Thorium als energiebron

Als het gaat om het verminderen van de CO₂-uitstoot is kernenergie in zijn huidige vorm al een aantrekkelijke oplossing. Met name de milieubelasting en het ruimtebeslag zijn bij kernenergie veel gunstiger dan bij zon en wind. Met de nieuwste ontwikkelingen op basis van thorium als kernbrandstof belooft kernenergie nog aantrekkelijker te worden. Gebruik van thorium in gesmoltenzoutreactoren kan ons duizenden jaren voorzien van ruim voldoende, betaalbare, veilige, schone en CO₂-vrije energie.

Deze belofte van op thorium gebaseerde kerncentrales lijkt bijna te mooi om waar te zijn. En hoewel deze technologie nog niet productiematig beschikbaar is, zijn de verwachtingen inderdaad hooggespannen. In de volgende documentaire van EenVandaag lichten Nederlandse wetenschappers de aantrekkelijkheid van thorium als energiebron toe.

Een traditionele kerncentrale maakt gebruik van vaste radioactieve brandstofstaven gedompeld in een vat met koelvloeistof. Een thoriumcentrale gebruikt daarintegen een vloeistof waarin de kernreactie plaatsvindt. Het gaat daarbij om een vloeibaar zout. Het zout bevat de kernbrandstof, plus een aantal andere componenten die de reactie optimaliseren, het warmtetransport verzorgen en het zout stabiel houden. Het zoutmengsel is dus tegelijkertijd brandstof en koelmiddel, waardoor een zeer hoge warmteproductie mogelijk is. Anders dan in lichtwaterreactoren, het type dat gangbaar is in kerncentrales, kan het vloeibare brandstofmengsel te allen tijde in optimale conditie worden gehouden.

De technologie van deze zogenaamde gesmoltenzoutreactor (Molten Salt Reactor, of MSR) is een bewezen technologie. Al in de jaren zestig van de vorige eeuw heeft een proefreactor in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Amerika zo'n 4 jaar met succes gedraaid. Om allerlei redenen is in die tijd helaas gekozen voor de lichtwaterreactor, de technologie die we nu op grote schaal kennen. Op de website van de Nederlandse Stichting Thorium MSR wordt uitgebreider ingegaan op de geschiedenis en op de vraag waarom er op dit moment nog geen Thorium-MSR’s zijn.

Als er destijds wel was gekozen voor thorium, zou de wereld er nu heel anders uit hebben gezien. Grote kans dat we nu massaal kernenergie zouden gebruiken. Een thoriumcentrale heeft namelijk grote voordelen ten opzichte van een gewone kernreactor.

Volop energie

Een rij van 2,3 km wagons met hout levert evenveel stroom als 3 kg thorium — Afbeelding 1: Een rij van 2,3 km wagons met boomstammen levert evenveel stroom als 3 kg thorium.

Een thorium-centrale verbruikt maar heel weinig brandstof. Een centrale met een omvang van ongeveer 2 keer die van Borsele verbruikt per dag ruim 3 kilo thorium. Een centrale van die omvang kan een stad van 1 miljoen huishoudens van stroom voorzien. Ter vergelijking: om dezelfde hoeveelheid stroom te genereren is voor een gewone kerncentrale ongeveer 200 keer zoveel ruwe uranium nodig: 680 kg per dag. Een kolencentrale heeft voor dezelfde hoeveelheid stroom 3 miljoen keer zoveel brandstof nodig, dus per dag 9.000 ton steenkool. Dat is een rij wagons van 1,5 kilometer. En bij het gebruik van biomassa is per dag zelfs 14.000 ton hout nodig, een rij wagons van 2,3 kilometer. (Hargraves & Moir, 2010).

Thorium komt op aarde veel voor. Het is bovendien gemakkelijk winbaar. Dat betekent dat het mogelijk is om met behulp van thorium alle wereldbewoners vele duizenden jaren van schone en CO₂-vrije energie te voorzien.

Nauwelijks afval

Een thorium-centrale verbruikt niet alleen weinig brandstof, het produceert ook heel weinig afval. In onderstaande figuur is het verschil met gewone (licht water) kerncentrales geïllustreerd. Hierin wordt duidelijk dat een thoriumcentrale veel efficiënter omgaat met de brandstof en veel minder afval produceert. Het afval is bovendien veel minder lang radioactief. Het grootste deel is al na 10 jaar onschadelijk en ongeveer 17% moet over een periode van 300 jaar worden opgeslagen. Juist omdat het maar om een kleine hoeveelheid gaat, is dat gemakkelijk te doen. Simpel gezegd: een gesmoltenzoutreactor is veel beter in staat zijn brandstof helemaal op te gebruiken. Dat levert veel meer energie per kilo materiaal op, en veel minder afval.

