Terug naar thorium

Als de locomotief piepend tot stilstand komt voor de lange rij witte containerwagons, klimt in de verte een man op een van de cilinders en steekt zijn armen triomfantelijk omhoog. Hij heeft de beruchte Castor-trein tot stilstand gedwongen.

Elk van de duizend-kilometerlange reizen tussen het Franse Normandië en de Noord-Duitse vlakten gaat met zulke protesten gepaard. De laatste was in 2011. Naast vreedzaam gehouden demonstraties werden er bovenleidingen vernield, seininstallaties gesloopt en rails geblokkeerd.

Castor staat voor ‘Cask for Storage and Tranport of Radioactive Material’. In elk van de witte cilinders zit hoogradioactief afval dat jaren geleden in Duitse kerncentrales is geproduceerd. Het komt terug uit de Franse opwerkingsfabriek in La Hague waar er uranium en plutonium uit gehaald is om te worden hergebruikt in brandstofstaven. De rest, waaronder isotopen die nog vele duizenden jaren hoogradioactief zullen blijven, gaat naar een tijdelijke opslagplaats, een oude zoutmijn bij Gorleben aan de oevers van de Elbe.

De actievoerders stellen dat vervoer van zulk materiaal te riskant is, net als de opslag in een tijdelijk depot zonder een visie op de toekomst. Daar valt wat voor te zeggen.

Erfenis

Is er een alternatief? Mogelijk, als onderzoekers erin slagen om hoogradioactieve materialen om te zetten (‘transmuteren’) in andere minder langlevende stoffen. Het doet denken aan de middeleeuwse alchemisten die lood in goud probeerden te veranderen. Maar terwijl zij alleen de mythische steen der wijzen hadden, vertrouwen de huidige alchemisten op deeltjesversnellers en thoriumreactoren. Of ze daar meer succes mee zullen hebben, blijft de vraag.

Hoogradioactief afval is het schaamlapje van de nucleaire industrie. Dat geldt niet alleen voor Duitsland; wereldwijd komt er tienduizend ton per jaar bij. In de Verenigde Staten staat 65 duizend ton of 26 duizend kubieke meter aan gebruikte brandstofstaven op 75 verschillende tijdelijke opslagplaatsen door het hele land, terwijl de politiek besluiteloos blijft. Dat dubieuze erfgoed verdubbelt waarschijnlijk tegen het jaar 2050. En het is nog niets vergeleken bij het hoogradioactief afval dat van het kernwapenprogramma is blijven liggen (nog eens 330 duizend kubieke meter).

Kernafval ontstaat door de inwerking van neutronen. Uranium-235, het splijtbare deel van brandstofstaven, heeft er 143 in de kern – te weinig om stabiel te zijn. Op den duur ondergaat een klomp U-235 daarom een spontane transmutatie: afzonderlijke atomen splijten waarbij er neutronen en veel energie vrijkomen. Als een van die neutronen een ander U-235 raakt, kan dat ook uiteen vallen, waardoor er nog meer neutronen vrijkomen, enzovoorts. Het probleem begint wanneer die splijting niet plaatsvindt. Ongeveer 95 procent van afgewerkte brandstof bestaat nog uit uranium – voornamelijk uranium-238, een niet splijtbare maar radioactieve isotoop die het grootste deel uitmaakt van natuurlijk uranium. Uranium kan uit de brandstofstaven gewonnen worden om te recyclen, zoals in La Hague gebeurt, maar dat is vrij kostbaar. Vers gedolven uranium is goedkoper, dus de meeste landen slaan hun afgewerkte brandstofstaven ergens op.

Verwerkt of niet, afgewerkte brandstofstaven bevatten nog andere, gemenere stoffen. Zo kan het gebeuren dat een uraniumatoom een neutron gewoon opneemt in de kern. Dat kan meerdere malen gebeuren waardoor er zwaardere elementen ontstaan als plutonium en americium. Deze ‘zware actiniden’ vormen het echte afvalprobleem. Met halfwaardetijden (de tijd waarna van de oorspronkelijke hoeveelheid stof nog precies de helft over is, red.) van duizenden jaren blijven ze nog tienduizenden tot honderdduizenden jaren gevaarlijk radioactief, lang nadat de andere bestanddelen vervallen zullen zijn.

Transmutatie

Maar als neutronen kernafval veroorzaken, misschien kunnen ze het dan ook opruimen. Als een neutron hard genoeg op een zware actinidekern botst, kan ook die splijten. De lichtere kernen die het resultaat zijn, veroorzaken in de regel minder problemen. “De producten van kernsplijting zijn talrijk en gevarieerd”, zegt dr. Geoff Parks, nucleair onderzoeker aan de universiteit van Cambridge. “Ze zijn bijna allemaal radioactief, maar de halfwaardetijd is over het algemeen orden van grootte korter.” Splijtingsproducten zijn isotopen zoals krypton-85 of cesium-137 met overzichtelijke halfwaardetijden van elf en respectievelijk dertig jaar. Die moeten een paar honderd jaar opgeslagen worden totdat de activiteit tot een veilig niveau gedaald is – nog steeds een probleem, maar geen belasting meer voor ontelbare toekomstige generaties. Dit is de belofte van transmutatie.

Als neutronen de sleutel zijn, kun je denken dat transmutatie vanzelf gebeurt: er vliegen immers zat neutronen rond in een kernreactor. Maar bij kernsplijting vrijkomende neutronen worden in een gewone reactor afgeremd tot een energie van 0,025 elektronvolt. Dat is precies goed om uranium te splitsen, maar acht orden van grootte te klein voor een actinidekern. Eerdere pogingen om reactors te bouwen met snelle neutronen zijn vastgelopen op kosten en veiligheidsoverwegingen.

