Nucleaire voortstuwing in de maritieme sector

Het potentieel van Hoge-Temperatuur Gas-Reactors 

Door LTZ3 (TD) ir. T.H. Wien

Abstract

De Nederlandse maritieme sector onderzoekt serieus nucleaire voortstuwing om de CO2-uitstoot te verminderen en de operationele autonomie van schepen te vergroten. Dit artikel analyseert de voordelen van kernenergie, die de toenemende energiebehoefte van marineschepen en civiele offshore-vaartuigen kan compenseren. De meest kansrijke technologie is de High-Temperature Gas-Reactor (HTGR), een type Small Modular Reactor (SMR). In combinatie met de superkritische CO2-cyclus levert dit een zeer compacte, efficiënte en veilige energie-installatie op. Met dit koploperproject positioneert Nederland zich in de voorhoede van een nieuwe generatie nucleaire maritieme systemen.

s’ Werelds grootste vliegkampschip, het nucleair aangedreven USS Gerald R. Ford, onderweg in de Atlantische Oceaan, november 2024 (foto: MC2 M. Orlovsky | U.S. Navy Photo)

Waarom is kernenergie nu een hot item voor de maritieme sector?

De hernieuwde interesse voor kernenergie voor schepen komt op een cruciaal moment. De wereldwijde scheepvaartsector, verantwoordelijk voor bijna 3% van de mondiale CO₂-uitstoot,^[iii] staat voor de uitdaging haar ecologische voetafdruk te verkleinen. Hoewel kernenergie strikt genomen niet hernieuwbaar is, behoort het wel tot de meest CO₂-arme energiebronnen. Over de volledige levenscyclus stoot kernenergie een vergelijkbare hoeveelheid CO₂ uit als wind- en zonne-energie.^[iv]

Binnen de maritieme sector wordt inmiddels volop gekeken naar alternatieve energiebronnen zoals wind, zon en nieuwe brandstoffen als methanol. Deze opties kennen een lagere energiedichtheid dan conventionele fossiele brandstoffen. Tegelijkertijd zal de energiebehoefte van schepen, en vooral van marinevaartuigen, naar verwachting toenemen. Denk hierbij aan de inzet van nieuwe technologieën zoals geavanceerde radarsystemen, onbemande vaartuigen en mogelijke toekomstige wapensystemen zoals railguns.^[v] Hierdoor ontstaat een groeiende ‘energie-onbalans’: de vraag naar energie stijgt, terwijl de energiedichtheid van de beschikbare alternatieven afneemt. Het gevolg is dat het benodigde volume voor het gehele energiepark exponentieel toeneemt. Kernenergie kan deze onbalans herstellen dankzij de hoge energiedichtheid, terwijl tegelijkertijd de uitstoot van de maritieme sector kan afnemen.

Naast deze bijdrage aan de decarbonisatie van de maritieme sector biedt kernenergie ook operationele voordelen. Doordat een nucleaire installatie langdurig een stabiel en hoog vermogen levert, kunnen schepen gedurende lange periodes autonoom opereren zonder afhankelijk te zijn van brandstofbevoorradingen. Dit maakt het mogelijk over een lange periode grote afstanden af te leggen en langdurig actief te blijven in gebieden die ver van de kust liggen.

Voor marineschepen betekent dit dat zij hogere snelheden kunnen aanhouden zonder dat dit ten koste gaat van hun inzetduur. Waar conventioneel aangedreven schepen regelmatig bevoorrading behoeven, kunnen nucleair aangedreven schepen weken tot maanden operationeel blijven met slechts beperkte logistieke ondersteuning. Hierdoor zijn ze veel meer stand-by en kunnen ze sneller reageren op onvoorziene situaties, grotere afstanden overbruggen en langer in een operatiegebied blijven. De combinatie van bereik, snelheid en zelfstandigheid vergroot de maritiem-strategische mogelijkheden en versterkt de inzetbaarheid van de eigen vloot.

Ook voor de civiele scheepvaart opent kernenergie nieuwe perspectieven. Schepen die langdurig ver op zee opereren, zoals schepen voor deep-sea mining of offshore schepen die werkzaamheden uitvoeren aan onderzeese infrastructuur, kunnen profiteren van een energievoorziening die onafhankelijk is van conventionele brandstoflogistiek. Hierdoor zijn beduidend minder brandstof transporten nodig om schepen in afgelegen gebieden operationeel te houden, wat niet alleen economische voordelen oplevert, maar ook de CO₂-uitstoot door deze ondersteunende reizen aanzienlijk vermindert.

