Thorium als kernenergie: minder kernafval dan uranium?

Kernenergie kan een duurzaam alternatief zijn door lage CO2-uitstoot maar niet zonder nadelen. Energie produceren door kernsplitsing brengt namelijk ook risico's met zich mee: kernafval, onveilige kernreactoren met een eventuele meltdown als gevolg en de productie van kernwapens. In hoeverre kleven deze risico's vooral aan kernreactoren met uranium als grondstof? Een andere techniek, welke thorium als grondstof gebruikt in een gesmoltenzoutreactor, draagt wellicht minder nadelen met zich mee. In Nederland zijn onderzoekers van de TU Delft ermee bezig: na een Delfts symposium over Thorium MSR (Molten Salt Reactor, oftewel gesmoltenzoutreactor) in april 2015 is de ontwikkeling ervan in een stroomversnelling gekomen. Toen professor Jan Leen Kloosterman op vrijdag 1 april 2016 aan de technische universiteit Delft zijn intreerede gaf, sprak hij de volgende woorden:
"Een kernreactor die werkt met gesmolten zout en thorium is in vrijwel alle opzichten een verbetering ten opzichte van de huidige kernreactoren. Deze thoriumreactor is inherent veilig, produceert veel minder (en minder gevaarlijk) radioactief afval en is daarmee een uitstekende technologie om mondiaal de CO2-uitstoot terug te brengen, bijvoorbeeld in combinatie met zonne- en windenergie."[1]

Het onderzoek van prof.dr.ir. Jan Leen Kloosterman richt zich op het analyseren en ontwikkelen van veilige en duurzame nucleaire reactoren. Hij heeft zijn pijlen gericht op een bepaald type kernreactor, de thorium gesmoltenzoutreactor, en meent dat een dusdanige reactor een inherent veilige manier kan vormen om zonder langdurig gevaarlijk kernafval energie op te wekken.[2]

Wat is kernenergie?

Er bestaan verschillende manieren om energie op te wekken, bijvoorbeeld door verbranding van een brandstof (aardolie, aardgas, biomassa, steenkool) of het genereren van elektriciteit door middel van windmolens of zonnepanelen. Een andere manier om energie op te wekken is door middel van het splitsen van atoomkernen, ook wel kernsplijting genoemd. Verrijkt uranium kan hierbij als brandstof dienen. Uranium, net als andere elementen, bestaat uit een kern van protonen en neutronen waaromheen elektronen cirkelen. Door een neutron op de atoomkern van een uranium element af te vuren splijt deze atoomkern in twee. Bij deze splijting komen nieuwe neutronen vrij die op hun beurt weer andere atoomkernen laten splijten, hierbij komen weer nieuwe neutronen vrij en zo ontstaat een heftige kettingreactie waarbij een gigantische hoeveelheid energie vrijkomt. Deze energie kan worden opgevangen door stoom op te wekken en daarmee een turbine aan te drijven die de nucleaire reactie uiteindelijk omzet in elektriciteit.[3]

Wat is kernafval?

Zoals gezegd kan een uraniumkern worden gespleten door er één neutron op af te vuren, maar na de splijting komen er drie keer zoveel neutronen vrij. Als na verloop van tijd al het verrijkt uranium op is blijft hierdoor een hoop instabiele atomen over. Deze instabiele atomen zenden gevaarlijke straling en deeltjes uit net zolang tot ze tot weer tot rust zijn gekomen, dat kan wel duizenden jaren duren. Tot die tijd spreken we over kernafval, ook wel radioactief afval.[3] Het is van belang dat dit afval zorgvuldig wordt opgeslagen waar het, voor zolang als het radioactief is, geen kwaad kan doen.

Wat zijn de gevaren van kernenergie?

Radioactief afval

Een van de gevaren is hierboven beschreven: het radioactief afval. Omdat het zo lang duurt voordat dit afval niet meer radioactief is, tot wel 240.000 jaar, kan niemand garanderen dat het afval al die tijd veilig opgeslagen blijft. In zo’n periode kan veel gebeuren, zelfs als het afval diep in de grond weg wordt gestopt kan niemand met zekerheid zeggen dat het over duizenden jaren daar nog steeds veilig zit. Radioactief afval is daarmee een probleem waarmee we vele generaties na ons nog op zullen zadelen.[4]

Kernrampen

Er zijn in de geschiedenis twee kernrampen geweest: die van Tsjernobyl en die van Fukushima. Een kernramp kan plaatsvinden door een uit de hand gelopen kernsplijting, zoals in Tsjernobyl, waartoe bijvoorbeeld een verkeerde instelling van het systeem of een bedieningsfout kan leiden.[5] Een kernramp kan ook plaatsvinden door externe factoren zoals natuurgeweld: de kernramp in Fukushima is het gevolg geweest van een zeebeving met daaropvolgende tsunami.[6] Het koelmechanisme viel hierdoor uit en een kernsmelting (ook wel meltdown) vond plaats. Hierbij raakte de kern van de reactor oververhit en smolten de brandstofelementen.[7]
Aanslagen op kernreactoren kunnen ook leiden tot een kernramp.

