De toekomst van kernenergie

Goedkope elektriciteit, geen plutonium en geen meltdowns. Dat zijn de beloftes van de gesmoltenzoutthoriumreactor. De TU Delft heeft subsidie gekregen om onderzoek te doen naar deze bijna utopische reactor.

Wat moeten we doen om mensen ervan te overtuigen dat we het hier hebben over een ander soort van kernenergie, dat deze techniek toekomst heeft? Als ik in het parlement over kernenergie begin, dan denkt iedereen meteen aan Fukushima.”

Deze smeekbede kwam 17 april uit het publiek tijdens een symposium over thoriumgesmolten zoutreactoren in de aula. Hij was afkomstig van Tweede Kamerlid André Bosman. De VVD’er ziet het wel zitten met de thoriumreactor. Maar zie politici en kiezers maar eens voor kernenergie te enthousiasmeren na de kernramp van Fukushima.

“Jij hebt nog een veel zwaardere taak dan ik als onderzoeker”, reageerde de Amerikaan Kirk Sorensen vanaf het podium. Sorensen heeft gevoel voor ironie. Hij is een van de meest fervente aanhangers van thoriumreactoren. In 2005, toen hij voor Nasa werkte, vatte hij het plan op om een energiecentrale voor de maan te ontwikkelen. De beste optie was volgens hem een reactor die op thorium draait. Maar, bedacht hij, zulke reactoren zijn ook uiterst geschikt voor op aarde. Met zijn start-up Flibe Energy hoopt hij er als eerste een op de markt te brengen.

De Amerikaan moet snel zijn. Tijdens het symposium vertelde de Canadees Dave Leblanc dat zijn bedrijf Terrestrial Energy in 2024 al een reactor in werking hoopt te hebben. En Leslie Dewan, een 29-jarige alumnus van het Massachusetts Institute of Technology begon vier jaar geleden het bedrijf Transatomic Power en haalde enkele miljoenen op van investeerders om een thoriumreactor te bouwen.

Wegbereiders
Start-ups die menen dat de dagen van uranium geteld zijn, schieten als paddenstoelen uit de grond, vooral in de Verenigde Staten, Canada, Engeland, Scandinavië en Duitsland. Thorium heeft volgens hen de toekomst. Een handjevol van deze wegbereiders presenteerde zijn plannen tijdens het symposium.

Ook Delftse onderzoekers beklommen het podium. Wetenschappers van de TU gaan leiding geven aan een Europees thoriumonderzoeksproject van 3,5 miljoen euro. Partners zijn onderzoeksinstituten uit onder meer Duitsland, Frankrijk, Italië en Zwitserland.

Net als bij de bovengenoemde plannen gaat het bij dit Europese project specifiek om onderzoek naar de thoriumgesmolten zoutreactor, ook wel Thorium MSR genoemd (molten salt reactor). In dit type reactor zit de brandstof (thorium) opgelost in een vloeibaar zout van lithiumfluoride of berylliumfluoride dat tegelijk dient als koelmiddel. De druk in de reactor is laag, waardoor de kans op een explosie nihil is. Als er een lek is, stroomt tegelijk met het koelmiddel ook de brandstof uit de reactor weg waardoor de reacties in de reactor stilvallen. De zoutoplossing stolt en al het radioactief materiaal blijft in het zout zitten. Dat is althans de theorie.

Grote droom
Dr.ir. Jan Leen Kloosterman van het Reactor Instituut Delft is trekker van het project en organisator van het symposium. Hij breidt de lijst voordelen van de Thorium MSR met gemak uit.

“Thorium komt ontzettend veel voor op aarde. Er is vier keer meer van dan uranium. Bovendien gebruiken we maar één procent van het uranium dat in de natuur voorkomt. Dus een thoriumreactor kan honderden keren meer energie uit thorium vrijmaken dan we nu uit uranium halen. In India zijn stranden waar een kilogram zand vijftig gram thorium bevat. Daarmee kun je evenveel elektriciteit opwekken als met honderdduizend liter benzine. Het is mijn grote droom om die energie uit thorium te onttrekken.” Volgens Kloosterman produceert de Thorium MSR geen langlevend radioactief afval en geen plutonium. “Het kan ook zeer efficiënt bestaand afval van kerncentrales en kernwapens opruimen en omzetten in energie.”

