In deze blogpost onderzoeken we of kernenergie op basis van thorium een veilige, alternatieve energietechnologie zou kunnen zijn die de risico's van bestaande uraniumreactoren verkleint.
De kernenergiesector, die gebruikmaakt van uraniumsplijtingsreacties, is blijven groeien door de nadruk te leggen op 'economische levensvatbaarheid', zelfs na het ongeluk op Three Mile Island en de ramp in Tsjernobyl. Na het incident in Fukushima in Japan is de bezorgdheid over de veiligheid echter verder toegenomen, wat heeft geleid tot een vertraging van de kernenergie-inspanning, waarbij landen als Duitsland en Taiwan een beleid van kernuitfasering aankondigden. Te midden van deze situatie krijgt één technologie steeds meer aandacht: de 'thoriumreactor', die elektriciteit opwekt met behulp van de kernsplijtingsreactie van thorium in plaats van uranium. Tot de begindagen van de nucleaire technologie in de jaren 1970 werden thoriumreactoren samen met uraniumreactoren onderzocht, maar vanwege de toenmalige technologische en politiek-economische omstandigheden werden ze op de lange baan geschoven. Nu uraniumreactoren in verval zijn, zijn de nadelen van thoriumreactoren destijds omgeslagen in voordelen, waardoor ze weer in de belangstelling staan. Laten we de principes, kenmerken, redenen voor de hernieuwde aandacht en methoden voor de realisatie van thoriumreactoren eens bekijken.
Thoriumreactoren verschillen fundamenteel van uraniumreactoren, te beginnen met de brandstof die ze gebruiken, en bijgevolg zijn de reacties die in de reactorkern plaatsvinden ook anders. Al het natuurlijk voorkomende thorium bestaat als thorium-232 (²³²Th) met een massagetal van 232. Wanneer een neutron een 232Th-kern in de reactor raakt, absorbeert de kern het en verandert in 233Th. Dit materiaal is zeer instabiel en vervalt snel tot 233Pa. 233Pa vervalt vervolgens langzaam, met een halveringstijd van ongeveer 27 dagen, tot 233U. Het resulterende 233U, met massagetal 233, ondergaat zelfs splijting met relatief laagenergetische neutronen, vergelijkbaar met het 235U dat in uraniumreactoren wordt gebruikt. Thoriumreactoren genereren elektrische energie uit de thermische energie die tijdens dit splijtingsproces van 233U wordt geproduceerd.
Thoriumreactoren bieden verschillende voordelen ten opzichte van uraniumreactoren. Ten eerste zijn de wereldwijde thoriumreserves vier keer groter dan de uraniumreserves. Bovendien kunnen uraniumreactoren alleen 235U gebruiken, dat in extreem kleine hoeveelheden in de natuur voorkomt, terwijl thoriumreactoren de volledige natuurlijk voorkomende vorm, 232Th, kunnen gebruiken. Uraniumreactoren produceren hoogradioactief afval, zoals plutonium, waarvan de toxiciteit tienduizenden jaren aanhoudt, waardoor de opslag ervan een groot probleem is. Thoriumreactoren produceren echter geen hoogradioactief afval. Het radioactieve afval dat ze wel produceren, verliest binnen een paar honderd jaar zijn toxiciteit tot niveaus die vergelijkbaar zijn met die van gewone kolenmijnen.
De belangrijkste eigenschap van thoriumreactoren is hun vermogen om kernreacties automatisch te stoppen tijdens onvoorziene gebeurtenissen zoals de ramp in Fukushima. In uraniumreactoren vindt de kernreactie continu plaats, waarbij uraniumkernen die neutronen absorberen, splijten en in een zich herhalende cyclus steeds meer neutronen vrijgeven. Dit wordt een 'kettingreactie' genoemd. In het reactieproces van een thoriumreactor worden echter minder neutronen geproduceerd dan het aanvankelijk ingebrachte aantal. Met andere woorden, tenzij er meer neutronen van buitenaf worden aangevoerd of er tijdens de reactie meer neutronen vrijkomen, stopt de kernreactie.
Tientallen jaren geleden, toen thoriumreactoren voor het eerst werden onderzocht, werden hun eigenschappen – het niet produceren van hoogradioactief afval zoals plutonium en het stoppen van reacties zonder neutronentoevoer – gezien als fatale tekortkomingen. Tijdens de Koude Oorlog was een van de doelen van de bouw van kerncentrales het verkrijgen van nucleair materiaal zoals plutonium voor kernwapens; thoriumreactoren waren ver verwijderd van dat doel. Bovendien werden thoriumreactoren – die niet in staat waren hun eigen reactie in stand te houden en daardoor snel uitvalten – vanuit het perspectief van die tijd, waarin efficiëntie de hoogste prioriteit had, duidelijk gezien als 'inferieure technologie' in vergelijking met uraniumreactoren. Later werd echter duidelijk dat juist het voordeel van uraniumreactoren – hun vermogen om een zichzelf in stand houdende kettingreactie in stand te houden – een catastrofe zou kunnen worden wanneer de menselijke controle verloren ging. De ramp in Tsjernobyl in 1986 stelde ongeveer 5 miljoen mensen in Rusland en Oekraïne bloot aan straling, terwijl de ramp in Fukushima in Japan enkele jaren geleden bijna 800 doden eiste en de veiligheid van onze voedselvoorziening nog steeds bedreigt. Door de gevaren van uraniumreactoren die in de loop van decennia aan het licht zijn gekomen, is het vermeende nadeel van thoriumreactoren een voordeel geworden: 'veiligheid'.