Kernwapens

Met het afval dat ontstaat bij de kernreactie van verrijkt uranium kun je kernwapens maken. Met een bepaald soort kernafval dat geproduceerd wordt in bijvoorbeeld Borssele, zo’n 100 kilo per jaar, kan Nederland in theorie jaarlijks 20 kernwapens maken.
Kernenergie draagt daarom (onbedoeld) bij aan de verspreiding van de kernwapengrondstoffen over de wereld en dus aan de kans op kernoorlogen.[8] Een kernreactor kan namelijk nooit 100% garanderen dat hun kernafval niet in verkeerde handen valt.

Thorium als alternatief voor uranium

Bovenstaande beschrijvingen van kernenergie, kernafval en de gevaren die bij kernenergie komen kijken, zijn het resultaat van hoe we sinds de jaren zestig kernreactoren hebben vormgegeven. In die tijd is namelijk het gebruik van uranium en plutonium als grondstof voor kernenergie de norm geworden. Prof.dr.ir. Jan Leen Kloosterman zet zich in voor de verdere ontwikkeling van een ander soort kernreactor: de thorium gesmoltenzoutreactor. ‘De betreffende technologie is al in de jaren zestig gedemonstreerd maar is daarna helaas op een zijspoor beland’, aldus Kloosterman.

Gesmoltenzoutreactoren

Tijdens het eerder beschreven proces van kernsplitsing bij uraniumatomen is het van groot belang dat het splijten gecontroleerd wordt uitgevoerd en er goed wordt gekoeld. Bij kerncentrales met uranium als brandstof (ook wel splijtstof) wordt het uranium tijdens de splijting dan ook onder druk gekoeld met water. Bij thorium gesmoltenzoutreactoren werkt dit proces anders: de thorium zit in een vloeibaar zoutmengsel dat niet onder druk staat. Het hete zout, dat voor de stoom zorgt, is daarmee ook meteen het koelmiddel. Zodra de temperatuur te hoog wordt stopt het proces en stroomt het zout naar een veilig deel in de reactor.

Deze ingebouwde veiligheid is hierbij inherent aan het proces zelf en berust niet, zoals bij uraniumcentrales, op een aparte oplossing. Het is hierdoor dat een meltdown – wat gebeurt als het koelwater is verdampt of weggelekt – niet mogelijk is.

Kernafval

Een voordeel van thorium boven uranium is dat het een stuk minder nucleair afval produceert. De hoeveelheid langlevende radioactieve isotopen (levensduur van zo’n 240 000 jaar) zou nog maar een zeer geringe fractie zijn van wat er geproduceerd wordt in de uraniumcyclus. De radioactiviteit van het grootste gedeelte van het afval gevormd in de thoriumcyclus is binnen enkele honderden jaren verminderd tot een zeer laag niveau.[9] Deze laatste stelling is echter een aanname en (gezien deze techniek nog geen honderd jaar oud is) geen bewezen feit.

Veiligheid

Anders dan bij de huidige kernreactoren komt er bij de reactie geen plutonium vrij dat geschikt is om kernwapens mee te maken. Er wordt wel gezegd dat dit een reden kan zijn waarom er vanaf de jaren zestig, ten tijde van de Koude Oorlog, gekozen is om verder te gaan met op uranium gebaseerde kernenergie in plaats van productie door middel van thorium gesmoltenzoutreactoren. Anno 2018 is dat nadeel van deze reactoren natuurlijk een voordeel geworden gezien overal ter wereld regeringen overeenkomsten hebben ondertekend om hun voorraad kernwapens terug te dringen. Een kerncentrale die geen wapengrondstoffen produceert zou daar aan bijdragen.[10]

Waarom geen thorium?

Op moment van schrijven, anno 2018, is het onderzoek naar thorium gesmoltenzoutreactoren nog niet ver genoeg gevorderd. En zou dit wel het geval zijn, dan zou het nog jaren duren voordat een eventuele overstap plaats kan vinden. Minister Kamp van Economische Zaken schreef op 12 juni 2014 aan de Tweede Kamer dat er “tot op heden geen infrastructuur is voor het op grote schaal produceren van thorium als brandstof. Er is al vele jaren ervaring met de hele cyclus voor het gebruik van uraniumsplijtstof, van mijnbouw tot afvalverwerking. Bij een overstap naar thorium zou deze cyclus anders moeten worden ingericht. [...] Gezien deze nadelen acht ik het onwaarschijnlijk dat thorium op korte termijn ingezet kan worden voor energieproductie.”.

Kernreactoren met uranium als splijtstof werken, zoals hierboven kort toegelicht, op een wezenlijk andere manier dan thorium gesmoltenzoutreactoren. Gezien juist de combinatie van thorium en het gesmolten zout proces de genoemde voordelen biedt, kunnen bestaande kernreactoren dus niet simpelweg worden omgebouwd. Op 9 oktober 2015 concludeerde minister Kamp in de Nationale Energieverkenning 2015 dan ook: “Benodigde ontwikkelingstijd thoriumreactoren maakt grootschalige toepassing daarvan in 2050 onwaarschijnlijk.”[11]

Verder onderzoek naar thoriumreactoren is echter wel gaande. Op moment van schrijven, anno 2018, is de TU Delft en met name professor Jan Leen Kloosterman al zeker 3 jaar belangrijke bijdragen aan het leveren. Wellicht dus dat de eerdergenoemde voordelen die thorium gesmoltenzoutreactoren met zich meebrengen rond 2050 wel al in de praktijk gebracht kunnen worden.