Er wordt tegenwoordig nogal wat ruchtbaarheid gegeven aan de thoriumroute als alternatief voor uraniumreactoren. En terecht! Die technologie heeft van 1964 tot 1969 in Oak Ridge gedraaid.
Dat werk is goed gedocumenteerd. De haalbaarheid werd hierbij aangetoond, wat uiteraard nog lang niet betekent dat het proces al tot industriële rijpheid ontwikkeld is. Dat laatste wordt door de aanhangers gemakshalve nogal eens vergeten.
Deze technologie biedt inderdaad zeer veel voordelen in vergelijking met de uraniumtechnologie. De proponenten argumenteren echter – naar mijn mening verkeerd – op een defensieve manier. Ze proberen aan te tonen dat ze de bezwaren van de tegenstanders kunnen weerleggen. Ik denk niet dat hier veel vreugde te rapen valt. Mensen geloven niet dat wat ze zien, maar dat wat ze willen geloven. Wat de radicale activisten willen geloven? Dat kernenergie des duivels is! En verder niets.
Eigenlijk is de naam ‘thoriumweg’ zelf al misleidend, geboren uit de wens zich toch maar zo ver mogelijk van uranium te distantiëren. Want het eerste wat in een thoriumreactor moet gebeuren is het volgende:
Of in mensentaal: Een neutron met de juiste energie (niet te snel en ook niet te traag) treft een thoriumkern en wordt geabsorbeerd. Hierbij worden twee neutronen in protonen omgezet en dan krijgen we uranium 233. Deze isotoop komt in de natuur niet voor. Bij die reactie(s) komen twee elektronen vrij, die we sowieso nodig hebben om de elektronenschil volledig te bezetten. We hebben namelijk twee neutronen in protonen omgezet, dus is de positieve lading van de kern met twee eenheden gestegen.
Dat gaat in de werkelijkheid natuurlijk niet zo simpel maar via twee tussenstappen.
Nu zitten we in een uraniumsysteem, maar wel een ander dan het normaal gekende. Daar waar onze lichtwaterreactoren met Uranium 235 werken gebruiken we hier Uranium 233. Dat maakt een hemelsbreed verschil want die isotopen leiden tot sterk verschillende splijtingspaden.
Uranium 233 is zwak radioactief maar splijtbaar. Het kan door absorptie van verdere neutronen ook tot uranium 235 omgezet worden en zo verder. Dat zijn dan echter nevenreacties die we niet zo graag zien.
We moeten dat uranium 233 echter wel eerst ‘uitbroeden’. Dat gebeurt in een normale lichtwaterreactor. Pas dan kan de thoriumreactor starten. Zodra de reactie loopt en er voldoende neutronenflux is kunnen we thorium 232 toevoegen. De reactor kan dan niet enkel zijn eigen brandstof (Uranium 233) doen ontstaan, maar zelfs – indien dat gewenst is – een klein overschot daarvan genereren. Daar uranium 233 slechts zwak radioactief is, kunnen we er voorraden van aanleggen.
We zien hier wel dat de beide cycli (uranium en thorium) gekoppeld zijn. Daar loopt geen weg langs.
Thorium komt op de aarde ongeveer evenveel voor als lood. Dat is dus drie maal meer dan uranium. Die factor drie is misleidend, omdat de bruikbare (splijtbare) isotoop uranium 235 slechts 0,72% uitmaakt van het uranium dat gevonden wordt. Het niet splijtbare uranium 238 vormt de ‘bulk’ van het materiaal. Het thorium dat we ontginnen daarentegen, bestaat bijna uitsluitend uit de bruikbare isotoop thorium 232. We kunnen dus stellen dat daarvan honderden malen meer voorhanden is dan van de nuttige uranium 235-isotoop.
In tegenstelling tot uraniumlichtwaterreactoren kunnen we thoriumreactoren intrinsiek veilig maken
Om dit aspect duidelijk te zien moeten we een kleine omweg maken langs de conventionele lichtwaterreactoren. De lichtwateruranium 235-reactoren die wij vandaag standaard gebruiken, zijn extreem veilig. Desondanks zit er een inherent risico in.