De technologie van de gesmoltenzoutreactor is niet nieuw. De bedenker, Alvin Weinberg, had van 1965 tot 1969 een MSR in bedrijf in de Verenigde Staten. De Weinbergreactor leek veelbelovend. Toch werd het project stopgezet. Een van de verklaringen: landen hadden behoeften aan grote hoeveelheden plutonium voor het maken van kernbommen.Voor de productie daarvan waren kernreactoren nodig die op uranium draaiden.

De thoriumreactor mag dan voortborduren op eerder werk, de onderzoeksopgave is nog enorm. Er is vooral veel onduidelijkheid over de levensduur van de materialen die in de reactor gebruikt moeten worden. En ook de chemie van het zout moet beter bestudeerd worden. Dat het nog een grote opgave is, daarover liet materiaalonderzoeker, en symposiumspreker, prof.dr.ir. Jilt Sietsma (3mE) geen misverstand bestaan. “Moet je kijken wat een rotzooi”, zei hij, wijzend naar een foto van een pokdalige metalen plaat gemaakt van een nikkellegering. Nikkel is een van de materialen die hoge ogen gooit voor het leidingenwerk in de reactor. “Het is helemaal kapot gebombardeerd door radioactieve straling.”

Er is nog veel onduidelijk over de levensduur van de materialen die in de reactor gebruikt moeten worden

Volgens de materiaalonderzoeker zijn er geen heftigere plekken op aarde dan het binnenste van de thorium MSR. “Het materiaal is daar onderhevig aan een hoge temperatuur. Het zout is 700 graden Celsius, dat is de helft van de smelttemperatuur van nikkel. Het lithiumfluoride zorgt voor corrosie en dan heb je ook nog eens het continue bombardement van radioactieve deeltjes. Ergere omstandigheden zijn ondenkbaar.”

Toch is Sietsma absoluut geen thoriumscepticus. “Ik denk dat we de materiaalproblemen allemaal kunnen oplossen, mits we er maar voldoende onderzoek naar doen.” De thoriumreactor kan volgens Sietsma het gat vullen tussen duurzame en fossiele energie. “Zonnepanelen en windmolens zijn geweldig. Maar deze ontwikkelingen gaan niet snel genoeg. En het andere alternatief, kernfusie, is ook nog te ver weg.”

Miljard euro
Enkele dagen voor het symposium bezocht Sietsma met Delftse collega’s de Energiecommissie van de Tweede Kamer om het thoriumonderzoek onder de aandacht te brengen. “We hebben een miljard euro nodig, verspreid over twintig jaar”, zegt Sietsman.

Volgens de Delftenaren wordt vooralsnog alleen in Azië krachtig in MSR-technologie geïnvesteerd. In China is enkele jaren geleden een onderzoeksprogramma gestart waar honderden wetenschappers aan werken. “De volgende generatie thoriumreactoren komt uit China. Tenzij we er in Europa echt werk van gaan maken”, zei Kloosterman in 2012 al tegen Delta.

Het gedrag van het fluoridezout is het andere grote aandachtspunt binnen het Europese project. Trekker van deze onderzoeksrichting is hoogleraar splijtstofcycluschemie prof.dr. Rudy Konings (Technische Natuurwetenschappen), ook verbonden aan het Institute for Transuranium Elements in Karlsruhe. Hij vertelde dat er later dit jaar bij de Hoge Flux Reactor van het NRG in Petten een experiment plaatsvindt waarbij fluoridezout wordt bestraald.

Een van de dingen die Konings hoopt uit te zoeken is of radioactief materiaal, waaronder cesium en jodium, werkelijk blijft vastzitten in het zout, zoals de theorie voorspelt, mocht er ooit iets weglekken.

