Thorium: Het element

Thorium, genoemd naar Thor de god van de donder, is in 1828 ontdekt door de Zweed Jöns J Berzelius. Thorium is goedkoper dan uranium en thoriumreactoren produceren veel minder nucleair afval dan uraniumreactoren. De kans op een kernsmelting à la Fukushima is met een thoriumreactor met gesmolten zout als koeling onmogelijk. Er is genoeg thorium om de wereld honderdduizend jaar van energie te voorzien. Als we NU de bouw starten hebben we over twintig jaar geen olie meer nodig. In 1999 vroegen onderzoekers de Europese Commissie om geld om thoriumreactoren te ontwikkelen. Brussel kreeg een negatief advies van de bestaande Europese nucleaire industrie.

Het element thorium algemeen

Chemische eigenschappen

Fysische eigenschappen

Voorkomen op aarde

De totale hoeveelheid thorium op aarde is minimaal viermaal zo groot als de hoeveelheid uranium. Belangrijke thoriumertsen zijn, thorianiet en monaziet die tot 12% thoriumoxide kunnen bevatten.

Winning van thorium

Bij vloeistof extractie wordt gewerkt met twee niet mengbare vloeistoffen, waarbij de te onttrekken stof in één van de vloeistoffen oplost. In geval van kleine verschillen tussen de te scheiden stoffen, kan men de fracties opnieuw bewerken en tenslotte toch een goede scheiding realiseren.

Meest stabiele isotopen

Hoewel er van thorium geen stabiele isotopen bestaan, is er één met een lange halveringstijd, namelijk 232Th die een halveringstijd heeft van 1,405•10↑10 jaar, dat is ongeveer de leeftijd van het heelal en kan dus als stabiel worden beschouwd.

Gebruikseigenschappen van thorium

Het element thorium is zacht, zilverwit en goed te bewerken. Het is vrij stabiel aan de lucht. Het metaal zelf wordt niet veel toegepast. Van de oxiden heeft thorium(1V) oxide (ThO2) het hoogste smeltpunt (3300°C). Bij hoge temperatuur brandt thorium met een witte vlam. Meest voorkomende oxidatietoestand is +IV (Th4+), er komen ook lagere oxidatietoestanden voor.

Thorium als kernbrandstof

Al aan het eind van de jaren ’40 hadden Amerikaanse fysici door wat thorium voor de wetenschap kon betekenen. Het brengt namelijk meer op en de verwerking ervan is goedkoper, maar de Verenigde Staten hadden het plutonium (een afvalproduct van de uraniumreactoren) nodig om kernwapens te maken.

Verschil tussen thorium en uranium

1. Thorium kan, even als uranium en plutonium worden gebruikt als brandstof in kernreactoren. Thorium vormt na absorptie van neutronen de uraniumisotoop 233U, die splijtbaar is. 233U levert bij splijting meer neutronen per geabsorbeerd neutron op dan de tot nu gangbare uranium en plutonium(235U en 239Pu). Thorium wordt in tegenstelling van uranium bijna geheel in de reactor verbrand en er is daarom veel minder afval en de radioactieve afval heeft een halveringstijd van 500 jaar i.p.v. de halveringstijd van 100000 jaar van de afval van de uraniumreactor.
2. Meeste thoriumreactoren die heden gebouwd worden gebruiken combinatie van brandstof, omdat de ingenieurs dan de ervaring met de bestaande reactoren kunnen gebruiken. India bouwt Canadese Candu reactoren, waarin thorium gecombineerd wordt met plutonium en uranium. op termijn wil India alleen thorium gebruiken omdat het grote voorraden heeft en niet afhankelijk wil zijn van import. In reactors als de Canadese CANDU-6 wordt thorium gebruikt in combinatie met plutonium-239.
3. Het kweekproces verloopt als volgt: Het 232Th absorbeert een neutron onder vorming van 233Th waarbij een elektron en een antineutrino ( ) vrijkomt. Door bètaverval gaat dat over in protactinium 233 (233Pa), dat weer een elektron en een antineutrino uitzendt onder vorming van 233U: Het reactieproduct wordt vervolgens buiten de reactor gescheiden: de 233U kan relatief eenvoudig (langs chemische weg) worden gescheiden van thorium en in de reactor geplaatst.
4. Het productieproces heeft nadelen: de fractie met 233U is hoog radioactief door verontreiniging met het zeer radioactieve 232U en daarom lastig te hanteren. Bij het hergebruiken van de thoriumfractie is er een probleem met het hoogradioactieve 228Th.

