemissies, terwijl ander materiaal zoals getritityleerd water zal moeten worden opgeslagen en beheerd.

World Nuclear Association: Radioactief afval komt naar buiten als hoogradioactief afval, dat gewoonlijk ~5 jaar onder water moet worden opgeslagen, gevolgd door ~45 jaar droge opslag, zodat de radioactiviteit en de hitte kunnen afnemen, en tegen die tijd is het laag-niveau afval geworden, dat verpakt en ondergronds opgeslagen kan worden voor langdurige berging.

Een toekomstvisie met kernenergie

We kunnen volledig overschakelen op kernenergie in minder dan 20 jaar. De bouw van een nieuwe reeks reactoren om de wereld van energie te voorzien vergt een langdurige investering. Nieuwe centrales, reactoren, koeltorens, moeten allemaal worden gebouwd. Er moeten voldoende hoeveelheden splijtstof worden gedolven, gewonnen en geraffineerd. Er moeten toeleveringsketens worden opgebouwd en er moet voortdurend aandacht worden besteed aan afvalbeheer. Bovenop de bestaande infrastructuur die we vandaag hebben, zal dit een enorme en langdurige investering van middelen vergen.

Maar het resultaat mag er zijn. Hoewel de mensheid er tot nu toe, op zijn zachtst gezegd, slecht in is geslaagd de klimaatcrisis aan te pakken, kan dat allemaal veranderen:

  • kolen-, gas-, en oliecentrales kunnen worden vervangen door nucleaire centrales,
  • onze op benzine gebaseerde auto-infrastructuur kan worden vervangen door elektrische energie,
  • industriële, commerciële, en residentiële warmte en energiebehoeften kan worden vervangen door elektrische in plaats van fossiele brandstoffen

Zo kunnen we meer dan 80% van ons gebruik van fossiele brandstoffen elimineren, inclusief praktisch alle niet-duurzame brandstoffen. We kunnen de wereld transformeren voor een langetermijnrendement met een korte -maar aanzienlijke- initiële investering.

Jarenlang hebben we het verhaal over kernenergie laten bepalen door angst, in plaats van door feiten. Terwijl het conventionele verhaal rond kernenergie zich concentreert op de weinige rampen die zich hebben voorgedaan, vertelt de staat van dienst van kernenergie een ander verhaal: één van ongeëvenaarde veiligheid, succesvol afvalbeheer, en overvloedige, betaalbare, groene energie.

Als we onze diepgewortelde vooroordelen tegen kernenergie kunnen overwinnen, kunnen we misschien een van de grootste problemen in de wereld voor de komende generatie oplossen. Dat betekent niet dat we voor altijd aan deze energiebron vastzitten. Mogelijk hebben we over vijftig of honderd jaar een kernfusiecentrale, of hebben we het probleem van opslag van elektriciteit opgelost en kunnen we betrouwbare energie van alleen maar zon en wind leveren.