Afbeelding 2: De verschillen in het verbruik van brandstof tussen een 'traditionele' (licht water) kerncentrale en een thoriumcentrale. Een thoriumcentrale verbruikt voor dezelfde hoeveelheid veel minder brandstof en levert veel minder afval op. Bron: (Hargraves & Moir, 2010)

Inherent veilig

Een ander belangrijk onderscheid met kerncentrales zoals we die op dit moment kennen, is de veiligheid van thoriumcentrales. Het aantal dodelijk ongevallen met kernenergie is weliswaar al erg klein, maar mensen zijn wel altijd erg angstig dat zoiets als een kernramp zal plaatsvinden. Thoriumcentrales zijn in verschillende opzichten erg veilig.

Elke kerncentrale genereert een flink aantal gevaarlijke bijproducten zoals radioactief jodium, cesium en strontium. Als deze elementen in het geval van een ongeval in de lucht verspreiden, kunnen ze schade aanrichten bij planten, dieren en mensen. In een gewone kernreactor zitten deze elementen opgesloten in de kernstaven in de centrale, maar deze kunnen in principe bij een ongeval zoals in Tjernobyl vrijkomen. In een gesmoltenzoutreactor zijn jodium, cesium en strontium – en andere splijtingsproducten – ionisch gebonden in het zoutmengsel en daarmee ongevaarlijk. Het is te vergelijken met keukenzout: het chloor en natrium (beide gevaarlijke stoffen) is door de ionische binding geheel veilig.

Afbeelding 3: Een gesmoltenzoutreactor is inherent veilig te maken. Bron: Stichting Thorium MSR

In tegenstelling tot de gebruikelijke reactoren staan gesmoltenzoutreactoren niet onder druk en ze bevatten geen water: er is niets aanwezig dat een explosie zou kunnen veroorzaken. Doordat de splijtstof is opgelost in het vloeibare zoutmengsel is er geen temperatuurverschil tussen splijtstof en koelmiddel en stopt de kernreactie vanzelf als de temperatuur te hoog wordt. Er is geen oververhitting, geen vorming van explosieve waterstof, geen kans op een kernsmeltongeval (meltdown). Ook het onttrekken aan de reactor van splijtbaar materiaal voor de productie van kernwapens is vrijwel onmogelijk.

Bovendien is in een gesmoltenzoutreactor een eenvoudig veiligheidsmechanisme in te bouwen, waarmee de centrale zichzelf stil legt in het geval alle (veiligheids)systemen zouden wegvallen. Het mechanisme werkt met een zogenaamde vriesplug: een prop gestold zout dat de afvoerleiding van het reactorvat dichthoudt. Stijgt de temperatuur of valt de stroom weg waarmee de plug wordt gekoeld, dan smelt deze en loopt het zout veilig in speciale opslagtanks waar de reactie direct stopt. Daar hoeft geen operator aan te pas te komen. De opslagtanks zijn zo ontworpen dat de vervalwarmte gemakkelijk weg kan.

Ten slotte is het zo dat gesmoltenzoutreactoren het risico op de verspreiding van kernwapens zeker niet vergroten, maar waarschijnlijk zelfs doen verminderen. Op de website van Stichting Thorium MSR wordt hier uitgebreider in ingegaan.

Flexibel inzetbaar

De gesmoltenzoutreactor heeft nog een bijzondere eigenschap dat hem heel geschikt maakt om hem te combineren met zonne- en windenergie. Als de centrale veel stroom moet produceren, zal er via de warmtewisselaar warmte aan de reactor worden onttrokken en daalt dus de temperatuur van het vloeibare zout. Doordat de dichtheid dan kleiner wordt, zal de nucleaire reactie intenser worden. Als er geen warmtevraag is (weinig stroomproductie) dan gebeurt het omgekeerde: de temperatuur stijgt en de nucleaire reactie neemt af. De centrale kan dus heel gemakkelijk inspelen op het onregelmatige aanbod aan zonne- en windenergie. Het gedrag zorgt bovendien voor extra veiligheid: stel dat een pomp uitvalt, waardoor de koeling stopt, dan stijgt de temperatuur. Echter maar tot een bepaalde waarde, omdat dan de reactie stopt.

Verder is de verwachting dat gesmoltenzoutreactoren op termijn geschikt zullen zijn voor de productie van waterstof (dat bijvoorbeeld ingezet kan worden voor CO₂-vrij transport). Het proces van elektrolyse waarbij met behulp van stroom water wordt gescheiden in watersof en zuurstof, verloopt een stuk efficiënter als dat bij hoge temperatuur plaatsvindt. De techniek hiervoor heet hogetemperatuurelektrolyse; stoom wordt hierbij tot hoge temperatuur gebracht, waardoor de elektrolyse per kilogram waterstof minder elektriciteit vergt.