‘De combinatie van bereik, snelheid en zelfstandigheid vergroot de maritiem-strategische mogelijkheden en versterkt de inzetbaarheid van de eigen vloot’

Gebruik kernenergie anno nu

Al decennialang leveren kernreactoren wereldwijd een stabiele en schone energiebron. Momenteel zijn er ruim 400 reactoren actief in 31 landen, die samen jaarlijks circa 2600 TWh elektriciteit opwekken, goed voor ongeveer 10% van de wereldwijde elektriciteitsproductie.^[vi] De grootste producenten zijn de Verenigde Staten (30%), China (16%) en Frankrijk (14%), waarbij laatstgenoemde relatief gezien het grootste deel van zijn elektriciteit uit kernenergie betrekt (67%).^[vii] In Nederland speelt kernenergie (nog) een bescheiden rol; zo’n 3.5% van de nationale elektriciteit productie, waarbij alleen de reactor in Borssele elektriciteit produceert middels het splijten van uraniumatomen.^[viii] Dit zal vermoedelijk veranderen aangezien de overheid van plan is vier nieuwe kerncentrales te bouwen en verder onderzoek gaat doen naar zogenaamde Small Modular Reactors (SMR’s).^[ix]

Figuur 1. Overzicht van de verschillende reactorgroottes en hun vermogensproductie (afbeelding: A. Vargas | IAEA)

Voor de maritieme sector zijn vooral de ontwikkelingen rondom SMR’s van belang. In tegenstelling tot traditionele grote kerncentrales, met vermogens tot ruim 1000 megawatt elektrisch (MWe), zijn SMR’s veel kleiner (tot 300 MWe per eenheid) en makkelijker schaalbaar (zie figuur 1). Bovendien bestaan er al reactorontwerpen die zelfs minder dan 10 MWe produceren; zogenoemde microreactoren welke nog beter geschikt zijn voor toepassing op schepen. Hoewel er inmiddels meer dan 80 ontwerpen en concepten voor SMR’s en microreactoren bestaan, is slechts een handvol in een vergevorderd stadium van realisatie.^[x] Dit benadrukt de noodzaak voor verdere ontwikkeling en onderzoek, zeker wanneer gekeken wordt naar de maritieme context waar andere aspecten als ruimte, gewicht en variabele vermogensvraagstukken cruciaal zijn.

Hoe wordt kernenergie gebruikt binnen de maritieme sector?

Kernenergie voor scheepsvoortstuwing is bepaald geen nieuw concept. Het is al decennia toegepast in de militaire sector, met nucleair aangedreven onderzeeboten, vliegkampschepen en kruisers. Landen als China, Frankrijk, India, Rusland, het VK en de VS beschikken al over nucleaire marineschepen, en ook andere landen werken aan programma’s om dergelijk aangedreven vaartuigen te ontwikkelen. Brazilië bouwt bijvoorbeeld de nucleaire onderzeeboot Álvaro Alberto, terwijl Australië samenwerkt met het VK en de VS aan nucleaire onderzeeboten voor hun vloot.^[xi] Onlangs maakte president Donald Trump bekend dat Zuid-Korea nucleaire subs mag bouwen.

Minder bekend is dat kernenergie ook gebruikt wordt voor civiel-maritieme toepassingen. Naast vele Russische ijsbrekers zijn er historisch gezien vier civiele schepen geweest die nucleaire voortstuwing kenden; de Amerikaanse NS Savannah (1962) als demonstratieproject, de Duitse Otto Hahn (1968) met meer dan 600.000 zeemijlen aan onderzoeks- en transportdiensten, de Japanse Mutsu (1972) die na een incident politiek werd stopgezet, en de Russische Sevmorput (1988), het enige schip dat voor lange tijd commercieel succesvol bleef, hoewel het sinds 2023 tegen de kade ligt. Daarnaast wordt kernenergie steeds vaker overwogen voor zogeheten Floating Power Platforms (FPP’s), drijvende installaties met een kleine kerncentrale die warmte en elektriciteit kunnen leveren in afgelegen gebieden. Dit concept, dat al in de praktijk is toegepast^[xii] en internationaal uitgebreid wordt onderzocht,^[xiii] zou een eerste stap kunnen vormen voor de Nederlandse maritieme sector richting een eigen nucleaire maritieme installatie.

