Een nog veiligere kerncentrale die veel minder langdurig radioactief afval produceert, dat zou mogelijk zijn als de reactor geen uranium gebruikt, maar thorium. Toch zijn er nauwelijks thoriumcentrales. Waarom niet? NEMO Kennislink beantwoordt vijf vragen over thoriumreactoren.
Misschien verschijnen er straks naast ‘s lands enige kerncentrale in het Zeeuwse Borssele twee gloednieuwe exemplaren. De politiek laat deze uitbreiding momenteel onderzoeken. Zeker is dat als deze centrales er komen, ze op uranium gaan draaien, zoals vrijwel alle kernreactoren in de wereld.
Er bestaat een alternatief: ook met het element thorium kun je in een kernreactor energie opwekken zonder CO2-uitstoot. Deze zogenoemde thoriumcentrales zijn volgens experts in een aantal opzichten zelfs beter dan de uraniumreactoren: de kans op nucleaire ongelukken zou kleiner zijn, en de reactor produceert geen plutonium, waardoor er veel minder langdurig radioactief afval ontstaat.
Waar wachten we op? Nogal eens pleiten mensen voor een overstap op thorium, dat merkt ook de redactie van NEMO Kennislink in de commentaren op artikelen over kernenergie. Er draaiden eerder al kernreactoren op thorium, maar de weg naar thorium als energiebron van betekenis is nog lang. Alleen China maakt wat dat betreft stappen. NEMO Kennislink beantwoordt vijf vragen over kerncentrales die draaien op thorium.
Voertuigen in de open uraniummijn van Rössing in Namibië.
Wikimedia commons, IAEA Imagebank via CC BY-SA 2.0Wat is thorium?
De Zweedse chemicus Jöns Jacob Berzelius ontdekte thorium in 1828. Hij vernoemde het nieuwe element met atoomnummer 90 naar de dondergod Thor. De stof zit in bepaalde mineralen en is zeldzaam. Toch is er op aarde naar schatting meer dan vier keer meer thorium dan uranium, het meest zeldzame element op de planeet. Thorium wordt (beperkt) toegepast om onder meer materialen hittebestendig te maken.
Het kan ook dienen als de zogenoemde kweekstof in een kerncentrale: een reactor zet thorium om in uranium, wat vervolgens een gecontroleerde kernreactie ondergaat. Hierbij komt veel energie vrij. Een speciale reactor heeft weliswaar uranium nodig om de kernreacties op te starten, maar draait vervolgens enkel op toegevoegd thorium. Wereldwijd zijn er voldoende thoriumreserves om op deze manier voor de lange termijn in onze elektriciteitsbehoefte te voorzien.
Waarom produceert een thoriumcentrale minder radioactief afval?
Om energie op te wekken gebruikt een kerncentrale meterslange staven met daarin uraniumdioxide. Deze zogenoemde splijtstof moet al vervangen worden als slechts een klein deel van het uranium een kernreactie heeft ondergaan. De staven zijn dan namelijk vervuild met splijtingsproducten, zoals strontium en cesium, en bijproducten als plutonium en americium. Plutonium is nog herbruikbaar in reactoren, maar voor een deel van de stoffen is langdurige opslag het eindstation. Ze blijven tienduizenden of zelfs honderdduizenden jaren radioactief.
De opslagkamer voor hoogradioactief afval van het COVRA in het Zeeuwse Borssele.
Roel van der Heijden voor NEMO KennislinkEen kernreactor zet thorium eerst om in uranium voordat het kernsplijting ondergaat, dus in feite vindt in zowel een thorium- als in een uraniumcentrale splijting van uranium plaats. Het verschil zit in de zogenoemde isotopen: een thoriumreactor genereert en splijt uitsluitend uranium-233 (een uraniumkern met 92 protonen en 141 neutronen), terwijl een uraniumreactor uranium-235 (een kern met 92 protonen en 143 neutronen) splijt, maar ook uranium-238 omzet in zware en radioactieve elementen. Berekeningen wijzen uit dat er zo’n honderd tot duizend keer minder langdurig radioactief afval uit een thoriumkerncentrale komt. Het resterende afval is bovendien niet tienduizenden, maar honderden jaren gevaarlijk.
Hoe maak je een thoriumcentrale waar geen meltdown mogelijk is?
De splijtstof in de huidige kerncentrales heeft permanente koeling met water nodig. Zo niet, dan kunnen de staven met uranium zo heet worden dat ze smelten en de reactor beschadigen: een meltdown. Dat gebeurde bij de kernrampen in Tsjernobyl in 1986 en Fukushima in 2011.
Een zogenoemde gesmoltenzoutreactor, waarin je thorium kunt gebruiken, lost dit probleem op. De splijtstof zit dan niet in vaste staven, maar in een vloeibaar zout met een temperatuur van zo’n 700 graden Celsius. Het zout zorgt tevens voor het afvoeren van de geproduceerde warmte — in feite is het de koelvloeistof. Valt om een of andere manier de toevoer van deze koelvloeistof naar de reactor uit, dan voert het zout ook geen nieuwe splijtstof meer aan. De kernreactie houdt vanzelf op, terwijl het zout veilig opgeslagen zit in tanks onder het reactorgebouw.
Waarom hebben we geen thoriumcentrales?
De eerste kernreactor die thorium als splijtstof gebruikte, stond in het Amerikaanse Indian Point Energy Center. Vanaf 1962 produceerde reactor 1 energie met splijtstofstaven van thorium. De reactor maakte deel uit van een onderzoeksprogramma, dat uiteindelijk verderging met uranium. In veel andere landen is er mondjesmaat geëxperimenteerd met thorium als splijtstof.
Toch brak thorium niet door als dé nucleaire splijtstof van de wereld. Sommige testreactoren lieten zien dat het thorium minder lang mee ging dan verwacht. Uranium werd het werkpaard van de nucleaire industrie. Speciale uraniumreactoren konden bovendien plutonium produceren voor kernwapens, wat niet lukt met thorium.
In de kerncentrale in het Amerikaanse Indian Point werd in de jaren zestig voor het eerste geëxperimenteerd met een thoriumreactor.
flickr.com, Tony Fischer via CC BY 2.0Hoe staat de techniek er nu voor?
In Europa testen wetenschappers binnen het onderzoeksprogramma SAMOSAFER onderdelen van een gesmoltenzoutreactor met thorium; de TU Delft is daarbij betrokken. Onderzoekers hopen de techniek de komende dertig jaar zo ver te ontwikkelen dat die voldoet aan de toekomstige veiligheidseisen. In de Verenigde Staten is er na de experimenten in de jaren zestig weinig onderzoek gedaan naar thoriumreactoren.
Veel ogen zijn nu op China gericht. Het land staat op het punt om een gesmoltenzoutreactor in gebruik te nemen en daarin ook te experimenteren met thorium. De bedoeling is dat dit leidt tot een grootschaligere toepassing van de techniek in het volgende decennium. India heeft de grootste thoriumreserves in de wereld en sprak eerder de ambitie uit om in 2050 bijna een derde van in het land benodigde energie uit thoriumcentrales te halen. De bouw van een eerste proefreactor laat tot op heden echter op zich wachten.