Groene kernenergie: helemaal 21ste eeuw

Een kerncentrale die niet kan wegsmelten, geen langdurig gevaarlijk afval produceert, geen materiaal voor kernwapens maakt, evenmin de lucht in kan gaan en waarvoor voor duizenden jaren brandstof voorhanden is: de liquid fuel thorium reactor. Kernenergie helemaal van deze tijd. Komt eraan.

Het is dat je met kernenergie zo onwijs veel stroom genereert en tegelijkertijd zo lekker weinig CO₂, maar anders had niemand er nog aan gewild. Want de nadelen staan als een huis: het kleine maar altijd loerende risico dat de koeling wegvalt en de reactorkern in een chaotische rondedans van straling wegsmelt; de noodzaak hoog radioactief afval langer veilig op te slaan dan de mensheid tot nu toe bestaan heeft; en altijd de dreiging dat iemand in plaats van er een centrale mee op te stoken van het splijtingsmateriaal een atoombom maakt en je die vervolgens op het hoofd gooit. Niets komt nu eenmaal voor niks.

Maar ‘goedkoper’ kan het wel. Er zijn al diverse typen kerncentrales in een vergevorderd stadium van ontwikkeling die in hoge mate aan deze bezwaren tegemoet komen. Met als waarschijnlijk absolute hoogtepunt de liquid fuel thorium reactor (LFTR; spreek uit: ‘lifter’), waar zo te zien geen enkel nadeel meer aankleeft. Het is een centrale die niet met uranium gestookt wordt, zoals alle huidige types, maar met thorium, een grondstof die zelf nauwelijks radioactief is en waarvan de wereldvoorraad ongeveer vier maal zo groot is als die van uranium. Al in de jaren vijftig en zestig is er in de VS mee geëxperimenteerd – er heeft zelf een kleine proefcentrale gedraaid – maar begin jaren zeventig heeft men het thoriumpad verlaten ten faveure van uranium. Want wat nu gezien wordt als een nadeel van uranium als brandstof, was toen een voordeel: er kwam veel plutonium bij vrij. En daar kon je heel goed atoombommen van maken om de Koude Oorlog mee op te warmen.

Alle voordelen van thorium ten spijt – we komen er straks op terug – zal het nog wel tientallen jaren duren vooraleer de lifter – meer in het algemeen de MSR (zie feitenlint hieronder), voor: molten salt reactor – de uraniumcentrale zal hebben vervangen. Want niet alleen gaat met het ontwerpen en bouwen van kerncentrales tientallen jaren heen, alle kennis en ervaring die de afgelopen zestig jaar met kernenergie is opgedaan, hebben betrekking op uraniumcentrales. Zoveel kennis geef je niet zomaar op; dat zou pure kapitaalvernietiging zijn.

Duurzaam en veilig

Waarom dan toch zo nodig het roer volledig om en overschakelen op thorium? Vanwege veiligheid en vooral duurzaamheid, zegt kernreactorfysicus Jan Leen Kloosterman van de TU Delft. Dat heeft alles te maken met hoe zo’n centrale werkt. Dat gaat ongeveer als volgt:

In een reactorvat wordt in een grafietblok met koelkanalen, een mengsel gebracht van vloeibaar thoriumfluoride (Th-232) opgelost in fluorzouten, die ook als koelvloeistof dienen. De temperatuur in het vat is desondanks hoog, wat de boel goed vloeibaar houdt. Er wordt om te beginnen ook een beetje uranium (U-235) bijgemengd, want thorium is op zichzelf niet splijtbaar – de splijtstof moet worden gemaakt. Kort door de bocht: het U-235 schiet een neutron af op het Th-232, dat daardoor Th-233 wordt, wat snel vervalt tot protactinium-233, wat verder vervalt tot U-233. Die stof is splijtbaar en valt uiteen, waarbij energie vrijkomt alsmede een neutron, dat weer Th-233 aanmaakt uit de aanwezige Th-232, waardoor de reactie in principe eindeloos doorgaat, zolang productie en consumptie van U-233 maar in evenwicht blijven.

Een ‘meltdown’ is in principe uitgesloten: het splijtbare materiaal is immers al gesmolten. Maar er is meer bescherming tegen oververhitting: als de temperatuur te hoog oploopt, zet de vloeistof uit, waardoor er minder van in het reactorvat overblijft en de kettingreactie afneemt.

Het oververhittingsgevaar bij kerncentrales – zoals in Fukushima – steekt hem vooral in het feit dat de vervallende splijtingsprodukten bij het wegvallen van de noodkoeling ook nadat de splijtingsreactie zelf gestopt is, te veel hitte genereren die niet kan worden afgevoerd. Bij de MSR is dit gevaar ondervangen door een systeem van passieve koeling: er loopt een leiding van het primaire circuit naar daaronder gelegen reservoirs, die passief (door lucht die eromheen stroomt) gekoeld worden. De leiding is afgesloten door een prop bevroren zout. Die prop wordt in stand gehouden door een koelinstallatie. Valt de stroom uit, dan stop de koeling, smelt automatisch de prop en stroomt het zout de opslagreservoirs in, waar het kan afkoelen. ‘Dat de kettingreactie in kerncentrales uit de hand loopt, zoals in Chernobyl, heeft alles te maken met het ontwerp van de centrale’, zegt Kloosterman. ‘Een centrale die werkt met positieve terugkoppeling, waarbij je dus actief moet optreden als het dreigt mis te lopen in plaats van dat het systeem zelf automatisch dempend reageert, komt eigenlijk niet meer voor. Het enige echte gevaar zit hem in die restwarmte. Ook op dat punt is de MSR inherent veilig.’

Bovenaanzicht van de proefreactor waarmee in de jaren 70 is geexperimenteerd in Oak Ridge, VS

Nauwelijks afval

Van uranium wordt in een centrale – afgezien van snelle kweekreactoren – maar een heel klein deel gebruikt. In een MSR wordt alle thorium opgebruikt. Wat overblijft is een geringe hoeveelheid radioactief materiaal, dat in hooguit vijfhonderd jaar is uitgestraald. Nog steeds geen spul dat je in je kelderkast wil hebben staan, maar ook niet iets waarmee je een wissel op de verre toekomst trekt en waarvan je voor vele tienduizenden jaren zeker moet weten dat het niet in omloop komt.

Voor het maken van kernwapens levert zo’n centrale nauwelijks geschikt materiaal op. Er wordt geen plutonium gemaakt. Wel wordt er gewerkt met U-233, waarmee je een kernbom zou kunnen maken, maar die isotoop raakt altijd vervuild met een klein beetje U-232, dat heel heftig gammastralen uitzendt, waardoor je er niet met goed fatsoen mee kunt werken en bovendien alle elektronica in de bom onklaar zou worden gemaakt. Die straling is ook nog van grote afstand te detecteren. Probeer dan maar eens stiekem een bom te knutselen.

Niet alleen levert een MSR zelf weinig radioactief afval op – van de ongewenste stoffen plutonium en americium produceert hij naar schatting een duizendste tot een tienduizendste (voor Pu) van wat een uraniumgestookte centrale oplevert –, hij leent zich ook voor het opstoken van bijvoorbeeld plutonium dat van gewone kerncentrales is overgebleven en zelfs van het splijtingsmateriaal van kernbommen die over de tht-datum heen zijn. Bovendien kan met zo’n centrale ook waterstof gemaakt worden, zodat via die afgeleide ook de transportsector op thorium zou kunnen draaien.

En, oh ja, je maakt met zo’n centrale ook stroom, heel veel stroom.

Kostbare aanloop

Als de voordelen zo in het oog springen en er geen duidelijke nadelen aan een MSR kleven, waarom staat de wereld er dan niet vol mee? Zoals altijd heeft dat vooral met economische overwegingen te maken. Ga maar eens een heel nieuwe energieleverancier ontwikkelen als je al zestig jaar ervaring met een ander systeem hebt opgebouwd. Ga maar eens vechten tegen een bestand van 440 uraniumcentrales die nog tientallen jaren meekunnen. Er gaan vele honderden miljoenen mee heen om ook maar één thoriumcentrale te bouwen vanaf het punt waar men nu is in de ontwikkeling. ‘En dat geld’, zegt Kloosterman, ‘wordt niet meer door overheden – met name ministeries van Defensie – gefourneerd, zoals in de begintijd met de uraniumcentrales goeddeels het geval was, maar zal door civiele instellingen moeten worden opgehoest.’ Veel van dat geld zal gaan zitten in al het theoretische voorwerk dat gedaan moet worden. ‘Het berekenen en optimaliseren van de temperatuur, druk, dichtheid van materialen; het zuiveren van de brandstof’, zegt Kloosterman. ‘Kortom, alle fysische en chemische aspecten die we in de vingers moeten krijgen.’

Zo zal zelfs gestudeerd moeten worden op de samenstelling van de wanden van de vaten en leidingen die de uiterst agressieve fluorzouten moeten bevatten. En die dat tientallen jaren aaneen moeten doen, want doordat de brandstof in een MSR vloeibaar is, hoef je het splijtingsproces niet stil te leggen om afgewerkte brandstof te ontladen en nieuwe brandstof aan te voeren.

Het kan dus nog wel even duren voordat de eerste lifter staat te pruttelen. Maar er wordt aan gewerkt. In Delft net als in China, India en een tiental andere landen.

Feiten

Kernenergie voor Frankrijk onmisbaar
14% van de wereldenergieproductie komt van de splitsing van uranium. Voor Frankrijk bedraagt dit percentage zelfs 75.

Duur uranium in overvloed; goedkoop thorium ook
De aardkorst bevat 40 maal zoveel uranium als zilver en drie tot vijf maal zoveel thorium als uranium. Goedkoop uranium ($130/kg) is er genoeg voor 80 jaar (bij 15ct/kWh). Bij $260/kg is er genoeg voor 800 jaar. Bij $450/kg (uit zeewater) genoeg voor miljoenen jaren. (Bron: NPS-9)

Weinig afval
Een kerncentrale – ongeacht welk type – met een vermogen van 500MWe levert per jaar circa 500 kilo splijtingsproduct op (krypton, xenon, barium en diverse andere). Dat straalt na 300 jaar weer net zo weinig als het uraniumerts deed in zijn oorspronkelijke toestand. Plutonium, dat alleen bij uraniumcentrales ontstaat, doet daar ruim 100.000 jaar over.

MSR en LFTR
Molten Salt Reactor (MSR) is de naam van alle typen reactoren waarin de brandstof (of –stoffen) is opgelost in zout, chloor- of fluorzouten. De Liquid Fluor Thorium Reactor (LFTR) is een specifiek type van deze reactorsoort, namelijk die welke thorium als brandstof heeft.

Thorium uitweg voor India
In India is relatief veel onderzoek naar thoriumreactoren gedaan. Het land heeft het non-proliferatie pact (NPT) niet ondertekend, en mocht derhalve niet winkelen op de uraniummarkt, terwijl het zelf maar over weinig uranium – maar wel veel thorium – beschikt. Pas in 2009 maakten nieuwe verdragen aan deze situatie een eind.

Ook in China
Eind januari 2011 heeft de Chinese Academie van Wetenschappen aangekondigd een project te starten om binnen twintig jaar tot de bouw van een LFTR te komen en dan meteen ook de hele ontwikkelde technologie in intellectueel eigendom te hebben. Kan de rest van de wereld daar komen shoppen.

For more information, please contact  j.l.kloosterman (at) tudelft.nl