ONDERZOEKS- JAARVERSLAG 2015
INHOUD ONDERZOEKSJAARVERSLAG 2015 Introductie 5 Nucleaire veiligheid 7 Stralingsbescherming 9 Verwerken en bergen radioactief afval 10 Geavanceerde nucleaire technologie 13 Kennisopbouw en -transfer 15 COLOFON Teksten en productie Art de Vos, Krimpen a/d IJssel Afdeling Communications NRG Fotografie Hein van den Heuvel, Amsterdam Vormgeving Axioma Communicatie, Baarn NRG ONDERZOEKSJAARVERSLAG 2015
NUCLEAR RESEARCH AND CONSULTANCY GROUP De Nuclear Research and consultancy Group (NRG) is dé nucleaire dienstverlener van Nederland. NRG voor ziet in de maatschappelijke behoefte aan hoogwaardig nucleair onderzoek en innovatie. Voor de wereldgezondheidszorg is NRG de veilige en betrouwbare nucleaire isotopenproducent. Daarnaast is NRG de deskundige en betrouwbare consultant en dienstverlener voor organisaties die met nucleaire technologie of radioactieve producten werken. Het marktaandeel in de wereldwijde levering van medische isotopen is circa 30%. Dagelijks worden bijna 25.000 patiënten geholpen met reactormedicijnen van NRG. NRG heeft in Nederland vestigingen in Petten en Arnhem en ruim 400 medenemers. 3
NRG ONDERZOEKSJAARVERSLAG 2015 4
INTRODUCTIE NRG verricht namens de Nederlandse samenleving onderzoek om de Nederlandse nucleaire kennis in stand te houden, uit te breiden en uit te dragen. Het Nederlandse nucleaire onderzoek staat al jaren op hoog niveau en heeft internationaal aanzien. Het nucleair onderzoek dat NRG uitvoert, is ook maatschappelijk relevant: in de medische en energie sector wordt dagelijks gebruik gemaakt van nucleaire technologie. Opdrachtgever is de Nederlandse overheid. De financiële middelen worden jaarlijks afgestemd met het Ministerie van Economische Zaken. De Nederlandse overheid stelt vier prioriteiten: 1. Het waarborgen en continu verbeteren van nucleaire veiligheid 2. Het beschermen van mens en milieu tegen straling 3. Het optimaliseren van oplossingen voor radioactief afval 4. Het realiseren van een CO 2 -arme energievoorziening NRG richt zich vooral op toegepast onderzoek, waarbij nadrukkelijk de verbinding tussen experimenten en simulaties gezocht wordt. Daarnaast participeert NRG namens ons land in toekomstgerichte Europese en internationale onderzoeks programma s en projecten. Bijvoorbeeld het Horizon 2020 programma van de Europese Commissie dat ook Europees nucleair onderzoek en innovatie stimuleert. Horizon 2020 loopt sinds 1 januari 2014 met een totaalbudget van ongeveer 80 miljard tot 2020. NRG levert daarin vooral bijdragen aan het vergroten van de nucleaire veiligheid van bestaande en nieuwe generaties kerncentrales. Het publieke toegepaste onderzoek van NRG is grofweg te verdelen in: Het modelleren en simuleren van nucleaire processen en het opstellen van aanbevelingen daaromtrent. Voorbeelden daarvan zijn studies naar het gedrag van de kern en de integriteit en de mechanische eigenschappen van het koelsysteem Experimenteel onderzoek in de Hoge Flux Reactor (bestralingen) en laboratoria (nabestralingsonderzoek) gericht op het verkrijgen van gegevens over het gedrag van splijtstof en materialen die langdurig aan straling blootgesteld worden. Het voorlichten van pers en publiek over het internationale onderzoekswerk van NRG. Naast het in dit verslag beschreven publiek gefinancierde onderzoek is NRG commercieel actief met onderzoeksopdrachten uit de private sector. NRG werkt uiteraard voor de nucleaire industrie, maar ook onder meer voor de olie- en gasindustrie en de medische sector. Daarnaast worden in de HFR op grote schaal medische isotopen geproduceerd voor de (internationale) nucleaire geneeskunde. 5
