De Nederlandse kernreactorfysicus Jan Leen Kloosterman heeft het over thorium, op termijn de vervanger van uranium.
Begin mei 2012 waren we in de gelegenheid een interview af te nemen over het onderzoek naar nieuwe types kerncentrales dat gedaan wordt aan de Technische Universiteit Delft door de sectie PNR (Physics of Nuclear Reactors, onder de leiding van Associate Professor Jan Leen Kloosterman.
PNR bestudeert 6 types van kernreactoren, waarvan we er vijf hebben beschreven in het eerste deel van dit verslag.
USMarkets: in de loop van dit gesprek is het woord ‘thorium’ al enkele keren gevallen. Hoe ziet u de mogelijkheden van dit alternatief voor uranium?
Prof. Kloosterman: alle tot nog toe beschreven soorten reactoren, behalve de Zeer Hoge Temperatuur Reactor (VHTR), hebben uranium nodig als splijtstof.
Bij de VHTR kan ook thorium aan de splijtstof worden toegevoegd, hoewel de experimenten hiermee nog in een pril stadium zijn.
Van een heel ander concept is de zesde van de reeks, de Gesmolten Zout Reactor (Molten Salt Reactor, MSR). Deze reactor gebruikt uitsluitend thorium, dat in de reactor eerst wordt omgezet in de splijtbare uraniumisotoop 233 (U233). Niet alleen dit is bijzonder, ook het feit dat de brandstof een thoriumzout is in gesmolten toestand.
We werken niet met zuiver thoriumfluoride, maar wel met een mengsel van (niet radioactieve) fluoriden van lithium en beryllium. Om het proces op gang te brengen wordt een kleine hoeveelheid uraniumfluoride toegevoegd. De temperatuur van dit gesmolten zoutmengsel (van daar de naam molten salt reactor, MSR) tot ca 550°C. Het gesmolten zout stroomt door een blok grafiet, waarin het kernproces plaatsvindt. De opgewekte hitte wordt afgevoerd via warmtewisselaars die turbines aandrijven om elektrische stroom te produceren.
De MSR is inherent veilig en dit om diverse redenen. Eén van de meest evidente is de zg. Freeze Plug (zie schema). Ventilatoren zorgen ervoor dat het zoutmengsel plaatselijk stolt tot een prop. Als de elektriciteitsvoorziening zou uitvallen, vallen de ventilatoren automatisch stil, de prop smelt en het zout vloeit weg in verschillende tanks. In elk van deze tanks is de massa thoriumzout onder het kritieke peil, zodat de kernreactie stilvalt. Bovendien worden de tanks door natuurlijke ventilatie gekoeld, zodat de vervalwarmte van de radioactieve splijtingsproducten in het zout altijd veilig kan worden afgevoerd.
Maar het zal normaliter nooit zover kunnen komen dat de ventilatoren zouden moeten stilvallen. Stel je voor dat de kernreactie uit de hand loopt. Dan stijgt de temperatuur van het zoutmengsel en daarmee gepaard zal het mengsel uitzetten, daardoor neemt de dichtheid af. Hierdoor komt in het geval van thorium het kernsplijtingsproces vanzelf tot stilstand.
Dit zijn maar een paar van de feiten die aantonen waarom een thoriumcentrale zo hoog scoort op gebied van veiligheid.
Verder is het goed om weten dat 100% van het thorium verbruikt wordt, dat er geen bijproducten zijn waarmee bommen kunnen worden vervaardigd en dat het afval al na 500 jaar niet meer gevaarlijk is. Bij uranium kan slechts 1% van de kernbrandstof gebruikt worden voor energieproductie, wordt er bij voorbeeld bommenmateriaal plutonium gevormd en blijft het afval vele duizenden jaren gevaarlijk.
USMarkets: op de website USMarkets.nl hadden we het al eerder over de mogelijkheid dat thorium een nucleaire revolutie zou kunnen ontketenen. En in het artikel Wordt nucleaire ramp start thoriumtijdperk opperden we de mogelijkheid dat als reactie op de kernramp in het Japanse Fukushima het ontwikkelen van thoriumcentrales meer wind in de zeilen zou kunnen krijgen.
Op deze artikels kwam veel respons, die samen te vatten is in twee thema’s, nl. proliferatie (aanmaken van splijtstof voor kernwapens) en beveiliging. Graag uw commentaar.
Proliferatie. De essentie van thorium als brandstof is het beschieten ervan met neutronen, waardoor uranium wordt gevormd. Dit laatste dient dan als kernbrandstof. Bij deze processen komen hoogradioactieve isotopen van thorium en uranium vrij. Het hoogradioactief uranium kan ook in kernwapens worden toegepast. Lijkt allemaal mooier dan het is. Technisch en financieel nog niet haalbaar.
Prof. Kloosterman: er komen geen hoogradioactieve isotopen van thorium en uranium vrij. Wel zijn er splijtingsproducten, dus de brokstukken die ontstaan uit de splijting van U233, hoogradioactief.
