Thorium, de ideale kernbrandstof
Zaterdag 25 oktober 2014
Het onderstaande artikel verscheen in mei 2013 in de Ingenieur.
Kernenergie maken kan ook zonder het vervelende uraan dat zo lang radioactief blijft. Thorium lijkt nu de ideale brandstof voor kerncentrales te zijn. Het is volop beschikbaar en levert minder hinderlijk afval op. Wat staat een revolutie nog in de weg?
De plussen en minnen van thorium
Pluspunten
+ Thorium is in veel landen ruim voorradig.
+ Het afval van de thorium cyclus vervalt sneller dan bij de uraan cyclus; in een paar honderd in plaats van honderdduizend jaar.
+ Met thorium kun je de plutoniumvoorraden uit de kernwapentijd efficiënt verstoken.
+ De sterke gammastraling die in de thorium cyclus ontstaat, maakt het moeilijk om het gevormde uraan te bewerken, waardoor het lastig is er bommen van te maken. Bovendien is de sterke straling slecht voor de elektronica in een bom en bemoeilijkt hij smokkel: het materiaal is goed te detecteren.
Minpunten
– De sterke gammastraling vereist extra veiligheidsmaatregelen in de centrale.
– Bij het gebruik van thorium brandstoffen in gesmolten-zoutreactoren vormt corrosie van reactoronderdelen een probleem.
– Om thorium in een gesmolten-zoutreactor te gebruiken, moet het chemisch worden gereinigd. Daarvoor moet nog veel technologie worden ontwikkeld en getest.
– Er zijn nog veel investeringen nodig om thorium brandstoffen goedgekeurd te krijgen.
Schema van een thoriumcentrale
De Amerikaanse president Barack Obama moet een beetje opschieten, waarschuwde de Britse nieuwswebsite The Telegraph. Obama zou een nieuw Manhattanproject moeten beginnen om ons binnen drie tot vijf jaar te verlossen van de honger naar fossiele brandstoffen. Het toverwoord, volgens The Telegraph? Thorium: een zilverkleurig metaal dat liefhebbers wel het mooie, lichte zusje van uraan noemen.
Sommige mensen kennen thorium van de camping. Het is dat radioactieve materiaal in de gloeikousjes van gasbranders. Gloeiend thoriumoxide geeft helder wit licht. Thorium is echter niet splijtbaar.
Op het eerste gezicht is het dus geen goede kandidaat om kernenergie mee op te wekken. Toch kan dat via een tussenstap prima. Thorium kan door het invangen van een neutron overgaan in uraan-233, een gemakkelijk splijtbare vorm van uraan die in de natuur niet voorkomt. Bij het splijten van uraan-233 komen gemiddeld 2,5 neutronen vrij. Die kunnen weer worden gebruikt om thoriumatomen om te vormen tot nieuw uraan. Zo ontstaat een reactie die zichzelf in stand houdt. Thorium is een alternatief voor de splijtstoffen die nu in kerncentrales worden verstookt. Het zusje van uraan heeft de laatste jaren een grote schare fans opgebouwd.
Wie op internet de wereld van thorium binnenstapt, ontmoet daar een wonderlijk allegaartje van bekeerde milieuactivisten, huiskamertheoreten en serieuze ingenieurs met carrières in de wereld van de kernenergie. Zij prijzen thorium aan als de duurzame en veilige vorm van kernenergie. Voordelen van thoriumcentrales zijn er dan ook genoeg. Thorium is ruim voorradig, is efficiënter te verstoken dan uraan, er ontstaat geen plutonium in de reactor en de thoriumcyclus levert minder langlevend afval op. En niet te vergeten: als je thorium in een zogeheten gesmolten-zoutreactor gebruikt, kan er geen meltdown ontstaan. Met de kernramp in Fukushima in het achterhoofd, is dat een belangrijke troef.