NUCLEAIRE VEILIGHEID In de nucleaire industrie heeft veiligheid overriding priority. Alles draait om het veilig ontwerpen en bedrijven van nucleaire installaties en het veilig omgaan met radioactieve processen en stoffen. Long Term Operations Op veel plaatsen in de wereld worden bestaande kerncentrales langer in bedrijf gehouden. Vanzelfsprekend gebeurt dit alleen als de veiligheid aantoonbaar kan worden gewaarborgd. NRG levert de kennis en de kunde waarmee de veiligheid van kerncentrales tot enkele decennia na de beoogde economische levensduur kan worden aangetoond. Eén van de gebeurtenissen die de levensduur van een reactor sterk kunnen beïnvloeden, is de zogenaamde pressurized thermal shock (PTS). Dit is de specifieke omstandigheid, waarbij abrupt relatief koud noodkoelwater in een warme reactor wordt gebracht. De plotselinge verandering van temperatuur heeft gevolgen voor de mechanische eigenschappen van het reactorvat. De industrie wil het tamelijk willekeurige gedrag van dit koelwater en de warmteoverdracht in de reactor graag kunnen voorspellen. Daarom heeft NRG in 2015 met behulp van breukmechanica en Computational Fluid Dynamics-(CFD) simulatietechnieken gewerkt aan een beoordelingsinstrument en een methode om de onzekerheidsmarges rond de uitkomsten te kunnen berekenen. Voor de benodigde (enorme) rekencapaciteit is internationale samenwerking op dit gebied noodzakelijk. NRG werkt samen met een Poolse partner waar inmiddels simulatieberekeningen worden uitgevoerd. Om van voldoende rekencapaciteit verzekerd te zijn, wordt komende jaren ook meer samenwerking gezocht met de internationale nucleaire industrie en onderzoekswereld. Naast computersimulaties heeft NRG ook breukmechanisch materiaalonderzoek verricht. Een schaalmodel van een component werd blootgesteld aan PTS. De uitkomsten van deze berekeningen zijn gebruikt voor de verbetering van faalkansberekeningen voor materialen als gevolg van PTS. Een ander van de vele aspecten die de levensduur van een kernreactor bepalen, zijn vermoeiingsverschijnselen in het primair systeem. Bij vermoeiing gaat het om voortschrijdende degradatie van materiaal als gevolg van gebruik. Denk aan de interactie van staal van het primair systeem van een kerncentrale met het koelmiddel. NRG heeft meerdere methoden die dit effect kunnen voorspellen met elkaar vergeleken en vervolgens vastgesteld dat de resultaten nogal gespreid zijn. Het blijkt dat de gebruikte methodes uitsluitend zijn gebaseerd op een beperkte hoeveelheid gegevens uit laboratoriumtests. NRG heeft deze bevinding recentelijk gemeld op een internationaal congres. Op het gebied van thermische vermoeiing zijn deze praktijkgegevens wél voorhanden. In 2015 is gekeken of deterministische gegevens uit de kerncentrale Borssele kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van een CFD computermodel. CFD staat voor Computational Fluid Dynamics, in het Nederlands numerieke stromingsleer. Er zijn enkele CFD-berekeningen met een relatief grof rekenrooster uitgevoerd die werden vergeleken met praktijkgegevens. Met een relatief grof rekenrooster kunnen praktijksituaties met langdurende schommelingen worden berekend binnen afzienbare rekentijd. Omdat er verschillen werden vastgesteld tussen deze computerberekeningen en de praktijk, wordt in 2016 meer onderzoek gedaan. Als het lukt theoretische uitkomsten en praktijkgegevens dichter bij elkaar te brengen, kan gedacht worden aan uitbreiding van het model. Uiteindelijk kan een CFD-model opgesteld worden dat thermische vermoeiing in drukwaterreactoren zoals die van Borssele kan voorspellen. Als staal lang blootstaat aan een hoge temperatuur in combinatie met een hoog stralingsveld, kan verbrossing en verharding optreden. Dit kan de levensduur van een kerncentrale beperken en zelfs leiden tot breuk en tot het falen van componenten in een reactorvat. NRG concentreert zich al enkele jaren op het effect van temperatuur en straling op het gedrag van bouten die in en aan het reactorvat worden gebruikt. Internationaal is er veel aandacht voor dit (modellerings) onderzoek. NRG slaagt er steeds beter in om theoretische (simulatie)berekening in overeenstemming te brengen met empirische gegevens. Naast de mogelijkheid van breuk lijkt er ook een 7