Misschien komt een neutronenkanon van pas. Door protonen met hoge snelheid in een loden doelwit te schieten kan hiermee een bundel energierijke neutronen worden opgewekt. Bundel die in een reactor met afgewerkte brandstofstaven om actiniden te splijten.

Dat is althans de theorie, en die is niet nieuw. Deeltjesfysicus en Nobelprijswinnaar Carlo Rubbia opperde al twintig jaar geleden zijn ‘accelator-driven system’ of ADS. Maar de technologie schoot tekort. De productie van hoogenergetische neutronen met voldoende energie om actiniden te splijten blijft lastig. De huidige protonversnellers produceren deeltjes in pulsen en zijn bovendien niet erg betrouwbaar; ze vallen nogal eens uit. “Uitval van de neutronenbundel in een ADS betekent dat je reactor ermee stopt en begint af te koelen”, zegt Hamid Aït Abderrahim van het Studiecentrum Kernenergie SCK-ECN in Mol, België. Dat kan gevaarlijke spanningen opleveren in de omhullende materialen.

Aït Abderrahim leidt een project dat zulke problemen moet voorkomen. Myrrha (Multipurpose Hybrid Research Reactor for High-tech Applications) zal de eerste grootschalige beproeving zijn van het ADS-concept. Gesteund door de Europese Unie, begint de bouw in 2015. In 2023 zou de reactor operationeel moeten zijn.

Maar het kan ook anders, volgens recent werk van de groep van Parks in Cambridge. Een student van hem, Ben Lindley, heeft berekend dat in een mengsel van hoogradioactief actinide kernafval en thorium voldoende neutronen vrijkomen uit de zware kernen om het thorium te splijten, waardoor er op een veilige manier energie opgewekt wordt (Annals of Nuclear Energy, vol 40, p 106).

Thorium is een kernbrandstof met een lange lijst van voordelen boven uranium. Er is drie tot vier keer meer van op de wereld en het kan allemaal als brandstof dienen, terwijl natuurlijk uranium maar voor 0,7 procent uit splijtbaar uranium-235 bestaat. Thorium is in de eerste prototypen kernreactoren uitgebreid toegepast. Maar toen kernenergie zich in de jaren zeventig ontplooide, werden overal nieuwe voorraden uranium ontdekt. Verder hadden thoriumreactoren een belangrijk nadeel: er komt, anders dan bij uraniumreactoren, bijna geen plutonium vrij – de grondstof voor kernwapens. “Ik ben er zeker van dat uranium heeft gewonnen omdat thorium geen militaire toepassingen kent,” zegt prof.dr. Roger Barlow, deeltjesfysicus aan de universiteit van

Huddersfield (Verenigd Koninkrijk), die onderzoek doet naar thorium als splijtstof. “De ontwikkeling van kernenergie en kernwapens verliep hand in hand.”

Thorium is uit zichzelf geen splijtstof. De atomen nemen eerst neutronen op om uranium-233 te vormen, dat wel splijtbaar is; het knalt uiteen zodra het door een volgend neutron getroffen wordt. Dit tweestapsproces heeft meer neutronen nodig dan er geproduceerd worden, dus is een externe neutronenbron nodig. Dat is precies wat actiniden zouden kunnen leveren, bijgemengd als kernafval bij thorium.

In principe is dat altijd mogelijk geweest. “Het is meer dat niemand op dat idee kwam”, zegt Parks. Hij en Linley kwamen op het idee terwijl ze uitzochten hoe ze een neutronenkanon het best konden inpassen bij bestaande reactoren. “Ik begon met een heel ingewikkelde reactor, die ik steeds eenvoudiger heb gemaakt”, zegt Lindley. “Ik zag dat elke volgende versie bleef werken, soms beter dan het oorspronkelijke ingewikkelde ontwerp, totdat ik op een normale reactor uitkwam.”

Barlow (Huddersfield) houdt zijn twijfels. Hij wijst erop dat de geleidelijke omzetting van thorium naar uranium de opname en productie van neutronen door de tijd zal doen variëren. “Ik denk dat je een soort neutronenkraan nodig hebt die je bij kunt stellen om het proces gaande te houden”, zegt hij. “Als blijkt dat je een thoriumreactor kunt bedrijven zonder neutronenkanon zal me dat erg verheugen. En verbazen.”

Zelfs als een transmutatiereactor betaalbaar te bedrijven is, blijven er nog flinke hobbels te nemen. Een conventionele reactor wordt gekoeld met water, maar dat remt de neutronen af. Voor snelle neutronen heb je een zwaarder koelmiddel nodig, waar neutronen op afketsen terwijl ze hun energie behouden. Daarvoor wordt vloeibaar lood genoemd dat corrosief is en moeilijk te handhaven binnen de kern.

Ook zal het ontwikkelen van thoriumindustrie tijd vergen. De hoeveelheden die er nu gedolven worden als bijproduct van zeldzame aardmetalen zijn voldoende voor een paar onderzoeksreactoren, maar niet voor een industrie. Daarvoor is een hele nieuwe infrastructuur nodig, van mijn tot recycling. Dat is niet zo moeilijk, zegt Parks, maar het gaat niet voor niets.

Dat geldt trouwens ook voor willekeurig welke oplossing voor het hoogradioactief afval. Stel je voor dat, over een jaar of tien, de Castor-trein door Europa reist om radioactief afval naar een faciliteit te brengen die het letterlijk uit de wereld helpt. Wie zou daar nog tegen protesteren?

Het artikel’ Nuclear Alchemy: Thorium promises power from waste’ van James Mitchell Crow verscheen op 30 mei 2012 in New Scientist. Vertaling: Jos Wassink