Is thorium een goed alternatief voor kernenergie?

Jan Leen Kloosterman

Tegenwoordig wordt veel gesproken over een nieuwe vorm van kernenergie gebaseerd op het gebruik van thorium in gesmoltenzoutreactoren. Hoe werkt dit proces en wat zijn de voordelen ervan?

Bij kernsplijting wordt een atoomkern gespleten in twee fragmenten, de zogenoemde splijtingsproducten. Dit proces kan alleen plaatsvinden als de atoomkern eerst in een hogere energietoestand wordt gebracht, bijvoorbeeld door absorptie van een neutron (ongeladen kerndeeltje). Naast de twee splijtingsproducten komen er bij splijting ook gemiddeld 2,5 neutronen vrij die op hun beurt ook weer een atoomkern kunnen splijten. Met de juiste verhouding van splijtstof en andere materialen, waaronder materialen die sterk neutronen absorberen zonder splijting te veroorzaken, kan een gecontroleerde kernsplijtingsreactie tot stand worden gebracht. Dit lukte de Italiaanse wetenschapper Enrico Fermi voor de eerste keer op 2 december 1942 in Chicago met een stapeling van uranium- en grafietblokken.

In de natuur komen twee vormen (isotopen) van uranium voor: uranium-235 en uranium-238. Beide hebben evenveel positief geladen protonen in de kern, maar een verschillend aantal neutronen. Uranium- 235 bevat 143 neutronen terwijl uranium- 238 er 146 bevat. De energie die vrijkomt bij absorptie van een neutron is voor uranium- 235 voldoende om te kunnen splijten, maar niet voor uranium-238. Als gevolg hiervan is alleen uranium-235 goed splijtbaar. Helaas komt dat isotoop maar voor 0,7 procent voor in natuurlijk uranium. Commerciële kerncentrales gebruiken uranium met een hoger gehalte aan uranium-235, ongeveer 5 procent. Het kunstmatig verhogen van de uranium-235 fractie wordt uraniumverrijking genoemd. Als de niet-splijtbare isotoop uranium-238 een neutron absorbeert zal dit worden omgezet in plutonium, waarvan sommige isotopen goed splijtbaar zijn maar andere niet. De laatste fractie levert langlevend kernafval op met een opslagtijd van enkele honderdduizenden jaren. Naast uranium komt ook veel thorium voor in de natuur. Thorium is geen splijtstof, maar een kweekstof. Dit element heeft 90 protonen in de kern, wat twee minder is dan bij uranium, en 142 neutronen. Hoewel natuurlijk voorkomend thorium dus maar één isotoop kent (thorium-232) die niet splijtbaar is, wordt deze na absorptie van een neutron wel omgezet in het splijtbare uranium-233.

Maar kan een reactor draaien op alleen thorium? Het antwoord valt uiteen in twee delen. Een kettingreactie kan nooit starten met alleen thorium, omdat thorium niet splijtbaar is. Maar als de kettingreactie éénmaal op gang is gebracht, kan de reactie wel in stand worden gehouden met thorium. Hiervoor zijn namelijk twee neutronen per splijting nodig, één om het thorium-232 om te zetten in splijtbaar uranium-233 en één om dat uraniumisotoop te versplijten, terwijl er gemiddeld 2,5 neutronen vrijkomen bij splijting.

Bovenstaande analyse toont aan dat een kernreactor prima kan draaien met alléén thorium als kweekstof mits er voldoende zuinig wordt omgesprongen met het aantal neutronen dat vrijkomt bij splijting. In de huidige generatie kernreactoren met vaste splijtstof en water als koelmiddel is dat niet het geval. Vandaar dat onderzoek wordt gedaan naar een nieuwe generatie kernreactoren die gebruikmaakt van een fluoridezout dat dient als koelmiddel én als medium om thorium en uranium in op te lossen. Er zijn verschillende zouten mogelijk, maar in alle gevallen betreft het een mengsel van een metaal en fluor (zoals keukenzout bestaat uit natrium en chloor). Het fluoridezout waarin de kernsplijtingen plaatsvinden en het thorium wordt omgezet in splijtbaar uranium-233, stroomt bij een hoge temperatuur (circa 750 oC) door kanalen in een groot blok grafiet. De warmte die vrijkomt bij de kernsplijtingen wordt in een warmtewisselaar afgestaan aan een tweede circuit en vervolgens omgezet in elektriciteit of proceswarmte.

Doordat de kweekstof (thorium-232) en de splijtstof (uranium-233) beide zijn opgelost in het fluoridezout, kan er continu een kleine fractie worden afgetapt en worden gezuiverd. De splijtingsproducten worden er dan uitgehaald en vers thorium wordt toegevoegd, waarna het zout wordt teruggevoerd naar de reactor voor verder gebruik. De productie van plutonium in het zout is een factor honderd tot duizend maal kleiner dan in de huidige generatie kerncentrales. Bovendien blijven deze elementen in het zout circuleren totdat ze zijn verspleten. Dit betekent dat de productie van langlevend kernafval met meer dan een factor duizend is afgenomen.

Bovendien maakt dit reactorconcept het mogelijk om het zout met daarin de splijtstof en de splijtingsproducten veilig op te slaan in tanks onderin het reactorgebouw. Hiertoe wordt een speciale ‘vriesplug’ geplaatst in een afvoerpijp onderin het reactorvat. Deze plug bestaat uit gestold zout dat van buitenaf wordt gekoeld en de afvoerpijp onder normale omstandigheden afsluit. Als de elektriciteitsvoorziening onverhoopt uitvalt, bijvoorbeeld door een natuurramp zoals zich in 2011 in Japan heeft voorgedaan, dan smelt de plug en stroomt het zout zonder menselijke ingrijpen in de veilige opslagtanks.

In de jaren zestig van de vorige eeuw heeft in de VS gedurende vijf jaar een demonstratiereactor, de Molten Salt Reactor Experiment, met succes gedraaid. Om een commerciële versie van de gesmoltenzoutreactor mogelijk te maken, is verder onderzoek nodig naar nieuwe materialen die langere tijd bestand zijn tegen de condities van een corrosief zout, een intens stralingsveld en hoge temperatuur. Ook is onderzoek nodig naar de eigenschappen van de splijtstofzouten en de processen om het zout te zuiveren. Er wordt echter ingezien dat er geen fundamentele problemen bestaan en dat de gesmoltenzoutreactor met thorium een nieuwe vorm van kernenergie is die veiliger en schoner is dan de huidige. Bovendien past deze reactor perfect in een mix van duur - zame energiebronnen, omdat hij zeer goed de fluctuaties in aanbod van zon en wind kan opvangen en daarmee een stabiliserende werking op ons toekomstig elektriciteitsnet kan hebben. Daarnaast bevat de aardkorst voldoende thorium om gedurende vele duizenden jaren alle elektriciteit wereldwijd op te kunnen wekken. Kortom: de inzet van thorium in gesmoltenzoutreactor vereist nog onderzoek, maar is een prima aanvulling op andere duurzame bronnen in onze toekomstige energievoorziening.