NUCLEAIRE VEILIGHEID kans te zijn dat een boutverbinding op termijn door deze stressverschijnselen losraakt. In 2016 zal NRG vooral verder werken aan de mogelijkheid om dit gedrag te voorspellen. Naast het hierboven beschreven modelleerwerk, versterkt NRG haar experimentele competenties om het gedrag van een reactorvat voorbij de verwachte veertig productiejaren te voorspellen. NRG maakt daarvoor gebruik van een serie onbestraalde en in praktijkomstandigheden bestraalde reactorvatstaalmonsters. Het bestraalde en onbestraalde staal wordt binnen een meerjarenprogramma samen met internationale partners onderzocht. De goed gedocumenteerde monsters worden gekarakteriseerd door langs experimentele weg de mechanische eigenschappen zoals de breuksterkte van de monsters te bepalen. Met behulp van de elektronenmicroscoop wordt de microstructuur beschreven. Vaststaat in ieder geval dat alleen thermische veroudering een verwaarloosbaar effect heeft op de microstructuur en mechanische eigenschappen van het onderzochte reactorvatstaal. Veiligheidsevaluaties De reactorinsluiting en de veiligheidssystemen van een kerncentrale moeten bij een waterstofexplosie altijd intact blijven. Deze faalden in Fukushima waar waterstofexplosies het ongeval uiteindelijk verergerden. Er is daarom kennis nodig van de drukgolf na een waterstofexplosie. Er is in 2015 door NRG veel onderzoek gedaan naar de betrouwbaarheid en de praktische bruikbaarheid van de bestaande computermodellen. Waar deze tekortschieten, werkt NRG aan verbeteringen. Ook werkt NRG met internationale partners aan de ontwikkeling van geavanceerde ontbrandingsmodellen voor verschillende waterstofmengsels. In 2015 leidde de inspanning van NRG tot de validatie van CFD-waterstofmodellen voor een tweetal bestaande kerncentrales. Ook een les van Fukushima: opgeslagen gebruikte splijtstof in het splijtstofopslagbassin is kwetsbaar tijdens ongevalsomstandigheden. NRG heeft in 2015 met twee verschillende rekencodes het verlies van koeling in het opslagbassin van Fukushima-reactor 4 doorgerekend. Dit onderzoek was onderdeel van een internationale benchmark. Uit een internationale benchmark blijkt dat de simulatiemethodiek die NRG heeft ontwikkeld, NRG ONDERZOEKSJAARVERSLAG 2015 8
NUCLEAIRE VEILIGHEID zeer natuurgetrouw is en zich goed kan meten met de wereldtop op dit gebied. NRG werkt samen met de OECD en de industrie aan de verbetering van de stabiliteit van de bedrijfsvoering van kerncentrales. NRG draagt bij door opgetreden complexe bedrijfsvoeringsomstandigheden die geleid hebben tot reactorafschakelingen, te analyseren. Naast het verkrijgen van meer inzicht in de onderliggende processen, zullen de uitkomsten bijdragen aan aanbevelingen voor een nog stabielere bedrijfsvoering met minder reactorafschakelingen. Bij kernsplijting in de reactor komt veel warmte vrij die met behulp van koelmiddel wordt afgevoerd. De industrie heeft daarom grote interesse in het gedrag van koelmiddel rond de splijtstofelementen. NRG levert en ontwikkelt veel know-how over de praktijkomstandigheden rond splijtstofelementen in een werkende reactor. Uit een internationale benchmark blijkt dat de simulatie die NRG heeft ontwikkeld, zeer natuurgetrouw is en zich goed kan meten met die van de concurrenten. Heel specifiek is NRG door de industrie gevraagd de interactie van vloeistof (koelmiddel) en structuren (splijtstofelementen) te bestuderen. Aanleiding is een praktijkvoorval waarbij splijstofstaven in het bedrijfsomstandigheden gingen vibreren. De industrie wil graag meer kennis over de mechanismes achter dit fenomeen en stelt data beschikbaar waarmee NRG de simulatiemethodes verder kan ontwikkelen en valideren. Innovatie Uitval van (nood)stroom in een kerncentrale kan tot problemen leiden bij het koelen van de kern. Dat kan uiteindelijk resulteren in een kernongeluk. NRG werkt aan passieve veiligheidssystemen die ook in het geval er in ongevalsomstandigheden geen elektriciteit beschikbaar is, in werking treden. In 2015 onderzocht NRG de mogelijkheden om temperatuurverschillen tussen verschillende compartimenten binnen de veiligheidsomhulling van een kerncentrale in ongevalsomstandigheden te benutten voor elektriciteitsopwekking. Er vond samen met ECN een verkenning plaats van energieconversie-technieken die hiervoor in aanmerking komen. Hieruit kwamen een eenvoudige stoomcyclus met een stoomturbine en de Stirling zuigermotor als kansrijk naar voren. Hoewel het om een voorloperstudie ging, blijkt nu al dat deze eenvoudige, zelfstartende systemen de ontwikkeling van een nucleair ongeval aanzienlijk kunnen vertragen of zelfs voorkomen. In 2016 zal een gedetailleerdere haalbaarheidsstudie volgen. Digitale besturing van kerncentrales is in opkomst als vervanging van de tot nu toe gangbare analoge