Thoriumreactoren voor energievoorziening

9 september 2007. Bijdrage geleverd door Rembrandt Koppelaar.

thoirum_logo.pngIn de jaren ’50 van de vorige eeuw werd de grote belofte gedaan van een onuitputtelijke stroom schone nucleaire energie. Jarenlang kwamen er tientallen kerncentrales bij totdat diverse ongelukken met als slotakkoord Chernobyl leidde tot decennialange stilte. De afgelopen jaren beleeft de nucleaire industrie echter een opleving waarin nieuwe dromen geboren worden. Één daarvan is de ophanden zijnde thoriumreactor.

Een nieuwe vorm van kernenergie, gevoed door het naar de Noorse dondergod vernoemde element thorium. Volgens de nucleaire industrie zou er bij dit type reactor geen meltdown mogelijk zijn, geen materiaal voor kernwapens geproduceerd worden, het radioactieve afval maar een aantal honderden jaren een probleem opleveren en de stroom vrij goedkoop opgewekt worden voor zeer lange tijd aangezien thorium meer voorkomt in de natuur dan uranium.

Dat klinkt té optimistisch, de recente breedgedragen interesse in de thoriumreactor in Noorwegen geeft echter een reden om erin te geloven. Die interesse is zeer opmerkelijk, aangezien het land namelijk altijd gevrijwaard gebleven is van kerncentrales wegens een gewortelde tegenbeweging. De Noren hebben echter de afgelopen twee jaar een radicale omslag gemaakt mede dankzij een fikse publiekscampagne. Nu de bevolking om is heeft het Ministerie van Petroleum & Energie een speciale commissie in het leven geroepen om de voordelen en risico’s van een thoriumreactor op een rijtje te zetten. Eind 2007 komt de commissie met haar eindrapportage, waar drie Noorse energiemaatschappijen geduldig op wachten om een licentie te verkrijgen. Statkraft, Bergen Energi en het toepasselijk genaamde Thor Energi. De CEO van het Noorse staatsbedrijf Statkraft, Bård Mikkelsen, vatte de nieuwe overweging tot het bouwen van een Thoriumcentrale samen met de woorden: “It would be a sin of omission not to consider it”. Die overtuiging wordt gedeeld door de Noorse investeringsmaatschappij Scatec AC en de buren van het Zweedse Vatenfall en het Finse Fortum waar Statkraft in mei een alliantie mee sloot.

De thoriumreactor, is de techniek er klaar voor?

Thorium is een atoom dat in tegenstelling tot uranium niet uit zichzelf splitst. De kernreactie wordt gaande gehouden door er neutronen op af te schieten die worden geabsorbeerd. Het natuurlijke Thorium-232 verandert dan kort in het onstabiele Thorium-233 om achtereenvolgens in Proactinium-233 te transformeren om tot slot in het eindproduct Uranium-233 te veranderen, welke weer in een nieuwe reactiecyclus gebruikt kan worden. In deze cyclus komt energie vrij waarmee zoals gebruikelijk water verwarmd wordt voor de opwekking van stoom opdat een turbine aangedreven kan worden. Het mooie van thorium in tegenstelling tot Uranium is allereerst de lichtheid van het molecuul waardoor er minder radioactieve stoffen vrijkomen en ten tweede de absentie van Plutonium in de gehele cyclus wat het proliferatieprobleem tot nul reduceert. Sterker nog, er kan plutonium toegevoegd worden in de reactie wat geabsorbeerd en onschadelijk gemaakt wordt. Zodoende komt er veel minder afval vrij dan bij een via uranium gevoede reactor, dat ook nog eens maar 500 jaar lang sterk radioactief blijft.

Het probleem is het op gang krijgen en houden van de splijtreactie. Het Uranium-233 wat aan het einde van de brandstofcyclus vrij komt produceert niet voldoende neutronen. De reactie stopt daarmee vanzelf, wat de veiligheid ten goede komt. Het levert alleen wel een probleem op, want het afvuren van neutronen op de benodigde schaal stelt een uitdaging aan de techniek. De door de Italiaanse Nobelprijswinnaar Carlos Rubbia uitgedokterde Accelerator Driven System (ADS) zou een uitkomst kunnen zijn. De reactor vuurt protonen op lood waardoor er neutronen vrijkomen die botsen met het thorium, zodoende komt de splijtreactie op gang. Volgens de Europese Organisatie voor Kernenergie Onderzoek (CERN), is dit type reactor financieel en technisch haalbaar. Labtests wijzen uit dat de theorie ook in de praktijk werkt. Maar de zeer hoge investeringskosten om een nieuw experimenteel ontwerp op de schaal van een echte kernreactor uit te dokteren en te gaan bouwen zorgt vooralsnog niet voor een doorbraak.

De stap naar ADS is er een die te ver gaat. Meer kans maakt het ontwerp van kernenergiespecialisten Thorium Power. Zij gebruiken een brandstofstaaf van plutonium om de reactie op gang te brengen, waaromheen een mengsel van thorium en uranium is gewikkeld. Het grote voordeel is dat het voor kernwapens te gebruiken plutonium hiermee efficiënt opgeruimd wordt, door er energie mee te produceren. Het ontwerp kan in tegenstelling tot de ADS met enige aanpassingen in gangbare kerncentrales toegepast worden. De eerste centrale die op deze manier stroom produceert is er al, de Russische IR-8 onderzoeksreactor van het Kurchatov Instituut in Moskou. Tegen 2010 verwacht Thorium Power de commerciële markt op te gaan met haar ontwerp. Zij denkt een niche te kunnen vinden in het opruimen van het resterende kernwapens klare plutonium in de wereld.

Meer achtergrondinformatie: Wikipedia, World Nuclear Association, Cosmo Magazine , Effecten van Thorium op de gezondheid