Tegenstanders
Tijdens het symposium waren er wat kritische noten, maar het concept van de thoriumgesmoltenzoutreactor leek door iedereen omarmd te worden. Toch zijn er in de wereld genoeg fervente tegenstanders. Een daarvan is Arjun Makhijani, voorzitter van het Institute for Energy and Environmental Research, een Amerikaanse denktank en lobbyclub die tegen kernenergie is. Makhijani bestrijdt de notie dat de thoriumreactor vanuit terroristisch oogpunt veilig is omdat hij geen plutonium maakt. Volgens hem produceert de reactor een stof die nog veel gevaarlijker is: uranium-233.

De Thorium MSR draait op thorium, maar omdat dit element niet splijtbaar is, moet het eerst door een neutronenbombardement in de reactor omgezet worden in het splijtbare uranium-233. Als je zout uit de reactor aftapt en het uranium-233 eruit haalt, dan kun je als terrorist of als schurkenstaat je lol op. Met uranium-233 kun je namelijk nog makkelijker vuile bommen maken dan met plutonium, redeneert Makhijani op zijn website.

Het risico hierop is volgens Makhijani des te groter omdat dit aftappen standaard al zal gebeuren bij MSR-reactoren. Om de kernreactie op gang te houden, moet het zout opgeschoond worden. Het stroomt in kleine hoeveelheden door een processing tank waar splijtstoffen en andere ongewenste bijproducten uit het zoutmengsel gevist worden.

Volgens Jan Leen Kloosterman schuilt in het aftappen van uranium-233 geen groot gevaar. Of juist wel. Dat hangt er maar vanaf hoe je het bekijkt. Voor bommen hoeven we ons volgens hem geen zorgen te maken. “In het zoutmengsel zit ook uranium-232. En dat is heel gemeen spul. Dat zendt een enorme hoge dosis gammastraling uit. Daar ga je als terrorist heel snel aan dood.”

Wat is het verschil tussen een ‘gewone’  en een gesmoltenzoutreactor?
In bestaande lichtwaterreactoren (KWR) bestaat de splijtstof uit tabletten van uranium-dioxide omgeven door een lange gasdichte metalen huls van een zirkoniumlegering. Deze splijtstofpinnen worden gebundeld tot splijtstofelementen waarvan enkele honderden samen de reactorkern vormen.

De afvalproducten die bij kernsplijting ontstaan zijn radioactief en produceren warmte, ook als de splijtstofreactie wordt gestopt. Als deze vervalwarmte niet wordt afgevoerd, bijvoorbeeld door grote schade aan het koelsysteem ten gevolge van een aardbeving, zoals in Fukushima, kunnen de splijtstofstaven oververhit raken. Uiteindelijk kunnen de splijtstofstaven zelfs smelten waardoor radioactieve stoffen vrijkomen.

Daarnaast gebruikt dit type reactor maar één procent van het beschikbare uranium en wordt er bij bestraling van de in de brandstofelementen aanwezige niet splijtbare uraniumsoort het gevaarlijke plutonium geproduceerd. Dit kan weliswaar worden hergebruikt, maar volledige hergebruik vereist een nieuw type kerncentrale, een snelle natrium gekoelde kweekreactor, die nog niet bestaat. De gesmoltenzoutreactor kent deze problemen niet. Omdat de splijtstof wordt opgelost in een gesmolten zout, is er geen temperatuurverschil meer tussen splijtstof en koeling. Daarbij stopt de kernreactie automatisch als de temperatuur te hoog wordt. Er kan dus niets oververhit raken, er kan geen explosief waterstof gevormd worden en er kan geen meltdown optreden.

Maar volgens de Delftse onderzoekers is de mooiste eigenschap van de MSR dat alle brandstof verspleten wordt en omgezet in elektriciteit. Dat geldt voor thorium, maar ook voor bestaand gevaarlijk kernafval dat beetje bij beetje in de reactor kan worden opgestookt.

De resterende splijtingsproducten zijn binnen driehonderd jaar nauwelijks meer radioactief. Dit vergemakkelijkt de geologische opberging. En heel belangrijk, het resterende afval zou ongeschikt zijn voor de productie van kernwapens.

 

Foto: OAK Ridge National Laboratorium

Foto: OAK Ridge National Laboratorium

Blijf op de hoogte van het onderzoek

Ontvang de Delft Integraal nieuwsbrief 4 keer per jaar