bediening. NRG verricht veel werk aan het vaststellen van de betrouwbaarheid van digitale instrumentatie. Zo was NRG in 2015 betrokken bij het opstellen van de specificaties waaraan digitale bediening moet voldoen. Dit werk voor de standaardisatiecommissie (NL/NEC45) loopt door in 2016. De faalkansberekening van digitale systemen is bijzonder ingewikkeld. Dat komt door de dynamische architectuur van de software die er op is gericht zijn functionaliteit te behouden bij gedeeltelijk falen. NRG heeft via een promovendus onderzocht in hoeverre gebruikelijke foutboom-methodes hiervoor bruikbaar zijn in relatie tot de Probalistic Safety Analysis (PSA) die in kerncentrales wordt toegepast. Het ziet er veelbelovend uit, maar de stap naar de praktijk moet nog worden gezet. NRG draagt als chapter leader bij aan het levende European Utility Requirements document. Hierin liggen de voortdurend verder evoluerende veiligheidseisen vast waaraan kerncentrales moeten voldoen. NRG droeg onder meer bij aan de specificaties op het gebied van instrumentatie en bediening van bestaande en nieuw te bouwen kerncentrales. Splijtstof in de reactor staat bloot aan een combinatie van een hoog neutronenveld en hoge temperaturen. In dit verband is het nuttig om te weten wat het effect hiervan is op de kwaliteit en het gedrag van de splijtstof. Daarom onderzoekt NRG kruip in splijtstof. Om ingewikkeld en langdurig experimenteren in de HFR te beperken, heeft NRG in 2015 een efficiëntere on-line methode in de pilot-fase gebracht. De hulpmiddelen die hiervoor zijn ontwikkeld, bleken in de testomgeving goed te werken. Daarna werd er meteen doorgegaan met opschaling naar een experiment met splijtstofbestraling in de Hoge Flux Reactor. Inmiddels zijn de eerste praktijktests achter de rug. Tot een temperatuur van 700 oc zijn de on-line metingen accuraat gebleken; het doel is de 1.200 oc te halen waarvoor nog aanpassingen nodig zijn. Ook zal in 2016 worden vastgesteld of de vanuit de reactor live doorgestuurde digitale onderzoeksbeelden (neutron imaging) van het gedrag van splijtstof voldoende gedetailleerd zijn. Daarnaast staat er voor 2016 nabestralingsonderzoek gepland om de integriteit en het gedrag van de hulpmiddelen te onderzoeken en deze verder te vervolmaken waarna het volwaardige praktijkonderzoek kan starten. 9
STRALINGSBESCHERMING In de nucleaire industrie is alles gericht op het vermijden van onnodige blootstelling aan straling en contact met radioactieve stoffen. Kennen is kunnen en meten is weten zijn de leidraad. Dosimetrie Professionals die werken met radioactieve processen en stoffen dragen een dosimeter die hun persoonlijke blootstelling aan straling registreert. Deze gebruikers hechten grote waarde aan snelle rapportage. In 2015 is een prototype ontwikkeld van een volgende generatie dosimeter die betrouwbare, frequentere en meer gepersonaliseerde terugkoppeling geeft over de opgelopen dosis. Door een nauwe praktijksamenwerking zijn in het lopende jaar al enkele verbeteringen doorgevoerd. Dit onderdeel van het programma loopt door in 2016. Een in 2014 begonnen pilot van een nieuw type ooglensdosimeter is in 2015 in twee ziekenhuizen in de praktijk gebracht. De verwachting is dat een beter draagcomfort de acceptatie van dit type ooglensdosimeter verhoogt. Evaluatie vindt plaats begin 2016, verbeteringen (waaronder het draagcomfort) worden in de tweede helft van 2016 doorgevoerd. Zowel bij een zeer hoog als een zeer laag stralingsveld kunnen dosisregistraties inaccuraat worden. Daarom onderzocht NRG in 2015 de mogelijkheid om (ook vooraf) de dosisrespons te kunnen berekenen met behulp van gammaspectroscopie. In 2015 zijn metingen en berekeningen uitgevoerd voor blootstelling aan een gekalibreerde bron met één radioactief nuclide. Er werd gebruik gemaakt van een aantal verschillende dosismeters en één type gammaspectrometer. De resultaten uit 2015 zijn aanleiding voor een vervolgstudie die buiten dit onderzoeksprogramma uitgevoerd zal gaan worden. Meten is weten In 2015 heeft NRG gewerkt aan het effectiever maken van de methode waarmee uranium in urine kan worden gemeten. Gebleken was dat de gangbare methode grote afwijkingen in de meetresultaten laat zien. Er werd een viertal