Reactie's

  • Rembrandt
    Dank Pieter voor de toevoegingen, wellicht een idee om een keer een workshop kernenergie te geven ?
  • Pieter
    Oja, even terug naar de oorspronkelijke draad, er is nog een probleem dat thoriumreacoren delen met snelle kweekreactoren en kernfusiereactoren namelijk veel snelle neutronen (veel meer dan in een klassieke grafiet of lichtwaterreactor). Snelle neutronen tasten de kristalstructuur en daarmee de stevigheid van je reactorvat aan. Ondanks een jaar of 50 research is het nog stteeds niet echt mogelijk gebleken om voor dat probleem een energie-economische oplossing te vinden.
  • Pieter
    PUREX is dus dus gewoon efficienter opwerken. Waar laten ze de actiniden? Aha, in een kweekreactor of 'gewoon' ala kernbrandstof.
    Bij het gebruik van plutonium als kernbrandstof zijn de bekend bezwaren op het gebied van proliferatie van toepassing. "Toevoeging' van Pu 140 om de kernbrandstof minder gemakkelijk bommateriaal te maken levert ernstige veiligeidsproblemen in de verwerking op en is ideaal voor een 'vuile bom'.
    Ik ben nog steed op zoek naar een goede methode om radioactieve actiniden te doen verdwijnen binnen 50 jaar. De processen die jij noemt voldoen daar -nog- niet aan. Overigens ben ik het met het deel van de melieubeweging dat zich tegen opwerking verzet (oa greenpeace) op dit punt oneens. Zelfs netto-energieverliezers zijn op termijn een serieuze optie om de doodeenvoduge reden dat we iets met de grote hoeveelheden actiniden moeten die al geproduceerd zijn. De aanwezigeid van enorme hoeveelheden langdurig radioactief materiaal betekent dat we ons een echt doemscenario type Olduvai theory niet kunnen veroorloven zolang er niets een deze materialen is gedaan.
  • Ronald
    Nog even iets over de Integral Fast Reactor en pyroprocessing: deze technieken zijn momenteel (helaas?) om economische redenen verlaten, maar mogelijk, dat ze bij de zgn. generatie IV reactoren weer ter sprake komen. Deze worden echter niet voor 2030 op commerciële schaal verwacht.
  • Ronald
    @Pieter: ik heb helaas geen info meer kunnen vinden over bestralingstechnieken (irradiation); misschien was dit alleen iets theoretisch mogelijks, maar technisch lastig en vooral kostbaar (slechte EROI?).
    Wel veel te vinden over 'Nuclear reprocessing' (o.a. Wikipedia), zoals ook in La Hague plaatsvindt (vooral PUREX methode). het belangrijkste doel ervan is om met name plutonium eruit te winnen, hetgeen dan weer gebruikt kan worden als kernbrandstof.
    Veelbelovend was (is?) pyroprocessing (Pyro-A en -B), zoals in de experimentele Integral Fast Reactor en Argonne National Laboratory. Dit haalt alle gevaarlijke actiniden (plutonium, uranium, curium, ...) uit het afval, waardoor het resterende afval veel minder gevaarlijk, veel minder in volume (enkele % van oorspronkelijk) en met name veel korter 'levend' is (enkele eeuwen opslag). Vereist dan wel snelle kweek reactoren om gescheiden actiniden weer efficient te gebruiken als kernbrandstof.
    Ik las enige tijd geleden iets over reprocessing in (waarschijnlijk?) La Hague, waardoor het (bijv. naar Borssele) teruggezonden resterende afval na 50 à 100 jaar opslag gewoon in de wegenbouw of beton verwerkt kon worden. Ik heb hier nu geen bronnen voor gevonden, maar ongetwijfeld is dit te verifiëren.
  • Pieter
    Het eindproduct van de cyclus zelf is een probleem en wordet op grote schaal geproduceer in ADS reactors., Uranium 233, is radioactief (alfa straler) en heeft een halfwaardetijd van 160.000 jaar. Het is ook een mogelijke basis voor de bouw van kernwapens. Daarom is India, met zijn kleine vorraad uranium en grote voorraad thorium, een fan van thoriumreactors. Bijproduct U232 is zwaar radioactief (met een kortere halfwaardetijd van 70 jaar). En zoals alle uranium isotopen kunnen ze zeer gemakkelijk in het milieu komen en door organismen worden opgenomen.
    Het enige voordeel ten opzichte van de traditionele reacorts is dat er mogelijk veel thorium in de grond zit en dat een meltdown onmogelijk is bij ADS reactors. Ik heb geen gegevens gevonden over de EROI van de cyclus en/of de broeikasuitstoot van de cyclus (winning, transport, bouw reactors). Verrijking en versnelling van de reactie door middel van deeltjesversnellers is een oude bekende uit de begintijd van de uraniumindustrie (Manhattan project) en is toen verlaten wegens EROI problemen.
  • @Pieter,

    Excuus voor de elementaire onzin (atomen inderdaad, niet goed bij nagedacht...).

    Hoelang zijn die radioactieve elementen die door ADS vrijkomen vervelend?
  • Pieter
    Ik wordt een beetje kriebelig van een kernenergie artikel waarin begonnen wordt met een elementaire onjuistheid (er worden echt geen moleculen gesplitst in een trhriumreactor, maar wel een atoomkern). Nog wat puntjes; neutronen afvuren op lood (ADS) levert naast de gevraagde snelle neutronen een aantal heel vervelende radioactieve elementen op, en over de proliferatie aspecten van een reactor die draait op plutonium brandstofstaven als neutronenbron, die van Thorium Power dus, hoeven we het al helemaal niet te hebben. Het is een leuke manier voor de russen om van hun oude plutonium en verarmd uranium voorraden uit de koude oorlog af te komen maar dan houdt het toch echt op.
    Nog even een reactie op een comment (mag dat?) van Robert over bestralingtechnieken; interessant verhaaltje, heb je ook cijfers? Wat doet dei techniek met de EROI van het proces en wat is de halfwaardetijd van de eindproducten?
  • Ronald
    Er bestaat mogelijk nog een goed nucleair alternatief: de Integrale Snelle Reactor (één van de typen snelle neutrone reactoren, snelle kweek reactoren), dit is de Amerikaanse Integral Fast Reactor, welke helaas in een experimenteel stadium werd afgebroken. Hiermee wordt de nucleaire brandstof zéér efficient gebruikt en ze zijn inherent (passief) veilig. Zie 'Integral Fast Reactor ' op (Engelse) Wikipedia.