Drone-opname van het kernaangedreven civiele vaartuig Sevmorput, verankerd in het ijs nabij Vladivostok, 2022 (foto: MikeDrone| Shutterstock)

Ons land heeft nooit nucleaire schepen gehad, al werden er in de jaren zestig en zeventig wel (vergeefse) pogingen gedaan nucleaire onderzeeboten te verwerven in samenwerking met de VS en Frankrijk.^[xiv] De interesse in deze techniek, specifiek voor SMR’s, lijkt nu dus weer nieuw leven te krijgen met onder andere het koploperproject binnen de eerdergenoemde maritieme sectoragenda: ‘Met name de offshore sector en de Koninklijke Marine kunnen de vruchten plukken van de voordelen die deze technologie biedt’.^[xv] De verantwoordelijkheid van het koploperproject ligt daarom vanuit de overheid bij het Ministerie van Defensie in samenwerking met het Ministerie van Economische Zaken en vanuit de maritieme sector bij Nederland Maritiem Land (NML).

Vanuit de sector is hieruit het consortium ‘NuclearDrive’ ontstaan, wat ruim twintig Nederlandse bedrijven omvat, die samen onderzoek plegen naar de mogelijkheden van kernenergie aan boord van schepen.^[xvi] Eén daarvan is het bedrijf Allseas, een Zwitsers-Nederlands offshore bedrijf, wat als doel heeft ‘een geavanceerd nucleair energiesysteem te ontwikkelen, speciaal ontworpen voor energie-intensieve offshore vaartuigen en industriële clusters aan land’.^[xvii] Allseas focust zich op een 25 MWe Hoge-Temperatuur Gas-Reactor (HTGR) welke in vijf jaar op het land operationeel moet zijn, om daarna aan boord van offshore schepen te kunnen opereren. Hierbij staat niet alleen de implementatie binnen de maritieme sector centraal, maar wordt ook gekeken naar het produceren van warmte voor de industriesector, een erg moeilijk te verduurzamen sector.

Hoe komt kernenergie tot stand?

Kernenergie kan op twee manieren worden opgewekt: via splijting of via fusie. Bij splijting vindt splitsing van een zwaar atoom in kleinere kernen plaats, waarbij een grote hoeveelheid energie vrijkomt. Fusie daarentegen werkt andersom: hierbij worden meerdere atomen samengevoegd tot één atoom, eveneens met een enorme energievrijgave. Op dit moment maken alle commercieel gebruikte kernreactoren gebruik van splijting. Fusie bevindt zich nog in de onderzoeksfase en is vooralsnog niet praktisch toepasbaar voor energieopwekking. Het wordt daarom als niet-geschikt geacht voor korte termijn implementatie op een schip.

Figuur 2: schematisch overzicht van een kernreactor (afbeelding: Vectors)

Voor het opwekken van kernenergie wordt doorgaans uranium-235 als brandstof gebruikt. Dit is een isotoop dat van nature onstabiel is. Wanneer zo’n uranium kern een neutron opneemt, valt de kern uiteen in twee of meer lichtere kernen. Tegelijkertijd komen er meerdere nieuwe neutronen vrij, die de kettingreactie kunnen voortzetten, en zal er energie vrijkomen. De hoeveelheid energie wordt bepaald aan de hand van het massaverschil tussen het oorspronkelijke uraniumatoom en de lichtere bijproducten. Volgens Einsteins vergelijking ΔE = Δmc² wordt het kleine massaverschil omgezet in een aanzienlijke hoeveelheid energie, wat de fundamentele basis is voor kernenergie.

Hoe werkt zo’n nucleaire reactor?

Bij kernsplijting komen meer neutronen vrij dan strikt nodig is om een kettingreactie in stand te houden. Zonder controle zou dit leiden tot een exponentiële toename van splijtingen en geproduceerde energie. Een kernreactor is daarom zo ontworpen dat dit proces beheerst kan worden, waardoor het aantal splijtingen en de energieproductie stabiel blijft. De reactor bestaat uit verschillende onderdelen die samen zorgen voor een veilige en gecontroleerde productie van warmte. De meeste reactoren hebben twee gescheiden circuits, zoals te zien is in figuur 2.