mogelijkheden voor het verkleinen van de bandbreedte van de resultaten voorgesteld. Eén daarvan is in meer detail onderzocht. Het effect op de menselijke gezondheid van thoron- en radon-exhalatie uit beton wordt zeer waarschijnlijk onderschat. NRG werkt al langer aan het ontwikkelen van een snelle en directe techniek om in één meting de exhalatie vast te stellen van zowel thoron als radon. In 2015 is een serie (snelle) directe metingen uitgevoerd en vergeleken met de uitkomsten van indirecte (langzame) metingen. De uitkomsten waren overeenkomstig. In 2016 zal met de nieuwe techniek deel worden genomen aan een internationaal ringonderzoek om de bevindingen te kunnen staven. In 2013 ontwikkelde NRG een toolkit voor in-situ classificatie van Naturally Occurring Radioactive Material (NORM). In 2015 is deze verder verfijnd, en is tegelijkertijd geconstateerd dat de grens nu lijkt te zijn bereikt. Verder verkleinen van de statistische onzekerheidsmarge is niet realistisch. Afscherming Medisch personeel loopt de kans te worden blootgesteld aan straling uit medische installaties. NRG werkt sinds 2014 aan een 2D-rekenapplicatie waarmee de dosis rond (strooi)stralingsbronnen en röntgen- en CT-toestellen kan worden berekend. Met dit rekenmodel kan vervolgens ook vastgesteld worden waar en op welke wijze adequate afscherming gerealiseerd kan worden. Het doel is om blootstelling van het personeel en de omgeving te minimaliseren. In 2015 is deze verder verfijnd, en is tegelijkertijd geconstateerd dat de grens nu lijkt te zijn bereikt. Verder verkleinen van de statistische onzekerheidsmarge is niet realistisch. Gegeven de onzekerheden die in de praktijk altijd een rol spelen (zoals de transmissie van de gebruikte bouwmaterialen) NRG ONDERZOEKSJAARVERSLAG 2015 10
STRALINGSBESCHERMING bleken de uitkomsten van het model acceptabel. Duidelijk is dat uitbreiding van het model met transmissiewaardes voor meer bouwmaterialen de gebruikers van het model zeer zouden helpen bij het berekenen van stralingsafscherming. Om de betrouwbaarheid verder te vergroten, moeten daarom de transmissiegegevens voor meer bouwmaterialen worden bepaald. In 2015 heeft NRG voor vier bouwmaterialen gegevens bepaald en toegevoegd aan het model, waaronder baksteen. Stralingsbescherming en -veiligheid In 2015 startte NRG met de ontwikkeling van tools voor (grotere) bedrijven met een kernenergiewetvergunning die hun veiligheidscultuur naar een hoger niveau willen brengen. Reden zijn de ontwikkelingen bij de International Radiation Protection Association (IRPA) die bezig is met de harmonisatie van een internationale Radiation Protection Culture. Er werd een workshop gehouden met 35 expert-deelnemers van de Nederlandse Vereniging van Stralingsbescherming (Dutch Society for Radiation Protection) die grote interesse heeft in dit onderwerp. Door de gebeurtenissen in Fukushima is er veel aandacht voor de verspreiding van en blootstelling aan radio activiteit in water. NRG werkt in internationaal verband aan de verbetering en uitbreiding van beschikbare modellen waarmee uitspraken gedaan kunnen worden over de verspreiding van radioactiviteit in het milieu en opname door organismes. Deze modellen zijn in 2015 verder geschikt gemaakt en op onderdelen getest en gevalideerd. Uitkomsten van de modellen zijn gebruikt om vast te stellen wat het (gepostuleerde) effect van het kernongeluk is op de collectieve dosis van de Japanse bevolking als gevolg van het kernongeluk in Fukushima (als je geen maatregelen zou treffen). De berekeningen laten een piek zien voor de collectieve dosis in 2011, het jaar van de ramp. Het effect bij de consumptie van vis in Korea en China is, ook in 2011, daarentegen verwaarloosbaar. 11