    Ik dacht overigens, dat er ook nucleaire bestralingstechnieken bestaan, om het huidige radioactief afval een veel kortere levensduur te geven (dus om te zetten in elementen met een veel kortere halfwaardetijd), hetgeen volgens mij ook al in Frankrijk gebeurt.
    Dus die 'vele millennia' of '200.000 jaar', etc., o.a. van Diederik Samson, is dan een fabeltje of tenminste een overdrijving.

    Ten slotte: wat Noorwegen betreft lijkt hun kust me redelijk geschikt voor een hele hoop windenergie.
  • Robbert
    Opruimen plutonium en energie opwekken uit een relatief overvloedige en economisch rendabele bron klinkt op papier als een goed idee. Ik hoop dat ze die reactorblauwdruk snel afhebben (voor het model dat lood gebruikt). Het lijkt mij een goede toevoeging aan de energiemix totdat er een werkend fusiereactor model is.

    Draagvlak creeren voor dergelijke reactors kan echter nog lastig worden in Nederland, atoomenergie wordt altijd als een slecht iets gezien vanwege de risico's (die meestal samenhangen met verouderde slecht onderhouden reactors), terwijl het feitelijk de oplossing voor onze energieproblemen op de lange termijn is. Ik hoop dat er snel ingezien wordt dat dit een beter alternatief is dan kolencentrales.
  • Niet, kwestie van vertrouwen. Tot nog toe gaat het ook goed met het afval van de huidige kerncentrales (hoewel de tijd begint te dringen om met een oplossing te komen).
  • 'afval slechts een paar honder jaar gevaarlijk'
    En hoe verzekeren de bouwers van deze kerncentrales dan dat het tot die tijd veilig opgeborgen wordt?
    Lijkt me een tamelijk onmogelijke zaak.
  • Rembrandt
    @Ark

    Dank voor deze info, bij mij niet bekend

    @Oliemarc

    Mijnbouw, komt veel in de grond voor in Noorwegen, India, Vs, Canada en Australie. Zie:

    http://www.world-nuclear.org/info/inf62.htm
  • oliemarc
    Misschien een domme vraag, maar waar haal je Thorium in leuke hoeveelheden vandaan?
  • Ark
    Eén van de grootste bedrijven op het gebied van silicium/wafers/zonnecellen voor fotovoltaïsche zonne-energie zit in Noorwegen. REC Renewable Energy Corporation is gevestigd in Oslo en genoteerd aan de Noorse beurs (beurswaarde 13 miljard Euro). Ook een flink deel van de productie zit in Noorwegen.
  • Rembrandt
    Daar heb je wel een punt paul, vooral met betrekking tot die energie-armoede van 2 tot 3 miljard. Zou het komen doordat ze zelf weinig zon en weinig gunstige wind locaties hebben dat ze vooral investeren in biomassa en waterkracht? Naast een mentaliteit die gericht is op het nationale?
  • Jammer dat de rijke Noren hun (olie en gas) geld niet veel meer besteden aan het veel sneller dan nu ontwikkelen van technieken voor de winning van duurzame energiebronnen, die ook in ontwikkelingslanden kunnen worden toegepast. Dus efficientie en zonne-energie, daarmee kan de olie- en gaspiek veel eerder worden opgevangen en de energie-armoede van 2 of 3 miljard mensen verminderd. En dat is hard nodig.
  • Bedankt voor dt bericht en de nuttige uitleg.
    Het lijkt een schone optie als aanvulling op wind en zonne-energie.
blog comments powered by Disqus
Creative Commons License