Kernenergie met uranium of gesmolten-zout-reactor?

Kernenergie is emissieloze energie. Geen luchtvervuiling en geen uitstoot van koolstofdioxide. Toch bestaat er een felle discussie rondom het gebruik van kernenergie. De veiligheid rondom een nucleaire reactor wordt betwist en dan is er het probleem met kernafval. De meest toegepaste kernreactor is de uraniumreactor, die relatief veel kernafval produceert. De duurdere versie, de gesmolten-zout-reactor, produceert veel minder kernafval.

De mensheid en zijn energiegeschiedenis

De primitieve mens ontdekte het vuur waarmee zij zich kon warmen tijdens de koude periode. Later ontdekte de mens ook andere brandstoffen waarmee warmte en hitte werd opgewekt. Kolen en olie worden toegepast om elektriciteit en stoom op te wekken. Daar wordt veel geld mee verdiend. Deze vorm van energie is een eerste levensbehoefte geworden. De moderne mens heeft zijn leven zodanig ingericht dat er veel energie nodig is om zichzelf te voorzien van een warme woning, voedsel en vervoer. Ook de industrie is tijdens de industriële revolutie meer energie gaan gebruiken om te kunnen produceren. Het aantal mensen op de wereld neemt toe door deze verbeterde leefomstandigheden waardoor de vraag naar energie ook toeneemt. De opwekking van energie gebeurt tegenwoordig vooral met fossiele brandstoffen, soorten zoals gas, kolen en olie.

Kernenergie

Tijdens de twintigste eeuw ontwikkelde de mensheid een nieuwe vorm van energieopwekking, kernsplitsing. Door van een atoom de kern te splitsen komt er zoveel hitte vrij dat er stoom van kan worden gemaakt. Die stoom wordt gebruikt om een dynamo aan te drijven waardoor er elektriciteit wordt opwekt. Deze wijze van energieopwekking is veel goedkoper dan met fossiele brandstoffen. Er zitten echter een aantal zeer nadelige gevolgen aan kernenergie: de nucleaire straling van een kernreactor en het kernafval. Een kerncentrale is tegenwoordig dusdanig beveiligd dat deze zichzelf uitschakelt als er iets mis is. Toch zijn de gevolgen van een kernreactor die explodeert erg groot.

Koolstofdioxide

De oude manier van energie opwekking met olie, gas en kolen heeft tegenwoordig een nadelig gevolg. Niet zo explosief als een defecte kerncentrale maar het sluipt als boosdoener onze samenleving binnen. Sinds het gebruik van olie, gas en kolen door de mensheid is de hoeveelheid koolstofdioxide in de lucht langzaam toegenomen. De hoeveelheid koolstofdioxide in onze ademlucht is heden ten dage verdubbeld ten opzichte van 200 jaar geleden. De gevolgen hiervan zijn tegenwoordig zichtbaar, de aarde wordt warmer met als gevolg dat het klimaat extreme vormen gaat aannemen. Hittegolven, droogte, veel regen en stormen komen steeds vaker en feller voor. Ook de ijskappen op de noord- en zuidpool zijn langzaam aan het smelten en de eeuwige sneeuw op de bergtoppen verdwijnt door de jaren heen.

Emissieloze energie

De vraag naar emissieloze energieopwekking is toegenomen vanaf het moment dat de mensheid zicht bewust is van de gevolgen die fossiele brandstoffen met zich meebrengen op lange termijn. Zonnepanelen en windmolens hebben een versnelde ontwikkeling doorgemaakt en worden nu fors ingezet om de uitstoot van koolstofdioxide te beperken. Maar deze emissieloze energievormen dekken de lading niet en kunnen tijdens de winter en 's nachts niet voldoen aan de energiebehoefte. Opslag van elektrische energie in die hoeveelheid is tot nu toe nog niet mogelijk, een accugrootte van megawatt-formaat is niet te hanteren. Een aantal fossiele-brandstofcentrales zullen moeten blijven draaien om aan de energiebehoefte te kunnen voldoen. Zeker nu elektrische auto's anno 2018 hun intrede doen om de benzine-uitstoot te beperken. De vraag naar elektrische energie zal de komende jaren fors toenemen.

Kernreactor

Een andere vorm van emissieloze energie is kernenergie. Een kernreactor levert continu stroom zonder luchtvervuiling. Het nadeel van kernenergie is de nucleaire straling en het kernafval. Nucleaire straling komt alleen vrij als de nucleaire stof buiten de reactor komt en niet is afgesloten of afgeschermd. Het kernafval verschilt per reactorsoort. Een kernreactor met uranium produceert duizend maal meer kernafval dan een gesmolten-zout-reactor. Het afval van een uraniumreactor heeft 100.000 jaar nodig om tot aanvaardbare veilige stralingsniveaus te zakken. Het afval van een gesmolten-zout-reactor heeft 300 jaar nodig om tot aanvaardbare stralingsniveaus te zakken.