VERWERKEN EN BERGEN RADIOACTIEF AFVAL Nucleaire technologie kent veel toepassingen: van energieopwekking en meettechniek tot medische diagnostiek en behandeling. Ook sectoren met niet-nucleaire activiteiten kunnen in hun bedrijfsvoering te maken krijgen met radioactief afval. Denk aan offshore en erts- en mineraalverwerkende industrieën. Ook hun afvalstromen vereisen zorg en aandacht. Alle inspanningen zijn erop gericht dat de radioactieve reststoffen mens en milieu zo min mogelijk belasten. Ondergronds bergen Voor het onderzoek naar de eindberging van radioactief afval is door de Nederlandse overheid een apart, nationaal onderzoeksprogramma opgezet met de naam OPERA (OnderzoeksProgramma Eindberging Radioactief Afval). NRG verleent vanuit het onderzoeksprogramma ondersteuning aan OPERA. In 2015 heeft NRG bijgedragen aan de ontwikkeling van afsluitingstechnologie voor onderaardse galerijen en mijnschachten waarin radioactief afval wordt opgeborgen. Doel is het verkrijgen van inzicht in het lange termijn gedrag en de integriteit van de isolatie van radioactief afval in steenzout, graniet en klei. Daarnaast is gekeken naar de onderzoeksvragen die relevant zijn bij on-site monitoring van het opgeslagen afval. Ten slotte is er onderzoek verricht naar enkele specifieke vraagstukken zoals de vrijzetting van koolstof (C-14) in Boomse klei. C-14 is een bestanddeel van enkele soorten radioactief afval zoals geactiveerd staal. Volumereductie Naast het toekomstig opbergen van huidig radioactief afval, onderzoekt NRG ook het beperken van grote volumes nieuw radioactief afval. Immers, radioactief afval dat je kunt voorkomen, hoef je ook niet op te bergen. In 2015 heeft NRG daarvoor routekaarten geschreven. Daarbij is gebruik gemaakt van de mogelijkheden die de aanstaande ontmanteling van de Lage Flux Reactor in Petten (en in de verdere toekomst ook Dodewaard) bieden. Kennis van de hoog- en middelradioactieve inventaris binnen de veiligheidsomhulling van nucleaire installaties is nuttig bij het vaststellen van de manier waarop die na het einde van zijn levensduur moet worden ontmanteld. Daarnaast is er gekeken naar de karakterisering van het radioactieve afval en de behandeling en recyclingmogelijkheden van de grote hoeveelheden (licht geactiveerd) beton die vrij zullen komen bij de ontmanteling van kerncentrales en cyclotrons. Ook zeer licht besmet en geactiveerd metaal kan goed worden gerecycled. Nuttige toepassing in - met name - de nucleaire industrie liggen voor de hand. Verder heeft NRG zich georiënteerd op het hergebruik van verarmd uranium. Hiervan zijn in ons land voorraden opgeslagen die geoormerkt zijn als radioactief afval (en zo ook worden behandeld) terwijl er goede recyclingmogelijkheden zijn. Hoewel er toepassingen voorhanden zijn, is het wettelijk nog niet toegestaan deze te benutten. De vraag is wat er moet gebeuren om hergebruik wel mogelijk te maken. Tenslotte is er aandacht voor Normally Occurring Radioactive Material (NORM). De NORM-afvalstroom is al bekend vanuit de olie- en gasindustrie, maar ook bij het winnen van geothermische energie wordt NORM gevormd. Processen zoals fracking genereren daardoor nieuwe vraag naar decontaminatie en opslag van natuurlijke radioactiviteit, afkomstig uit diepe aardlagen. In 2016 doet NRG in overleg met de belanghebbenden een programmavoorstel. Opslagvoorzieningen van radioactief afval eisen een precies inzicht in de samenstelling van radioactief afval dat vrijkomt bij de ontmanteling van kerncentrales. Voor dit doel werkt NRG aan een inventarisatie van methodes voor de radiochemische analyse van hoogactief afval. In 2016 zal NRG in overleg met de belanghebbenden een onderzoeksvoorstel doen. NRG ONDERZOEKSJAARVERSLAG 2015 12
GEAVANCEERDE NUCLEAIRE TECHNOLOGIE Een deel van de Europees aangestuurde research van NRG staat in het teken van de veiligheid van nieuwe generaties kernreactoren. Bijvoorbeeld de ontwikkeling van snelle reactoren met gesloten brandstofcycli. De verwachting is dat deze reactoren een rol gaan spelen in een toekomstige CO 2 -arme energievoorziening. De focus van NRG lag in 2015 op de ontwikkeling van de metaal (natrium of lood) gekoelde snelle neutronen reactor en kleine, modulair opgebouwde reactoren. Daarnaast heeft het meerjarig onderzoeksprogramma rond gesmolten zout reactor meer vorm en inhoud gekregen. Geavanceerde reactoren De gangbare (voorspellende) thermo-hydraulische modellen zijn niet bruikbaar voor het analyseren van het gedrag van de nieuwe generaties kerncentrales. Voor de metaalgekoelde reactoren verrichtte NRG in internationaal thermohydraulische veiligheidsstudies die de huidige modellen voor dit werk geschikt moeten maken. Goede simulatietechnieken zullen helpen om