Thorium weer in beeld als duurzame energiebron

Onderzoeksinstituut NRG in Petten voerde deze zomer een reeks succesvolle experimenten uit met thorium. De proeven moeten nieuwe gegevens opleveren over de werking en het veilig gebruik van een gesmoltenzoutreactor die thorium als splijtstof gebruikt in plaats van uranium. beeld ANP, Bram van der Biezen
5

Schone kernenergie zal altijd wel een droom blijven. Maar kernenergie met thorium als brandstof komt daar wel dicht bij in de buurt. Onderzoekscentrum NRG in Petten blies deze zomer het onderzoek naar de kernbrandstof thorium nieuw leven in.

Ideeën om thorium in te zetten als kernbrandstof zijn er al langer dan vandaag. In 1969 startte de Amerikaanse kernfysicus Alvin Weinberg in het Oak Ridge National Laboratory (VS) experimenten met een thoriumcentrale, een zogeheten gesmoltenzoutcentrale. Het programma werd in 1976 stopgezet vanwege geldgebrek.

Kernenergie staat momenteel weer in de belangstelling. Daarmee kan elektriciteit worden opgewekt zonder dat daarbij veel van het broeikasgas CO2 wordt geproduceerd. Kerncentrales zijn weer in beeld als alternatief voor de kolen-, gas- en oliecentrales.

In haar huidige vorm heeft kernenergie echter een slechte naam, onder meer door kernrampen in Tsjernobyl en Fukushima. Daarnaast is uranium als kernbrandstof zeldzaam en duur in de verwerking. Het kernafval is verder bruikbaar om er atoombommen van te maken. Bovendien is er nog steeds geen aanvaardbare langetermijnoplossing voor de definitieve eindberging van het kernafval dat nog millennia gevaarlijk zal blijven.

Uranium als kernbrandstof is dus problematisch, maar de belangstelling voor thorium wakkert weer aan. In tegenstelling tot uranium is thorium in overvloed op aarde beschikbaar en dus relatief goedkoop. Het hoeft niet zoals uranium te worden verrijkt; een duur, moeizaam en inefficiënte proces.

Aantrekkelijk

Wat thorium als kernbrandstof aantrekkelijk maakt, is dat het relatief veilige kernenergie betreft. Een gesmoltenzoutreactor is intrinsiek veilig: er kan geen meltdown ontstaan. De radioactieve afvalstoffen van een gesmoltenzoutreactor vervallen relatief snel –na enkele eeuwen– tot ongevaarlijke elementen. Ook is het kernafval van een centrale die draait op thorium praktisch ongeschikt voor de productie van kernbommen, omdat er geen plutonium ontstaat. Dat maakt het tot een ideale kandidaat als schone energiebron.

De Nuclear Research and consultancy Group (NRG) in Petten startte deze zomer, 45 jaar na het eerste experiment met de thoriumreactor in Amerika, een reeks experimenten met thorium. Dit nucleaire onderzoeksinstituut in Petten is gebouwd rond de zogeheten hogefluxreactor, een kleine kernreactor die bekend is vanwege de productie van radio-isotopen voor medische toepassing. Daarnaast heeft het centrum uitgebreide faciliteiten voor nucleair materiaalonderzoek.

De proeven moeten gegevens opleveren over de werking en het veilig gebruik van een gesmoltenzoutreactor –”Molten Salt Reactor”– die thorium als splijtstof gebruikt in plaats van uranium.

„Dit is een veelbelovende techniek voor grootschalige energieproductie. Het is in principe de veiligste en efficiëntste oplossing op het gebied van kernenergie”, zegt Sander de Groot, reactorspecialist bij de NRG.

Overtuigend

Nederland is in staat om een fundamentele bijdrage te leveren aan het internationale onderzoek om de gesmoltenzoutreactor nieuw leven in te blazen. „In Petten beschikken we daarvoor over unieke faciliteiten”, aldus De Groot.

In de jaren 60 van de vorige eeuw bleek overtuigend dat de reactor technisch zeker haalbaar is. „Maar dat is erg lang geleden”, zegt projectmanager Irene Bobeldijk. „Vandaag de dag is er behoefte aan nieuwe en meer gedetailleerde kennis. Ons onderzoek, dat juist is gestart, wil er daarom aan bijdragen de hernieuwde interesse met goed gefundeerde gegevens te ondersteunen.”

Dit betreft het Salt Irradiation Experiment (Salient). Onderzoeker Ralph Hania, die hier leiding aan geeft, legt uit dat Salient vooral is bedoeld om ervaring op te doen met het gebruik van splijtingsbrandstof in de vorm van gesmolten zout. „Het is een serie experimenten en we zullen die stap voor stap afwerken.”