Pioniers
Thoriumcentrales bestaan echter nog niet. Wereldwijd zijn er meer dan vierhonderd kerncentrales; gemiddeld is bijna 14 % van de elektriciteit atoomstroom. Alle centrales maken gebruik van de uraancyclus. Ze verstoken uraan-235 en het bijproduct plutonium-239. Hoe is dat zo gekomen? Uraan-235 is het enige splijtbare atoom dat in de natuur voorkomt. Het splijt bij wijze van spreken al als je ernaar kijkt. Het was dus een logisch startpunt voor pioniers in de kernenergie. Nu vind je nooit zuiver uraan-235; het komt altijd voor in combinatie met uraan-238. Als je dit materiaal gebruikt in een reactor, ontstaat plutonium-239. Tegenwoordig vinden we dat vervelend, want plutonium kan worden gebruikt om bommen te maken. Maar destijds was dat geen bezwaar: de ontwikkeling van kernbommen ging hand in hand met die van kernenergie.
De thoriumcyclus is in een reactor moeilijker op gang te krijgen dan de uraancyclus. Om van het niet-splijtbare thorium- 232 naar het splijtbare uraan-233 te komen, zijn neutronen nodig. Die hadden de pioniers alleen kunnen verkrijgen uit de splijting van uraan-235. De pioniers hadden kortom geen andere keus dan eerst leren werken met uraan-235.
Uraan was dus het startpunt en de industrie is verder gegaan op die ingeslagen weg. Inmiddels zijn er vele miljarden geïnvesteerd in het ontwerpen en testen van dergelijke centrales.
De nadelen van de bestaande kerntechnologie zijn inmiddels ook bekend. Ieder land dat beschikt over kerncentrales worstelt met de vraag waar het met zijn langlevend kernafval naartoe moet. Tel daarbij de groeiende zorgen over een meltdown op, en de roep om alternatieven, zoals kerncentrales op thorium, wordt steeds luider.
Aan thorium geen gebrek. Naar schatting is in de aardkorst vier keer zoveel thorium te vinden als uraan. Foto: Atomic Research Center Mumbai
‘We zouden kunnen stoppen met discussiëren over windmolens, olieboringen, IPCC hockeysticks en de afhankelijkheid van het Kremlin’, maakte The Telegraph zijn lezers lekker. De revolutie zou zich volgens de site binnen vijf jaar kunnen voltrekken, als Obama tenminste even meewerkt. Die termijn echter is onzinnig; de introductie van een nieuwe kernbrandstof alleen al kost minstens twintig jaar, vanwege de langdurige veiligheidstesten die eraan te pas komen. De kernindustrie leent zich niet voor snelle veranderingen.
Reactorfysicus dr. ir. Jan Leen Kloosterman doet op de Technische Universiteit Delft onderzoek naar thorium als grondstof voor een nieuwe generatie kerncentrales en staat bekend als pleitbezorger. ‘Het potentieel van thorium is enorm’, zegt hij. Maar over het verhaal van The Telegraph is hij duidelijk. ‘Veel en veel te rooskleurig.’
De publieke discussie over thorium verloopt warrig, vinden splijtstofexpert ir. Sander de Groot en ir. Ferry Roelofs, deskundige op het gebied van reactorsystemen. De Groot en Roelofs zijn verbonden aan de Nuclear Research and consultancy Group (NRG), die de onderzoeksreactoren in Petten beheert. Het bedrijf doet onder andere onderzoek naar thorium.
‘We zien lijstjes met pluspunten over thorium waarvan een deel klopt en een deel pure pr is. Zoals het jubelverhaal dat in een thoriumreactor radioactieve isotopen ontstaan die als medicijn te gebruiken zijn. Dat speelt echt geen enkele rol als je moet beslissen of je thorium gaat gebruiken in energiecentrales’, aldus De Groot en Roelofs.
Volgens hen is het belangrijk om te weten dat thorium op twee manieren is in te zetten. De eerste optie is bijmengen. ‘Je gebruikt het in bestaande reactortypen in combinatie met uraan en plutonium – dat zien we bij NRG als het meest voor de hand liggende scenario. Of je zet in op een echte thoriumreactor.
Alleen in dat laatste geval profiteer je volop van de voordelen van de thoriumcyclus. In de discussies worden beide scenario’s en de voordelen die erbij horen, vaak door elkaar heen gebruikt.’
Zogeheten gesmolten-zoutreactoren zijn op papier de beste plaats voor een echte thoriumcyclus. In dergelijke reactoren is de splijtstof opgelost in vloeibare fluoridezouten. Daardoor zijn geen hogedruksystemen nodig voor de koeling. En als de vloeistof heter wordt, zet hij uit, waardoor de kernreactie langzamer gaat. Dat is een automatische veiligheidsrem.
In de beginjaren van de kernenergie is met dit type geëxperimenteerd. Zo bouwde het Amerikaanse Oak Ridge-laboratorium in de jaren zestig de testreactor MSRE, waarin ook proeven met thorium zijn gedaan. Kloosterman werkt tegenwoordig ook aan een dergelijke reactor. In zijn computersimulaties draait de reactor al. Kloosterman: ‘Volgens mij moet je inzetten op het ontwikkelen van een echte thoriumreactor, in plaats van bijmengen. De huidige industrie is volledig geënt op uraan. Als je thorium bijmengt, compliceer je dat proces zonder dat je de echte voordelen oogst.’
De technologische basis voor een gesmolten-zoutreactor op thorium is er volgens Kloosterman al. ‘Als je genoeg geld hebt, kun je in twintig jaar een demonstratiereactor bouwen’, aldus de reactorfysicus. Helaas is dat geld er niet. ‘In het huidige tempo schiet het niet op.’
Roelofs en De Groot zien de gesmolten-zoutreactor vanwege het gebrek aan geld voorlopig als een onhaalbaar doel. ‘De industrie gaat het zeker niet doen. Daarvoor zijn de investeringen te hoog en de ontwikkeltijd te lang. Als je het toch wilt, moet het van de overheid komen. Dan is er gedurende een lange periode een significante politieke drive en veel geld nodig.’
In Europa wil voorlopig niemand in thorium investeren. De publieke weerstand tegen kernenergie is te groot en de politiek te wispelturig. Bovendien zien de meeste Europese landen kernenergie als een transitie-energie, waar we over een tijdje weer vanaf willen. Het geld gaat dus grotendeels naar het verfijnen van de bestaande uraantechnologie. Ook de VS investeert nauwelijks in de thoriumreactor, ondanks de lobby van liefhebbers.
Dan blijft Azië over. In ieder gesprek en elk artikel over thorium duiken China en India op, twee reusachtige landen met een grote energiehonger. Beide landen beschikken over veel thorium en doen onderzoek naar het gebruik ervan. China werkt met een paar honderd mensen aan de bouw van een gesmolten- zoutreactor en wil de oude reactor van Oak Ridge nabouwen.
Hagel
De nucleaire wereld volgt het Chinese experiment met belangstelling.
Voorvechters van thorium zien China als redder in nood. Maar Roelofs omschrijft het Chinese kernonderzoek als een schot hagel. ‘Ze onderzoeken nu werkelijk alles’, aldus Roelofs. Bovendien houden de meeste Chinese wetenschappers zich volgens hem nog gewoon met uraan bezig. ‘Ze kunnen thorium ook zo weer opzijschuiven.’ India werkt vooral aan het bijmengen van thorium. Het land heeft grote thoriumvoorraden in de bodem. Dat bijmengen minder langlevend afval oplevert, lijkt voor het land slechts een bijkomend voordeel.
De rest van de wereld kijkt geïnteresseerd toe. ‘De prijs van uraan is lange tijd laag geweest, doordat er splijtstof uit oude kernwapens op de markt kwam. Maar dat raakt langzamerhand op’, zegt prof.dr. Rudy Konings. Hij is hoofd van de afdeling Materiaalonderzoek van het Europese Instituut voor Transuraan Elementen, en verbonden aan de Technische Universiteit Delft als hoogleraar chemie van de nucleaire splijtstofcyclus. Waarschijnlijk zal er de komende eeuw nog voldoende uraan te vinden zijn, maar de vraag is tegen welke prijs.
Het Europese overlegplatform voor kernenergietechnologie, SNETP, vatte een paar jaar geleden de kansen van thorium bondig samen: ‘Thorium kan een aantrekkelijke mogelijkheid zijn voor de lange termijn, en in Europa moet een minimaal kennisniveau over de thoriumcyclus in stand worden gehouden’. Niet meer, niet minder.
Over tien jaar kan dat weer anders zijn, denkt Kloosterman.
‘In dit vak moet je een langetermijnvisie hebben. In Europa is het met kernenergie nu tegen de stroom oproeien. Het idee is dat we over een tijdje zonder kunnen. Ik verwacht dat niet; kernenergie gaat door.’ Als thorium de toekomst heeft, zoals The Telegraph bepleitte, dan is het dus de verre toekomst.