het warmtetransport onder verschillende omstandigheden binnen deze reactoren beter te leren begrijpen. Met name beter inzicht in (ongevals)omstandigheden en turbulent warmtetransport in de kern zullen leiden tot betere en veiliger ontwerpen van brandstofelementen. Het gaat er om dat de reactorsplijtstof veilig blijft als koelkanalen geblokkeerd raken of als turbulentie in de kern leidt tot vibraties in de brandstofelementen. Hiervoor zijn verschillende omstandigheden met bijbehorende oplossingen gesimuleerd. Om het warmtetransport in het primair koelsysteem en het energie-conversiesysteem van metaalgekoelde reactoren nauwkeuriger en efficiënter te berekenen met moderne technieken, worden verschillende thermo-hydraulische codes gekoppeld. Wereldwijd werken experts aan het koppelen van deze codes en ook NRG heeft hier in 2015 ervaring mee opgedaan. De werkzaamheden op dit gebied lopen door tot in 2016. In aanvulling hierop worden gegevens van de in 2009 in Frankrijk buiten bedrijf gestelde experimentele natriumgekoelde reactor (Phénix) gebruikt. In het laatste jaar van de bedrijfsvoering is hier een aantal unieke veiligheidstests gedaan. De gegevens die dit opleverde, in combinatie met resultaten uit de grootschalige Italiaanse testfaciliteit met vloeibaar lood-bismuth (CIRCE), zullen worden gebruikt om een (gekoppeld) thermo-hydraulisch model van de kritische onderdelen van een metaalgekoelde reactor te benchmarken. Ter ondersteuning van de ontwikkeling van de loodgekoelde demonstratiereactor ALFRED, die Roemenië graag wil bouwen, is in 2016 een haalbaarheidsstudie gedaan naar het bestralen van de splijtstofhulzen voor zo n loodgekoelde reactor in de HFR. Dit is een van de weinige onderzoekslocaties waar dit werk verricht kan worden. Daarnaast is er behoefte aan thermo-hydraulische analyses van de omstandigheden rond de kern die vibraties in de splijtstofelementen kunnen veroorzaken. Tevens is NRG sinds 2014 betrokken bij de economische analyse van een op ALFRED gebaseerde kleine loodgekoelde reactor. Er is met name gekeken naar economische haalbaarheid van de inzet van kleine metaalgekoelde reactoren in een toekomstige energievoorziening (bijvoorbeeld voor warmte/kracht-opwekking). Wereldwijd is er de laatste jaren groeiende belangstelling voor de gesmolten zout reactor (Molten Salt Reactors, MSRs). De populariteit wordt met name ingegeven door het efficiënte gebruik van splijtstof, zeker als hierbij het gebruik van thorium overwogen wordt. Ook het feit dat een MSR een drukloos systeem met een passief veiligheidssysteem heeft, vergroot de populariteit nog verder. NRG heeft in 2014 besloten om, in nauwe samenwerking met de TU Delft en het Joint Research Centre van de Europese Commissie in Karlsruhe (JRC-ITU) zich te 13
GEAVANCEERDE NUCLEAIRE TECHNOLOGIE concentreren op de kwalificatie van MSRs-materialen. Hiervoor worden bestralingen uitgevoerd in de HFR. Ook is er aandacht voor de processing van het bestraalde zout met de splijtingsproducten en het ontwerp van een bestralingsfaciliteit om in de toekomst grootschaligere bestralingen uit te kunnen voeren. In 2015 heeft NRG de voorbereidingen getroffen voor de eerste twee bestralingen van splijtstofhoudend zout. Bestraling is onder andere nodig om de stabiliteit van splijtingsproducten in het zout te bepalen. Start van de experimenten is voorzien in de tweede helft van 2016. Voor de ITER-kernfusiereactor die momenteel door de wereldgemeenschap in het Franse Cadarache wordt gebouwd, verricht NRG al vele jaren materiaalonderzoek. NRG richt zich de laatste jaren vooral op het testen en kwalificeren van structurele materialen en componenten voor de zogenaamde eerste wand. De eerste wand schermt de neutronenstraling en de grote hitte van het fusieplasma af van de rest van de installatie. In 2014 zijn bij NRG in samenwerking met buitenlandse partners monsters van kandidaat-materialen bestraald. Daarna zijn die vervolgens geanalyseerd en beproefd in de NRG Hot Cell Laboratories. De rapportage van de resultaten vond plaats in 2015. De conclusie is dat de omstandigheden in de fusiereactor het beoogde materiaal, een CuCrZr legering, niet significant beïnvloeden op het gebied van taaiheid en levensduur. Experimentele