De NRG kijkt ook naar het gedrag van dat zout en de splijtingsproducten die in de zouten worden gevormd. In dit project werkt de NRG nauw samen met Joint Research Centre in Karlsruhe. De Duitsers beschikken over de expertise om de sterk gezuiverde zouten te maken die nodig zijn voor de Salient-experimenten.

De wetenschappers bekijken onder meer of de materialen waaruit een reactor is opgebouwd bestand zijn tegen de omstandigheden die optreden bij een nucleaire reactie in het gesmolten zout. Zo lopen de temperaturen van het vloeibare lithium- en thoriumfluoridezout op tot circa 600 graden Celsius. Ook veroorzaakt de sterke neutronenstraling grote kans op corrosie van het inwendige van reactievat. De onderzoekers bestuderen welke gassen er vrijkomen en hoe het zout reageert wanneer het na afkoeling stolt. Ook willen ze weten hoe ze het beste met het afval van een gesmoltenzoutreactor kunnen omspringen.

Toekomstig

Alles bij elkaar zal het Salient-onderzoek belangrijke gegevens opleveren voor het ontwerp van toekomstige gesmoltenzoutreactoren. Het gaat bijvoorbeeld over de materialen die kunnen worden gebruikt en wat de geschikte samenstelling van het zoutmengsel is. Het gaat om langdurige experimenten, in eerste instantie voor de komende vijf jaar.

„Dat onderzoek zal veel geld kosten, maar dat is het waard”, vindt kernreactorspecialist Sander de Groot. „We kunnen hiermee bijdragen een unieke technologie op de kaart te zetten voor het veilig opwekken van kernenergie.”

----

Uraniumalternatief wereldwijd in de belangstelling

Thorium staat sinds het begin van deze eeuw wereldwijd weer in de belangstelling als kernbrandstof. Het concept van de gesmoltenzoutreactor lijkt definitief uit de mottenballen gehaald.

Zo draait er in China een omvangrijk nucleair onderzoeksprogramma. Het land wil de snelle groei van de CO2-uitstoot een halt toeroepen. Om die reden verrijzen er tal van kerncentrales. Het land telt 36 kernreactors, terwijl er 21 in aanbouw zijn. De meeste draaien op uranium.

Maar China wil ook snel werk maken van gesmoltenzoutreactoren. Zij bouwen onder meer een demonstratiereactor, die sterk lijkt op de experimentele reactor in Oak Ridge (VS) uit de jaren zestig. Circa 700 medewerkers verrichten daar onderzoek, onder wie honderd promovendi. Thorium is voor China zeer interessant als kernbrandstof, ook al omdat het land massa’s thorium produceert als bijproduct van het mijnen van zeldzame aardmetalen.

India bouwt sinds 2004 in Kalpakkam een eigen thoriumreactor. De Kudamkulamcentrale die voor het eind van dit jaar in gebruik genomen moet worden.

Ook Rusland maakt werk van thorium als kernbrandstof. Het Kurchatov Instituut heeft het zogeheten Mosartproject gestart. Daarin werken wetenschappers aan een gesmoltenzoutreactor die kan draaien op plutonium. Het land slaat twee vliegen in één klap: het gebruikt waardeloos afval opnieuw en vernietigt isotopen uit het kernafval die anders nog duizenden jaren radioactief zouden zijn geweest.

Een vergelijkbaar onderzoek loopt momenteel in Europa naar de Molten Salt Fast Reactor (wMSFR). De MSFR draait gewoonlijk op thorium, maar kan ook kernafval vernietigen met een enorme halfwaardetijd. Dit zogeheten Samofaronderzoek wordt onder leiding van TU Delft uitgevoerd door elf Europese universiteiten en onderzoeksinstituten. Ook werken in Nederland diverse universiteiten en bedrijven samen onder de naam Dutch Initiative on Thorium Molten Salt Reactors (Dimos). Hun onderzoeksprogramma moet leiden tot het beschikbaar komen van „Onuitputtelijke energie, schoon, betrouwbaar en CO2-vrij.”

Verder zijn er tal van start-ups, zoals Terrestrial Energy uit Canada, die een gesmoltenzoutreactor willen ontwikkelen voor de verbranding van bestaand kernafval. In de VS houdt Terrapower zich ermee bezig. Het bedrijf krijgt financiële steun van Bill Gates (bekend van Microsoft) en het Amerikaanse bedrijf Transatomic Power, dat zich ook bezighoudt met de ontwikkeling van een gesmoltenzoutreactor.