Men zou het splijtbare uranium kunnen isoleren, maar dit is omwille van de harde gammastraling van het nevenproduct U232 niet praktisch bruikbaar voor kernwapens. Dit zou trouwens een bijzonder moeilijke, gevaarlijke en dure manier zijn om een kernwapen te fabriceren.
Beveiliging. Het uitgieten van de radioactieve pap in water (noodprocedure bij calamiteiten) vergt een enorme hoeveelheid water om de zouten onder hun kritieke “verbrandingstemperatuur” te krijgen.
Prof. Kloosterman: dit is onzin. Om een MSR stil te leggen, volstaat het om het gesmolten zoutmengsel te laten wegvloeien in tanks, zoals eerder uitgelegd. Er komt hoegenaamd geen water aan te pas.
USMarkets: zoals we het nu zien, lijkt thorium het ei van Columbus. Hoe is het met de beschikbaarheid ervan?
Prof. Kloosterman: er is ongeveer 4x meer thorium dan uranium voorhanden. Zoals we al zegden, wordt alle thorium in de reactor verbruikt om energie te produceren. Op deze manier is er voldoende thorium beschikbaar voor tienduizenden jaren energieproductie.
USMarkets: ziet u reële kansen voor thoriumcentrales in Nederland en ook daarbuiten en zo ja, tegen wanneer?
Prof. Kloosterman: alles hangt af van de inspanningen die de overheden willen doen om de ontwikkeling van dergelijke centrales mogelijk te maken. In de jaren 1965 – 1969 zijn in de VS diverse types thoriumcentrales gedemonstreerd, waaronder ook de MSR. Sindsdien is er bijna geen onderzoek meer gaande. In die jaren trok men de uraniumkaart, omdat op die manier uranium of plutonium van wapenkwaliteit te produceren is.
Indien men nu zou besluiten om over te schakelen naar thorium, duurt het nog minstens 15 jaar vooraleer we industriële toepassingen zien van MSR’s.
USMarkets: dat lijkt ons toch nog een redelijk lange termijn.
Prof. Kloosterman: er zijn nog een aantal technische bottlenecks, die vooral te maken hebben met corrosie van de constructiematerialen. Het is namelijk moeilijk om het zoutmengsel voor een MSR zo zuiver te krijgen dat er geen corrosie van de installatie optreedt. Dat is dus vooral een chemisch probleem. Als dit opgelost zou zijn, kunnen MSR’s relatief vlug worden ingezet.
USMarkets: zal kernfusie niet sneller praktisch bruikbaar zijn dan MSR’s?
Prof. Kloosterman: economisch rendabele kernfusie zal nog heel lang op zich doen wachten als het er ooit van komt. De projecten JET (VK) en ITER (Frankrijk) hebben al handenvol geld gekost en na vele jaren is er nog geen sprake van netto energieproductie. Het rendement is nog altijd negatief, d.w.z. dat het meer energie vraagt om het proces op gang te brengen dan dat er energie vrijkomt.
De ‘kwetsbaarheid’ van het plasma en de stralingsschade van de materialen van de reactor zijn slechts twee van de kritieke punten. Als men een fractie van de budgetten van de kernfusieprojecten had besteed aan thorium en de MSR, zouden deze reactoren nu al draaien.
USMarkets: hoe staan de officiële EU-instanties tegenover thorium?
Prof. Kloosterman: enkele jaren geleden heb ik gedurende een Europees colloquium het thema thorium aangehaald. Er was eerlijk gezegd geen tot negatieve respons. Internationaal lijkt het tij enigszins te keren, nu begin dit jaar in China een groot project omtrent thorium is gestart. Het is wel te hopen, dat Europa snel aansluit.
USMarkets: en wat denkt u van de zg. hernieuwbare energie?
Prof. Kloosterman: windturbines, maar vooral fotovoltaïsche cellen, samen met thoriumcentrales zullen in de nabije toekomst instaan voor het gros van de stroomproductie.
USMarkets: wat kernenergie betreft trekt u dus de thoriumkaart?
Prof. Kloosterman: zeker en vast. De voordelen van thorium zijn zo evident, dat de ontwikkeling van thoriumcentrales er moet komen. In de aanloop naar de algemene toepassing van thoriumcentrales zullen inherent veilige uraniumcentrales, bij voorbeeld de al eerder geciteerde Zeer Hoge Temperatuur Reactor (VHTR), ingezet kunnen worden. Ook met die ontwikkeling loopt China voorop. Het is dus zaak om geen tijd te verliezen.
USMarkets: professor, veel dank voor dit verhelderende gesprek. In naam van USMarkets wens ik u veel succes met uw onderzoekswerk.
Tot slot sluiten we ons graag aan bij het standpunt van professor Kloosterman en hopen we, dat de efficiënte en veilige splijtstof thorium spoedig aan de beurt komt. Dat zou de huidige energieproblemen oplossen en ons toelaten om gedurende vele jaren te kunnen beschikken over betaalbare elektricteit.
Jan Van Besauw
Publicist voor USMarkets.nl