Om energie te produceren verdient een hoge temperatuur, en dus stoom onder hoge druk, de voorkeur. Dat we een hoge temperatuur willen heeft te maken met het theoretisch rendement van kringprocessen: hoe hoger de temperatuur, des te hoger het rendement. Daaraan voert geen weg voorbij: warmte op een hogere temperatuur is gewoon meer waard. Hoge druk gaat gepaard met een hoog kookpunt en dus met een hoge reactortemperatuur.
We moeten bovendien de radioactiviteit tot het reactorgebouw zelf beperken. Daartoe moeten we in twee stappen werken. De primaire koeling gebeurt met water. Zelfs bij temperaturen boven de 250º C, kookt dat water niet, omdat de druk op het reactorvat voldoende hoog gehouden wordt (tot 150 bar). Daarmee wordt vervolgens in een secundair koelcircuit water verhit en verdampt tot stoom. Die laatste drijft dan de turbines van de generatoren aan.
De warmte moet dus de volgende weg nemen:
Reactorkern → primaire koeling → secundaire koeling (stoomgeneratie)
Dus moet de temperatuur bij de hoger beschreven weg van links naar rechts afnemen: warmte gaat immers spontaan van hogere naar lagere temperatuur en niet omgekeerd. Daarom moet de temperatuur van de reactorkern beduidend hoger zijn dan de gewenste temperatuur voor de stoomgenerator. Als we 40 bar stoom willen genereren hebben we een temperatuur om de 250º C nodig. Dan moet de temperatuur van de primaire koeling eerder naar de 300º C gaan. De temperatuur van de brandstofcontainerstaven moet daar nog boven liggen. De brandstof zelf, waar de warmte ontstaat, is UO2 (uraniumdioxide) ingekapseld in een metalen huls. UO2 heeft sowieso een slechte warmtegeleidbaarheid, en die wordt nog geringer bij stijgende temperatuur. Daardoor zal de temperatuur in het midden van de brandstofstaven beduidend hoger zijn dan 300º C.
Afhankelijk van het design kan het ΔT (temperatuurverschil) in onderstaand diagram zeer aanzienlijk worden.
Daar oxiden (UO2) echter een veel hoger smeltpunt hebben dan de overeenkomstige metalen is dat geen probleem, zolang de koeling werkt. Alles blijft dan mooi in vaste toestand. Die koeling moet echt wel blijven werken, ook als de kettingreactie al met behulp van de controlestaven2 stilgelegd is. Anders kan de aanzienlijke hoeveelheid warmte die in het centrum van de brandstofstaven opgeslagen is toch nog de temperatuur van de huls tot boven het smeltpunt doen stijgen en hebben we ‘melt down’.
Wat we uit dit verhaaltje dienen te onthouden is dat het voor de veiligheid nodig is dat ‘er iets’ gebeurt en ook altijd blijft gebeuren: de koeling moet werken. We moeten stoom blijven produceren, zelfs als we daar geen elektriciteit mee maken, enkel om de kern te koelen. We hebben het hier met een actieve beveiliging te doen. En dat is een zwakte: het systeem is niet intrinsiek veilig.
Vanzelfsprekend zijn bij moderne reactoren alle voorzorgen getroffen die moeten garanderen dat die veiligheid te allen tijde wordt gewaarborgd. Er zijn meerdere pompen die de koelvloeistof in beweging houden als dat nodig is en die vooral de stoomketels van vers ketelwater voorzien. Ook zijn er meerdere noodgeneratoren die kunnen ingezet worden als de stroom zou uitvallen. Normaal gezien kan er dus niets gebeuren, tenzij… een tsunami niet enkel de stroomverzorging afbreekt, maar tegelijkertijd ook alle noodgeneratoren buiten werking stelt. Natuurlijk zijn de controlestaven dan al helemaal naar beneden gevallen. Dat gebeurt automatisch door de zwaartekracht op het moment dat er geen spanning meer is, omdat we die staven ophangen aan elektromagneten. De kettingreactie ligt dus stil. Maar er zit nog een enorme hoeveelheid warmte op hoge temperatuur in de brandstofstaven opgeslagen. En het feit dat de kettingreactie gestopt is, betekent nog niet dat er helemaal geen reactie meer is: die loopt nog altijd, zij het op een laag pitje. Ze genereert ook warmte, min of meer, naar gelang de geometrische schikking van de brandstof. Als de metaalomhulling van de brandstof, die uit een zirkoniumlegering bestaat, smelt bestaat het risico op waterstofontwikkeling (door chemische reactie van zirkonium met stoom). Dat brengt nog eens een groot bijkomend gevaar mee.