'De huidige experimentele fase vergroot de mogelijkheid om een generatie IV-rector op relatief korte termijn te implementeren'

In het primaire circuit bevinden zich de splijtstofstaven met uranium, waarin de kernsplijting plaatsvindt. Regelstaven bepalen de hoeveelheid splijtingen: hoe dieper ze in de kern zitten, hoe minder reacties plaatsvinden, en vice versa. Het koelmiddel voert de warmte af naar het secundaire circuit, terwijl een schild de omgeving beschermt tegen radioactieve deeltjes. In het secundaire circuit wordt de warmte gebruikt om een turbine aan te drijven. De draaiende turbine levert mechanische energie die een generator omzet in elektriciteit, bijvoorbeeld voor het hotelbedrijf van het schip of via de elektromotor voor voortstuwing.^[xviii] Het gas dat de turbine verlaat is afgekoeld, maar om de thermodynamische cyclus te voltooien, moet de restwarmte nog worden afgevoerd. Op land gebeurt dit met koeltorens,^[xix] maar op een schip wordt het omliggende water gebruikt om de resterende warmte op te nemen.

Wat is dan zo’n Hoge-Temperatuur Gas-Reactor?

Niet elke reactor is hetzelfde, en wereldwijd worden verschillende concepten gebruikt voor het produceren van energie. De meestvoorkomende reactortechnologie is een zogenoemde Pressurised Water Reactor (PWR), een generatie II en III reactor (zie figuur 2). Deze technologie wordt door meer dan 70% van alle op land gesitueerde reactoren gebruikt en voor vrijwel alle nucleaire schepen.^[xx] Het koelmiddel in het primaire circuit is water wat onder hoge druk rond wordt gepompt. Dit verhindert stoomvorming en zorgt dat het water vloeibaar blijft onder hoge temperaturen (tot ±330°C). Zowel Allseas als de maritieme sector kijken daarentegen naar een ander type reactortechnologie, namelijk de Hoge-Temperatuur Gas-Reactor (HTGR). Dit is een generatie IV-reactor welke verschillende voordelen heeft ten opzichte van oudere generaties. Zo zijn ze veiliger, efficiënter, produceren ze minder radioactief afval en zijn de proliferatierisico’s kleiner. In vergelijking met andere generatie IV-reactoren, bezit de HTGR een relatief hoge Technology Readiness Level (TRL). Er zijn ongeveer 20 SMR-ontwerpen welke deze techniek gebruiken^[xxi] en enkele reactoren bevinden zich al in een experimentele fase.^[xxii] De huidige experimentele fase vergroot de mogelijkheid om een generatie IV-reactor op relatief korte termijn te implementeren’.

Figuur 3: schematisch overzicht van een Hoge-Temperatuur Gas-Reactor (HTGR), welke in deze configuratie waterstof kan produceren^[xxiii]

Zoals de naam suggereert is deze reactor specifiek ontworpen om te opereren op hoge temperaturen (750-1000°C). Hierdoor kan water niet meer effectief gebruikt worden als koelmiddel en daarom gebruikt met helium om de warmte vanuit de kern over te brengen naar het secundaire circuit. Ook de splijtstaven met nucleaire brandstof zijn speciaal ontworpen om te opereren op deze temperaturen. Ze maken gebruik van TRISO-brandstof, wat bestaat uit kleine balletjes aan uranium, welke omsloten zijn met drie beschermingslagen tegen hoge temperaturen.

Deze extra complexiteit ten opzichte van de standaard PWR is niet voor niets. De hoge temperaturen zorgen dat er een hogere efficiëntie behaald kan worden bij het produceren van elektriciteit.^[xxiv] Het geeft daarnaast ook de mogelijkheid om warmte te produceren op hoge temperaturen, wat niet alleen hoognodig is voor het verduurzamen van de industriesector, maar ook gebruikt kan worden om bijvoorbeeld waterstof of synthetische brandstoffen te maken. Aangezien de Nederlandse maritieme sector nog niet beschikt over de benodigde nucleaire kennis en infrastructuur is het raadzaam te streven naar een reactorontwerp dat toegepast kan worden binnen andere sectoren, om brede samenwerking te bevorderen.

Figuur 4: STEP2 met bijschrift: Figuur 4: de 16 MW sCO₂ turbine van het STEP project^[xxv]]

Welke conversiecyclus kan er dan het beste gebruikt worden?