Molten Salt Reactor (MSR)
China en Japan gaan uit van een gesmolten-zout- thoriumreactor. India gaat uit van een zwaarwaterreactor op basis van thorium.
Een van de voordelen van element 90 (thorium) boven element 92 (uranium) is dat de aardkorst minimaal viermaal zoveel thorium als uranium bevat. Een ander voordeel is dat thorium energierijker is en dat de reactor afval minder problemen oplevert.
Helaas zijn de gebruikte gesmolten zouten corrosief. Inmiddels draait een testreactor vijf jaar zonder ernstige corrosie, door toepassing van de legering Hastelloy-N. De niet opgeloste corrosie problemen vertragen de bouw van MRS thoriumreactoren.

Waarom we nog geen thoriumcentrales hebben

Naast de corrosie is de belangrijkste reden dat we geen thoriumreactoren hebben dat kernenergie voortkomt uit de uranium/plutonium kernwapen technologie. De eerste toepassing als krachtbron was een atoomonderzeeër en een bommenwerper. Alle nucleaire kennis was gebaseerd op het Manhatten project en een functie van de eerste centrales was het produceren van plutonium om kernwapens te maken. Daarom werd voor uranium 238 gekozen als splijtstof. Toen de wereld door de oliecrisis in 1973 kernenergie centrales gingen bouwen koos men wegens de aanwezige kennis voor uranium.

Andere toepassingen van thorium dan kernenergie

• Voor het coaten van wolfraam draad in de elektronica, omdat het een hoge elektronenemissie heeft.
• Als legeringselement in magnesium voor verhoogde corrosiebestendigheid, grotere sterkte en betere kruipbestendigheid bij hoge temperaturen.
• Als toevoeging aan glas zorgt thorium voor hogere brekingsindex en lage dispersie..het glas wordt gebruikt voor hoge kwaliteit camera lenzen en wetenschappelijke instrumenten
• Als katalysator is thoriumoxide geschikt voor de productie van salpeterzuur en zwavelzuur en bij de raffinage van aardolie.
• Aan de hand van de uranium-thorium concentratie is de ouderdom van fossielen te bepalen.
• Een gloeikousje van gaslampen gevuld met thoriumoxide (ThO2) die bij verhitting een verblindend wit licht geeft. Vroeger als gasverlichting in steden, heden o.a. in kampeerlampen en petroleumlampen.
• Thoriumoxide wordt gebruikt om de korrelgrootte te beheersen van wolfraam voor elektrische lampen
• Thoriumoxide wordt gebruikt voor hoge-temperatuur-laboratorium smeltkroezen.
• Aan de hand van de uranium-thorium concentratie is de ouderdom van fossielen te bepalen.

Gezondheid en milieu

• Thorium is zwak radioactief, vervalproducten van thorium kunnen gevaarlijker zijn. Thorium vervalt in 6 alfa- en 4 bèta stappen tot 208Pb, meest stabiele isotoop van lood (de thoriumreeks).
• Gezondheidsrisico van thorium wordt gevormd door de stof zelf. Bij inname hoopt het zich op in milt, lever, bot en lymfesysteem, met een biologische halveringstijd van 22 jaar verhoogt het de kans op leukemie en leverkanker.
• Mensen worden altijd aan kleine hoeveelheden thorium blootgesteld via de lucht, water en voedsel, omdat het overal op aarde voorkomt. Mensen absorberen thorium via het voedsel of drinkwater, opname via de lucht is onder normale omstandigheden te verwaarlozen. Maar het het inademen van grote hoeveelheden thorium kan dodelijk zijn, men sterft dan aan metaalvergiftiging.
• Er worden grotere hoeveelheden thorium gevonden bij stortplaatsen waardoor de plaatselijke bewoners een grotere hoeveelheid thorium binnen krijgen door inademen en omdat thorium terecht komt in het voedsel.
• Het inademen van thorium in de mijnbouw of de thoriumindustrie, kunnen te veel thorium binnen krijgen en vergroot de kans op de ontwikkeling van long- en alvleesklierkanker. Het licht radioactieve thoriumstof wordt in o.a. de botten opgeslagen en kan vele jaren na de besmetting nog kanker veroorzaken.