De ramp slaat niet direct toe. De temperatuur van de brandstofcontainers zal maar langzaam stijgen. Dat ligt aan de slechte geleidbaarheid van het UO2. Bovendien bevatten de stoomketels nog een aanzienlijke hoeveelheid ketelwater die we nog kunnen laten verdampen alvorens de koeling echt volledig uitvalt. We hebben dus nog tijd om allerlei dingen te proberen. Geen daarvan lost het probleem echt op, en ze leiden bijna allemaal tot een verhoging van de radioactiviteit in de omgeving. Er is maar één ding dat werkelijk helpt: die koeling terug aan de praat krijgen. Dat lukte dus in Fukushima niet.
Bij thoriumreactoren is dat volledig anders
We moesten deze omweg even maken om te kunnen zie hoe volledig anders de thorium ‘molten salt’- reactor werkt. Hier hebben we geen brandstofstaven. De reactie gebeurt in een bad van gesmolten zouten: fluoriden en eventueel chloriden boven de 500º C. Voor de moderatie1 (afremmen van neutronen tot een bruikbaar energieniveau) zijn koolstofstaven aangebracht die in het bad hangen. De brandstof, thoriumfluoride in tabletvorm, wordt continu, naar behoefte, aan het bad toegevoegd. In principe kunnen we de reactie stoppen door gewoon geen brandstof meer toe te voegen. Voor het geval het snel moet gaan, hebben we toch noch altijd controlestaven2. Binnen het reactorvat is er geen water aanwezig. Het zoutmengsel wordt door een warmtewisselaar geleid (niet gepompt maar door thermosyphon3) en verwarmt daar de primaire koelcyclus. De reactor staat ook niet onder druk. Als dat nodig zou zijn zou men theoretisch tijdens de operatie gewoon een deksel kunnen openen. Voor een mens is dat niet aan te raden, maar een robot kan het doen. Er zijn ook geen temperatuurgradiënten: in heel de reactor heerst een homogene temperatuur.
Een belangrijk element is dat de energie die op elk moment in de thoriumreactor is opgeslagen in de vorm van nog niet verbruikte brandstof vrij klein is. Bij uraniumreactoren wordt de reactor geladen met brandstof voor minstens een jaar. Daar is dus altijd een enorme hoeveelheid energie onder de vorm van splijtbaar materiaal aanwezig.
Ook de beveiliging tegen uitval van het koelsysteem kan heel anders en veel beter gerealiseerd worden. We kunnen in geval van nood de reactor in een noodopvangvat laten leeglopen. Daar zijn geen moderatorstaven1 meer, en de kettingreactie stopt dan automatisch. We behoeven daarvoor zelfs geen ventiel dat altijd kan falen.
Wat we doen is met een ventilator lucht op de buis blazen (daar laten we dan een stukje isolatie weg), waardoor het zout stolt en een zoutprop (rood) ontstaat die de reactor afsluit.
Die ventilator draait op het elektrisch systeem dat ook de koelaggregaten voedt. Als dat systeem uitvalt stopt de ventilator ook. De buis wordt niet meer gekoeld, de prop smelt en de reactor loopt leeg. Niemand hoeft hiervoor iets te doen en er hoeft ook niets voor te gebeuren. Dat noemen we ‘passieve beveiliging’: ze wordt niet door mensen of apparaten maar door natuurwetten geregeld. Dit is de enige reële vorm van ‘fail safe’. Alle andere vormen zijn marketing. Ze werken meestal, zelfs bijna in ieder geval, maar niet gegarandeerd altijd zoals door de uitdrukking ‘fail safe’ gesuggereerd wordt.
De thoriumweg heeft ook nog andere belangrijke voordelen.
Vanzelfsprekend produceert ook een thoriumreactor afvalproducten. Dat zijn er echter véél minder dan bij een uraniuminstallatie. Ze hebben ook veel kortere halfwaardetijden. Dat betekent dat men het radioactief afval van de thoriumreactor, afhankelijk van de normen, ‘slechts’ 300 tot 500 jaar moet bewaren tegenover 20.000 tot 100.000 jaar in het geval van uranium. Wie zich aan de verhoudingen tussen die getallen stoort, moge bedenken dat we het hier met een volledig verschillende isotopenmix te maken hebben. Nu is 300 jaar naar mijn smaak nog altijd te lang, maar we krijgen daar al meer zicht op. Ik ben, bijvoorbeeld, eerder bereid de voorspelde evolutie van de eigenschappen van glas over 300 jaar te geloven dan die over 20.000 jaar. We hebben vandaag tenslotte nog altijd door de Romeinen vervaardigde glazen voorwerpen. We hebben dus een vrij goed zicht op hoe glas zich in 2000 jaar tijd gedraagt. Misschien is dat wel een aanvaardbaar risico. Bovendien zijn nog lang niet alle mogelijkheden voor recycling uitputtend onderzocht. Ik houd het zelfs voor mogelijk dat we hier misschien ooit, in een verdere toekomst, gestockeerd afval van de uraniumreactoren kunnen recycleren.
Hier duikt een belangrijk aspect op dat nauwelijks enige aandacht krijgt. Wij doen het graag zo voorkomen alsof we vandaag kunnen kiezen of we de nucleaire technologie, met al haar nadelen, gevaren en afvalproducten omarmen of die afwijzen. Tot 1957 zouden we dat hebben gekund, maar vandaag is dat niet meer het geval. We hebben namelijk al een halve eeuw met uraniumreactoren gewerkt en daarbij aanzienlijke hoeveelheden radioactief afval geproduceerd. Dat moeten we nu tussen de 20.000 en de 100.000 jaar beveiligd opslaan. Dat is uiteraard geen reden om gedachteloos nog meer afval te gaan produceren. Maar als we, zoals door velen emotioneel sterk wordt gewenst, de nucleaire technologie volledig de rug toekeren, kunnen we ook geen methode meer vinden om dat afval door verdere verwerking op korte termijn onschadelijk te maken. Dan zitten we er mee, “per omnia saecula saeculorum”!
Waarom dan niet direct overstappen?
Ik heb het al gezegd: het proces is nog niet tot industriële rijpheid ontwikkeld. En het is een zeer lastig proces. Die gesmolten zouten zijn geen pretje. Ik heb zelf gewerkt met kaliumchloride even boven het smeltpunt (bij 800º C.). Dat is vergelijkbaar. We dachten daarin heel elegant bepaalde interessante chemische reacties te kunnen laten plaatsvinden. We hebben het proces nooit aan de praat gekregen. De chemie werkte gelijk een fluitje van een cent, maar de problemen met de apparatuur bleken te overweldigend.
In Oak Ridge zijn ze, rond dezelfde tijd, veel verder geraakt dan ik. Ik kan ermee leven door dat team geklopt te zijn: ze waren de besten van de besten. Daarbij moet men bedenken dat die fluoriden zelfs nog weerbarstiger zijn dan mijn chloriden. Ondanks alles hebben ze vier jaar gedraaid en stroom geleverd met een 8 MW- reactor. Daarbij hebben ze slechts 9000 bedrijfsuren opgetekend, wat betekent dat ze vaak en lang stilgestaan hebben: materiaalproblemen. Dat is natuurlijk ook wel ergens goed voor: ze hebben het starten en stoppen prima onder de knie gekregen en dat is niet onbelangrijk. Ze hebben in Oak Ridge als antwoord op de materiaalproblemen een volledig nieuwe legering ontwikkeld: hastelloy N. Dat bestaat hoofdzakelijk uit nikkel (71%), molybdeen (16%) en chroom (6%). Maar goedkoop en gemakkelijk te bewerken klinken anders. Het bleek werkbaar, maar niet perfect. Er is nog altijd langzame corrosie, en we willen daar echt geen plots optredende lekken. Bovendien zijn er nog akelige detailproblemen. Tellurium, dat bij iedere uraniumsplijting en dus ook hier ontstaat, veroorzaakt materiaalbroosheid. De bestraling heeft ook ongewenste effecten. Dus lang niet alles is opgelost!
De koolstofstaven die we als moderator gebruiken worden door het zout aangetast: ze worden broos en brokkelig. Dat is onaanvaardbaar: we kunnen geen oncontroleerbare stukken moderator op de bodem van dat reactorvat hebben liggen! Hier kunnen we misschien oplossingen met keramische structuren vinden, maar dat moet nog gebeuren.
Het chemisch opwerkingsproces voor het afval moet nog industrieel ontwikkeld worden. Alleen dat al is een gigantische klus.
Dat zijn dan enkel de voornaamste punten van een heel lange probleemlijst. Om het proces tot industriële maturiteit te brengen zijn er zeker nog vele jaren ernstig werk nodig. Het lijkt mij bovendien voorzichtiger eerst nog eens een proefinstallatie van rond de 50 – 100 MW te bouwen. Dat gaat ook tijd in beslag nemen. Ik wil daarmee niet zeggen dat we deze nog lange weg dan maar moeten opgeven. Ik bedoel veeleer dat we er nu meteen aan moeten beginnen en het vooral niet doen voorkomen alsof we hem al achter de rug hebben.
Met “we” bedoel ik niet België. Wij hebben de wetenschappelijk technische noch de financiële kritische massa om zoiets te kunnen aanpakken. En we hebben vooral niet het politiek uithoudingsvermogen dat daarvoor nodig is. Sommigen zullen hier dan in richting Euratom denken. Als we naar de ‘trackrecord’ van Euratom kijken, lijkt dat ook niet veelbelovend. Waarschijnlijk (en hopelijk!) zullen de Chinezen (die ondertussen al voldoende plutonium voor militaire doeleinden hebben) of India deze uitdaging aangaan.
Die laatste paar zinnen moeten we ook even op onze tong laten liggen. We rekenen voor technologische spitsontwikkeling nu op het Verre Oosten!
Als we al het voorgaande zorgvuldig afwegen, zien we één ding duidelijk. Voor de transitie die we gedurende de volgende twintig jaar moeten doorlopen zal deze beloftevolle technologie jammer genoeg te laat komen.
Uw dwarsligger
1 Moderatorstaven. De moderator heeft als functie snelle neutronen zo af te remmen dat ze in het energie-interval komen waar ze kernsplijting kunnen veroorzaken. Indien we dat niet zouden doen is het aantal ‘nuttige’ neutronen te klein, en krijgen we geen kettingreactie. Men kan als moderator koolstof, boor of ook zwaar water (deuteriumoxide) gebruiken. Het klein beetje zwaar water dat altijd in water voorhanden is (156 ppm), kan die functie ook vervullen, indien de reactor daarvoor ontworpen is en de aanrijkingsgraad (de concentratie van Uranium 235 in het isotopenmengsel) van de brandstof voldoende hoog is.
2 Controlestaven worden gebruikt om de intensiteit van de reactie te regelen. Ze bestaan uit een materiaal dat neutronen absorbeert, bijvoorbeeld cadmium of boor (er zijn er nog). Door die staven meer of minder in de reactorkern te brengen kunnen we de neutronenflux en daarmee de reactie-intensiteit regelen. In noodgevallen laten we die staven gewoon volledig in de reactor vallen en dan stopt de kettingreactie.
3 thermosyphon: Als in een gesloten verticaal opgesteld vloeistofcircuit één verticale pijp wordt verwarmd en een andere gekoeld, zal in dat circuit een stroming ontstaan. Die wordt veroorzaakt doordat de vloeistof op een hogere temperatuur een geringer soortelijk gewicht heeft dan bij een lagere temperatuur. Daardoor zal de vloeistof in de verwarmde pijp stijgen en in de gekoelde dalen. Daar is dan geen circulatiepomp meer nodig om een zeer behoorlijke stroming op te wekken.