Vanuit een veiligheidsperspectief is het feit dat de reactie stopt als de neutronentoevoer wordt onderbroken inderdaad een voordeel. Onder normale omstandigheden mag de reactor echter nooit stilvallen. Er zijn twee primaire methoden onderzocht om dit probleem aan te pakken. De eerste methode behelst het gebruik van een gemengde brandstof die zowel thorium als uranium of plutonium bevat, materialen die traditioneel in bestaande reactoren worden gebruikt. Uranium en plutonium zenden meer neutronen uit dan ze absorberen, waardoor een kettingreactie gemakkelijk in stand wordt gehouden. Dit compenseert de neutronen die verloren gaan tijdens het nucleaire reactieproces van thorium. Deze aanpak heeft echter inherente beperkingen. Hoewel technisch minder uitdagend, zijn dergelijke reactoren geen echte thoriumreactoren, maar eerder een compromissysteem, een tussenoplossing tussen bestaande uranium/plutoniumreactoren en thoriumreactoren. Hierdoor gaan veel van de inherente voordelen van thoriumreactoren verloren. Het voordeel van het niet gebruiken of produceren van uranium en plutonium wordt niet gerealiseerd. Bovendien kan de mate van kettingreactie weliswaar worden gecontroleerd door de mengverhouding aan te passen, maar de kernreactie in een gemengde reactor zal, zelfs in geval van een ongeluk, doorgaan dankzij de neutronen die vrijkomen bij de kettingreactie. Met andere woorden: deze methode benut de voordelen van een thoriumreactor niet volledig; er wordt slechts thorium gebruikt dat anders nutteloos zou zijn.
De tweede methode maakt gebruik van een 'protonversneller'-aanpak, waarbij protonen met hoge snelheden worden afgevuurd om te botsen met metalen zoals wolfraam, waardoor grote hoeveelheden neutronen worden geproduceerd voor gebruik in kernreacties. Een thoriumreactor die deze methode gebruikt, is zeer veilig, omdat de kernreactie geleidelijk stopt als er een ongeluk gebeurt en de stroom naar de protonversneller wordt afgesloten. In 1995 stelde de Italiaanse natuurkundige Carlo Rubbia deze methode voor het eerst voor, maar deze kreeg jarenlang weinig aandacht. Om voldoende neutronen te genereren voor een stabiele kettingreactie is een versnelleruitgang van ongeveer 1 GeV nodig, wat een enorm vermogen vereist. De huidige technologie worstelt met het ontwerpen van efficiënte versnellers, waardoor het energieverbruik voor de versneller bijna gelijk is aan het vermogen dat de reactor zelf produceert. Het middel is hier erger dan de kwaal. Het ontwikkelen van een zeer efficiënte versneller is daarom een grote uitdaging voor de protonversneller-aanpak. Bovendien vindt kernsplijting plaats via extreem snelle neutronen, vanwege de aard van deze methode. Bij kernsplijtingsreacties die worden geactiveerd door snelle neutronen, wordt tientallen keren meer cadmium per massa-eenheid geproduceerd dan bij reacties die worden geactiveerd door langzame neutronen. Cadmium is een kankerverwekkende stof van klasse 1 en een zeer giftig metaal voor de mens.
Nu de kernenergiesector in een crisis verkeert, hebben we 'thoriumreactoren' onderzocht als een mogelijke alternatieve technologie. Thoriumreactoren, die thorium in plaats van uranium als splijtstof gebruiken en een volledig ander kernreactieproces ondergaan, hebben voordelen ten opzichte van conventionele reactoren. Er is echter nog veel onderzoek nodig om thoriumreactoren op de markt te brengen. Landen met overvloedige thoriumreserves, zoals de Verenigde Staten en India, lopen voorop in het onderzoek naar thoriumreactoren. Met name India streeft actief naar export onder de naam 'Advanced Heavy Water Reactor' (AHWR). In deze fase, waarin niet alleen de kernenergiesector, maar de hele energiesector een transitie doormaakt, is serieuze overweging en onderzoek naar thoriumreactoren de moeite waard.