studies naar brandstofcycli NRG onderzoekt de inzet van splijtstoffen in natriumgekoelde reactoren waarin langlevende actiniden (radioactieve elementen die ontstaan tijdens de bestraling van uranium) zijn verwerkt. De gedachte hierachter is dat deze actiniden door ze nogmaals in een reactor te bestralen, transmuteren naar minder langlevend en minder gevaarlijk radioactief afval. De nadruk in dit zogenaamde actiniden-splijtingsonderzoek ligt op americium en plutonium. Daarmee is in het recente verleden in de HFR al waardevolle ervaring en kennis opgedaan. Er vindt nu vervolgonderzoek plaats naar het effect van het gehalte aan americium (van 3 tot 15 procent) op de integriteit van de splijtstof tijdens bestraling en welke vorm deze splijtstof moet hebben (pellets of bolletjes). Voor het nabestralingsonderzoek wordt gebruik gemaakt van de hot-cells van NRG. In 2015 zijn de eerste onderzoeken uitgevoerd aan recent bestraalde (U,Pu)O2 splijtstof met enkele procenten americium. Het onderzoek wordt afgerond in 2016. Ook is in 2015 een nieuw bestralingsexperiment voorbereid met uranium-americium splijtstoffen dat in 2016 van start zal gaan. De splijtstoffen zijn vervaardigd bij het Joint Research Centre van de Europese Commissie in Karlsruhe (JRC-ITU). Voor dit project - en alle andere internationale onderzoeken op dit gebied - geldt dat internationaal transport van nucleair materiaal noodzakelijk is. Daar is veel tijd en energie voor nodig, bijvoorbeeld voor de verwerving van transportvoorzieningen en de benodigde vergunningen. Inmiddels werkt NRG ook aan het modelleren van de bestralingsexperimenten met americiumsplijtstof. Deze simulaties worden vergeleken met de praktijkresultaten van eerdere experimenten. Daarbij is ook verder teruggekeken in de tijd naar vroeger uitgevoerde experimenten. Door zoveel mogelijk informatie te verzamelen zal uiteindelijk het inzicht in het gedrag van dit type splijtstof worden vergroot. Uiteraard is er ook aandacht voor de back-end van de splijtstofcyclus met de americiumsplijtstoffen. De vraag is op welke wijze de gebruikte splijtstoffen kunnen worden gerecycled. Dit is een intensief proces. De samenstelling van de te onderzoeken brandstof en daarmee de stralingsniveaus vragen veel voorbereidingen. Die zijn noodzakelijk om de medewerkers op een veilige manier het werk te kunnen laten uitvoeren. Voor de fabricage van de te onderzoeken splijtstoffen is begin 2015 een nieuwe, afgeschermde handschoenkast ingericht. De resultaten zullen in 2016 gerapporteerd worden. Kleine reactoren Wereldwijd trekken kleine tot middelgrote nucleaire reactoren (Small to Medium sized Reactors, SMRs) de aandacht. Veelal worden voordelen geroemd op het gebied van investeringsklimaat, veiligheid, non-proliferatie, afvalmanagement, optimale benutting van grondstoffen, economie en inpassing in bestaande infrastructuur. NRG werkt de laatste twee jaar samen met reactorontwerper Westinghouse om de veiligheid van SMRs te analyseren. Westinghouse levert gedetailleerde ontwerpdata aan waarmee NRG met aangepaste simulatiemodellen ernstige ongevalsscenario s doorrekent. De uitkomsten van een specifiek zogenaamd Loss of Coolant Accident (LOCA) zijn vergeleken met die van andere rekenmodellen. Het blijkt dat met de bestaande rekencodes betrouwbare uitkomsten worden gegenereerd, tegelijk is er leerervaring opgedaan om de rekenmodellen nog specifieker te maken. In 2016 wordt beoordeeld of de samenwerking met Westinghouse wordt voortgezet. NRG ONDERZOEKSJAARVERSLAG 2015 14
KENNISOPBOUW EN -TRANSFER NRG focust op nucleaire vraagstukken die relevant zijn voor de Nederlandse samenleving. Daarvoor zijn er in 2015 op het publiek gerichte communicatieactiviteiten ontplooid zoals deelname aan publieke debatten, het begeleiden van studenten en scholieren. Er zijn gastlessen gegeven op middelbare scholen en bij de Technische Universiteit Eindhoven en er is deelgenomen aan internationale kennisnetwerken of bijeenkomsten die bijdragen aan publieks communicatie en kennistransfer. 15
NRG Petten Westerduinweg 3 P.O. Box 25 1755 ZG Petten t +31 (0)224 564950 NRG Arnhem Utrechtseweg 310 - R42 P.O. Box 9034 6800 ES Arnhem t +31 (0)26 3568524 info@nrg.eu www.nrg.eu www.nrg.eu