Lage kosten

Tot nu toe heeft vrijwel al het onderzoek op het gebied van kernenergie zich gericht op lichtwater-uraniumcentrales. Door de jaren heen is een enorme hoeveelheid kennis opgebouwd om op een efficiënte en veilige manier dit soort centrales te bouwen. Dit geldt niet voor gesmoltenzoutcentrales. Om deze in een operationele fase te krijgen is nog veel werk nodig. Dat betekent dat de initiële ontwikkelingskosten hoog zijn.

Toch is de verwachting dat op termijn de kosten veel lager zullen uitpakken dan traditionele kerncentrales of centrales op basis van fossiele brandstoffen. Hiervoor zijn de volgende factoren van belang.

Thoriumcentrales werken op een hoge temperatuur van ongeveer 700 °C. Hogere temperaturen zijn gunstig voor de omzetting van thermische in elektrische energie, wat leidt tot een rendement van 45%-50% in plaats van de 33% die typisch is voor kolen en traditionele kerncentrales. Bovendien kan de overtollige warmte goed worden gebruikt, bijvoorbeeld voor waterstofproductie.
Gesmoltenzoutreactoren staan niet onder druk, waardoor de koepelconstructie minder zwaar is.
Door de inherente veiligheid kunnen de veiligheidssystemen eenvoudiger zijn dan in een gewone kerncentrale.
Lagere brandsofkosten: natuurlijk thorium in plaats van verrijkt uranium, geen fabricage van splijtsofelementen.
Geen periodieke stilstanden om de brandstofelementen te vervangen. Daar staat tegenover dat een thoriumcentrale een voorziening moet hebben om de zoutoplossing te zuiveren.
Door de genoemde eigenschappen leent dit type centrale zich waarschijnlijk goed voor seriematige productie. Het kan daarbij gaan om relatief kleine modulaire units van bijvoorbeeld 100 megawatt met een prijs van €200 miljoen, vergelijkbaar met de prijs van een passagiersvliegtuig.

Uitdagingen

Zoals hierboven aangegeven, is nog veel ontwikkelingswerk nodig om gesmoltenzoutreactoren op enige schaal in te zetten. De problemen daarbij zijn niet fundamenteel van aard, maar hebben vooral te maken met de te gebruiken materialen en processen om het zout veilig te gebruiken en schoon te maken. Zo moeten de reactorwanden en andere onderdelen gedurende een lange periode bestand zijn tegen de inwerking van de zoute vloeistof, en dat bij hoge temperatuur en radioactiviteit.

In verschillende landen loopt er op dit moment onderzoek naar thoriumreactors, onder meer in India, China en Noorwegen. In laatstgenoemd land is men vorig jaar met een 5-jarig experiment gestart met thorium als brandstof in een bestaande kernreactor. Op basis van de resultaten zal een besluit worden genomen om al dan niet verder te gaan met thorium. In China is in 2011 een onderzoekprogramma met een budget van €250 miljoen begonnen om thoriumreactoren te ontwikkelen. De Chinezen werken op dit moment aan een 2 MW test unit. Voor 2030 is een demonstratiereactor van 100 MW gepland.

Ook in Nederland liggen er belangrijke kansen op dit gebied. Aan de Technische Universiteit Delft vindt al lange tijd onderzoek plaats en heeft men de beschikking over een kernreactor die specifiek wordt ingezet voor onderwijs en onderzoek. Verder beschikt Nederland in het reactorcentrum Petten over een 45 MW hogefluxreactor, waar onder meer voor veel ziekenhuizen radioactieve isotopen worden geproduceerd. Deze reactor is bijzonder geschikt voor experimenteel onderzoek naar gesmoltenzoutreactoren. In mei 2017 heeft een groep wetenschappers en nucleaire specialisten het plan DIMOS gelanceerd, het Dutch Initiative on MOlten Salts. DIMOS is het plan voor een ambitieus ontwikkeltraject, opgebouwd rond de unieke mogelijkheid die Nederland heeft om het internationale gesmoltenzoutreactor-onderzoek drastisch te versnellen. De steun van de overheid voor dit initiatief is zeker gewenst. Het is waar dat voor de ontwikkeling van gesmoltenzoutreactoren een behoorlijke financiële inspanning nodig is, maar de omvang daarvan is een fractie in vergelijking tot de vele miljarden die nodig zijn voor de grootschalige inzet van zon en wind en de subsidies op elektrische auto's en biomassa.

Zie verder: