Kan thorium de volgende generatie kernreactoren van energie voorzien?

Sommige wetenschappers denken dat het element thorium het antwoord is op onze problemen met kernenergie. Maar waarom? En wat is het precies?

Waarom is dit belangrijk?

In het licht van de energietransitie krijgt kernenergie steeds meer aandacht. Zonne- en windenergie kunnen helpen de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, maar ook koolstofarme kernenergie zal wereldwijd naar alle waarschijnlijkheid deel blijven uitmaken van de energiemix. Kernenergie brengt echter bepaalde risico’s met zich mee: het stralingsgevaar van kernafval en, als de kern van de reactor smelt: een milieuramp van ongekende omvang.

Hoewel kernenergie niet de broeikasgassen produceert die bij andere elektriciteitsbronnen een probleem vormen, brengt het bepaalde risico’s met zich mee. Om te beginnen is de verwijdering van radioactief afval uit kerncentrales een hachelijke onderneming – wat te doen met dergelijke gevaarlijke bijproducten? En wat gebeurt er als de kern smelt en een milieuramp veroorzaakt, zoals in 1986 in Tsjernobyl? Er zijn nog andere issues, maar gezien onze huidige energiesituatie zijn er genoeg redenen om te blijven werken aan het veiliger maken van kernenergie.

Kernreactoren werken op basis van kernsplijting, een nucleaire kettingreactie waarbij atomen worden gesplitst om energie te produceren (of in het geval van kernbommen: een enorme explosie).

“Ongeveer 450 kernreactoren zijn wereldwijd in bedrijf, en ze hebben allemaal brandstof nodig”, vertelt Steve Krahn, professor aan de Vanderbilt University en expert in nucleaire techniek, aan de educatieve website How Stuff Works. Hij merkt op dat deze reactoren voor het grootste deel draaien op uranium-235 (U-235). Landen die de brandstof gedeeltelijk recycleren – Frankrijk, Rusland en enkele andere naties – mengen er gerecycleerd plutonium-239 in om wat men noemt gemengd-oxide brandstof te maken.

Plutonium is een bijproduct van gebruikte splijtstof uit een kernreactor, en het kan de basis vormen voor recycling van splijtstof uit de huidige kernreactoren (zoals in Frankrijk en Rusland wordt gedaan). Het is echter zeer giftig en het is het meest gebruikte materiaal voor kernwapens, wat een van de redenen is waarom wetenschappers andere opties zijn blijven onderzoeken.

Wat is thorium?

Eén van die opties is thorium (Th). Dat werd ontdekt door Jons Jakob Berzelius in 1828, die het vernoemde naar Thor, de Noorse god van de donder. Sommige wetenschappers zien er het antwoord in op onze problemen met kernenergie.

Thorium is een licht radioactief, wereldwijd voorradig metaal – ongeveer even voorradig als tin; het komt zelfs meer voor dan uranium. Het is ook wijdverspreid, met bijzondere concentraties in India, Turkije, Brazilië, de Verenigde Staten en Egypte.

Het is belangrijk op te merken dat thorium geen brandstof is zoals uranium. Het verschil is dat uranium “splijtbaar” is, wat betekent dat het een duurzame kettingreactie veroorzaakt als je maar genoeg uranium op één plaats tegelijk kunt krijgen.

Thorium daarentegen is niet splijtbaar – het is wat wetenschappers “vruchtbaar” noemen. Dat betekent dat als je thorium met neutronen bombardeert (het in wezen een jump-start geeft in een reactor die werkt met materiaal zoals uranium), het kan worden getransformeerd in een uraniumisotoop uranium-233, dat wel splijtbaar is en geschikt is voor het opwekken van energie.

Voor- en nadelen van thorium

Thorium werd gebruikt in verschillende eerste kernfysica-experimenten – Marie Curie en Ernest Rutherford werkten ermee. Uranium en plutonium werden meer geassocieerd met nucleaire processen tijdens de Tweede Wereldoorlog, omdat zij de duidelijkste weg boden om bommen te maken.

Voor energieopwekking heeft thorium enkele reële voordelen.

  • Uranium-233 gevormd uit thorium is een efficiëntere brandstof dan uranium-235 of plutonium, en de reactoren smelten wellicht minder snel omdat zij tot hogere temperaturen kunnen werken.
  • Ook wordt er tijdens de werking van de reactor minder plutonium geproduceerd, en sommige wetenschappers beweren dat thoriumreactoren de tonnen gevaarlijk plutonium kunnen vernietigen die sinds de jaren vijftig zijn gecreëerd en opgeslagen.
  • Bovendien zijn sommige wetenschappers van mening dat een vloot van reactoren die werken op thorium en uranium-233 beter bestand is tegen proliferatie, aangezien er meer geavanceerde technologie nodig is om uranium-233 uit de afvalproducten te scheiden en te gebruiken voor het maken van bommen.

Er zijn echter ook nadelen aan thorium.

  • Thorium en uranium-233 zijn gevaarlijker (radioactiever) om chemisch te verwerken. Om die reden zijn ze moeilijker te bewerken. Het is moeilijker om splijtstofstaven van uranium-233 te vervaardigen.
  • De nucleaire sector heeft er vooralsnog minder ervaring mee dan met uranium.
  • Bovendien is thorium, zoals eerder opgemerkt, geen brandstof.

“Als we onze planeet van energie willen voorzien met een brandstofcyclus die thorium en uranium-233 gebruikt, moet er voldoende uranium-233 worden geproduceerd in andere soorten reactoren om de eerste uranium-233-reactoren van brandstof te voorzien”, zegt Krahn.

“Als dat lukt, zijn de methoden om thorium-232 en uranium-233 chemisch te verwerken en er splijtstof van te maken vrij goed ingeburgerd; er moeten echter installaties worden gebouwd om deze processen uit te voeren”, klinkt het nog.

Thorium gebruiken voor energie

Er zijn verschillende manieren waarop thorium kan worden gebruikt voor energieproductie. In Noorwegen ontwikkelt en test Thor Energy, een nucleair techbedrijf, een thoriumhoudende brandstof voor gebruik in bestaande kerncentrales. Wereldwijd zijn er al meer dan 20 reactoren in bedrijf met brandstof die gemaakt is van thorium en uranium-233.

Een ander vooruitzicht dat wetenschappers en voorstanders van kernenergie enthousiasmeert, is de gesmolten-zoutreactor (zie onderstaande afbeelding). In deze centrales wordt de splijtstof opgelost in vloeibaar zout dat tevens dient als koelvloeistof voor de reactor. Het zout heeft een hoog kookpunt, zodat de centrales efficiënter elektriciteit kunnen opwekken en zelfs enorme temperatuurpieken niet zullen leiden tot massale reactorongevallen zoals die in Fukushima.

Het lijkt misschien op science fiction, maar een dergelijke reactor werd in de jaren zestig in de Verenigde Staten geëxploiteerd en wordt momenteel gebouwd in de Gobi-woestijn in China en in de Amerikaanse staat Wyoming (met Bill Gates als geldschieter).

Bron: International Atomic Energy Agency (IAEA)

Critici

Volgens sommige critici blijft de haalbaarheid van gesmolten-zoutreactoren echter twijfelachtig, omdat er nog meer technische problemen door ontstaan.

“Bij zeer hoge temperaturen kan het zout de structuren van de reactor aantasten, die op de een of andere manier moeten worden beschermd”, aldus Jean-Claude Garnier, hoofd van de Franse Commissie voor Alternatieve Energie en Atoomenergie (CEA) in de Asia Times.

Hoe dan ook is het interessant om de ontwikkelingen in de Gobi-woestijn en Wyoming te blijven volgen – zij het met de nodige scepsis.

(kg)

Meer
Markten
Mijn Volglijst
Markten
BEL20