Uraniumreactor versus gesmolten-zout-reactor

Een gesmolten-zout-reactor wordt gevoed met thorium waarin uranium-233 zit. De gesmolten-zout-reactor wordt daarom ook wel thorium-reactor genoemd. Deze splijtstof kan ook gebruikt worden in de uraniumreactors. De nadelige gevolgen van de gesmolten-zout-reactor zijn vele malen kleiner dan die van een uranium- of plutoniumreactor. De ontwikkeling van een gesmolten-zout-reactor staat anno 2018 nog in de kinderschoenen terwijl deze kennis in de jaren vijftig al bekend was. De ontwikkeling van een gesmolten-zout-reactor werd gestopt omdat met deze reactoren geen grondstoffen voor kernwapens kon worden geproduceerd, zoals plutonium en uranium. De Amerikaanse president Nixon heeft tijdens zijn bewind gekozen voor de uraniumreactor omdat deze wel grondstoffen voor kernwapens kan produceren.

Brandstofcyclus

De ouderwetse uraniumreactoren gebruiken uranium-235. Een gesmolten-zout-reactor gebruikt thorium en heeft als isotoop thorium-232, deze is niet te gebruiken als brandstof. Om van thorium brandstof te maken wordt een langzaam-neutron ingevangen waardoor er thorium-233 ontstaat, deze binding vormt protactinium-233 dat weer vervalt tot uranium-233. Uranium-233 is wel de juiste brandstof om kernenergie mee te kunnen produceren. Tijdens het splijten van deze brandstof komt er een neutron vrij die gebruikt wordt om nog meer thorium om te zetten naar uranium-233. Niet alle uranium wordt gespitst in een reactor waarbij kernenergie vrijkomt. De ongesplitste uranium is het zogenaamde kernafval. Bij een gesmolten-zout-reactor is de kans dat uranium ongesplitst blijft vele malen kleiner dan bij de ouderwetse uraniumreactoren. Daardoor komt er veel minder kernafval vrij bij een gesmolten-zout-reactor.

Voor- en nadelen gesmolten-zout-reactor versus uraniumreactor

De keuze van de brandstof voor energieopwekking heeft altijd zijn impact op het leefmilieu van mens en dier. Een kernreactor heeft als voordeel dat er geen koolstofdioxide vrijkomt zoals bij het gebruik van fossiele brandstoffen. De nadelen van kernenergie kunnen beperkt worden door te kiezen uit verschillende soorten kernbrandstof.

Voordelen gesmolten-zout-reactor

Een gesmolten-zout-reactor produceert duizend maal minder afval dan de uraniumreactor. Het afval van de zoutreactor heeft 300 jaar nodig om tot aanvaardbare stralingsniveaus te zakken, de 'ouderwetse' uraniumreactor produceert afval dat 100.000 jaar nodig heeft om tot een aanvaardbaar stralingsniveau te zakken. Uit een gesmolten-zout-reactor met thorium kan per kilo splijtstof meer energie worden opgewekt dan uit een kilo uranium van de ouderwetse reactoren. Het uranium van de ouderwetse reactoren zal vooraf moeten worden opgewerkt tot bruikbare splijtstof, een gedeelte van dat opgewerkte uranium zal verarmd uranium blijven en niet meedoen in de kernreactie maar als kernafval mee afgevoerd worden. Dat is niet het geval bij een thorium-reactor, dat hoeft vooraf niet te worden opgewerkt, hier wordt vrijwel alle splijtstof omgezet tot kernenergie. Dat is de reden waarom thorium-reactors veel minder afval produceren dan de ouderwetse uraniumreactoren. Een groot gedeelte van het afval dat een gesmolten-zout-reactor produceert kan na vijf jaar weer hergebruikt worden. Het gevaar van een 'meltdown', het smelten van de kernreactor, is bij een gesmolten-zout-reactor niet aanwezig. De reactie is te traag om op hol te kunnen slaan, dat lukt wel met de ouderwetse uraniumreactoren. Als de temperatuur van een zoutreactor te hoog wordt stopt de reactie vanzelf en stolt de verzadigde zoutoplossing. De restwarmte van de gestolde zoutkern is naderhand makkelijk af te koelen zodat na het stoppen van de kernreactie geen meltdown kan optreden.

Nadelen gesmolten-zout-reactor

Een gesmolten-zout-reactor heeft, om de reactie te starten, uranium-233,uranium-235 of plutonium-239 nodig. Dat is aanwezig in de huidige ouderwetse uraniumreactoren. De radioactiviteit van het kernafval bij een thorium-reactor is vele malen hoger dan van de ouderwetse uraniumreactoren. Daar staat tegenover dat het afval van de thorium-reactor slechts 300 jaar bewaard hoeft te worden, het afval van de ouderwetse uraniumreactor 100.000 jaar.

Ontwikkeling van de gesmolten-zout-reactor

Aangezien de verdere ontwikkeling van de gesmolten-zout-reactor begin jaren zeventig op een laag pitje is gezet zal het nog tot 2040 duren voordat er een veilige thorium-reactor kan worden gebouwd. Het onderzoek naar de gesmolten-zout-reactor zal een flinke impuls moeten krijgen om die tijd te verkorten. Anno 2018 zijn er een aantal landen in de wereld, o.a. China, India en Nederland, bezig met de verdere ontwikkeling van de gesmolten-zout-reactor.