Hoewel de reactor de energie en warmte produceert, is de omzetting van deze warmte naar elektriciteit minstens zo belangrijk. Dit gebeurt in het zogenoemde secundaire circuit. Meestal worden hiervoor stoomturbines ingezet, die de warmte van stoom omzetten in mechanisch vermogen. Voor een HTGR, die op zeer hoge temperaturen werkt, is stoom minder efficiënt. Daarom ligt het voor de hand alternatieve methoden te overwegen. Een van de meest veelbelovende opties is de superkritische koolstofdioxide (sCO₂) cyclus. CO₂ bevindt zich in een superkritische toestand wanneer de temperatuur en druk boven het kritisch punt liggen. In deze toestand vertoont de stof tegelijkertijd eigenschappen van zowel een vloeistof als een gas, waardoor het voordelige thermodynamische eigenschappen heeft, zoals een vloeistofachtige dichtheid en een gasachtige viscositeit. Hierdoor kan een HTGR in combinatie met een sCO₂-cyclus een efficiëntie bereiken van ongeveer 50%, terwijl een conventionele nucleaire reactor rond de 33% efficiëntie haalt.

De hoge dichtheid van sCO₂, in vergelijking met stoom, zorgt dat de installatie zeer compact gebouwd kan worden. Over het algemeen is de sCO₂ -cyclus zo’n tien keer kleiner dan een verglijkbare installatie met stoomturbines. Figuur 4 toont de sCO₂-turbine van het STEP-project, een onderzoeksturbine die zich momenteel in een praktische testfase bevindt. Deze toont aan dat een sCO₂-turbine een vermogen van 16 MW kan leveren, terwijl het qua formaat vergelijkbaar is met een V8-motor uit een auto.^[xxvi]

De combinatie van een reactor en een sCO₂-cyclus maakt het mogelijk een installatie te realiseren met een hoge efficiëntie en energiedichtheid. Hierdoor is veel vermogen opwekbaar uit een relatief klein volume. Dit voordeel komt duidelijk naar voren in het onderstaande ontwerp van een nucleaire sCO₂-cyclus, waarbij alle systemen die nodig zijn om elektriciteit uit kernenergie te produceren in een compacte container passen (zie figuur 5). Vanuit een container van 4×4×7 meter is zo 12,5 MWe aan vermogen leverbaar. Deze compactheid is vooral aantrekkelijk voor de maritieme sector, waar ruimte beperkt is, en illustreert de voordelen van een hoge energie- en vermogensdichtheid.

Figuur 5: ontwerp van een nucleaire sCO₂ cyclus, specifiek ontworpen voor toepassing binnen de transportsector^[xxvii]

Conclusie

Nucleaire voortstuwing kan bijdragen aan een hogere mate van autonomie en efficiëntie bij activiteiten in meer afgelegen maritieme gebieden. Dit maakt het aantrekkelijk voor zowel militaire als civiele toepassingen, vooral voor langdurige missies en operaties op grote afstand van de kust waar conventionele brandstofvoorziening, zeker in tijden van crisis en oorlog, logistiek complex en kostbaar is. Door de hoge energiedichtheid en de verminderde CO₂-uitstoot draagt kernenergie bovendien bij aan de bredere ambities om de maritieme sector te decarboniseren.

De lage uitstoot van CO₂ in combinatie met een hoge energiedichtheid verklaren de ambities van de Nederlandse sector om binnen tien jaar reactor aangedreven schepen te hebben. De gekozen Hoge-Temperatuur Gas-Reactor, vooral in combinatie met een superkritische CO₂, geeft de mogelijkheid voor een compacte, langdurige energievoorziening die niet alleen binnen de maritieme sector, maar ook in andere sectoren toepasbaar is. Hiermee kan Nederland niet alleen de bijdrage aan klimaatverandering verminderen maar kan het ook een unieke positie vervullen in de ontwikkeling van een nieuwe generatie nucleaire systemen die voor de weerbaarheid van ons land van belang zijn.

Gerelateerd

De invloed van klimaatverandering op onderzeebootbestrijding

19 aug 2026

Klimaatverandering is niet alleen een ecologisch probleem, het verandert ook het maritiem-militaire optreden. Een graduele geografische…

Opschalen en verbreden: de MLD van nu tot 2035

18 mrt 2026

De NH90 helikopter is nog steeds de ruggengraat van de MLD en zal dit ook het komende decennium blijven. Goedkeuring voor de aankoop van…

Naar de Orka: vervanging Nederlandse onderzeebootcapaciteit

17 dec 2025

De vervanging van de Walrusklasse is in volle gang. Dit artikel beschrijft het ambitieuze engineeringstraject – van de System Requirement…