Wat je moet weten over thorium

De politiek ziet thorium als toekomstige energieleverancier en ook het bedrijfsleven krijgt meer interesse. Vanwaar die belangstelling voor thorium? De eerste experimenten met een gesmoltenzoutreactor, en de ideeën om daarbij thorium als medium te gebruiken, stammen immers al uit de jaren 60. En áls dit de nieuwe manier van energiewinning wordt, hoelang duurt het voor het er is? Een lesje thorium door Martin Rohde (afdeling Radiation, Science and Technology, TNW).

Wat is thorium?

“Overal op de wereld komt thorium voor, op de ene plek meer dan de andere. In Noorwegen – waar het element ontdekt is – zit er meer van in de grond dan in Nederland. Het is vernoemd naar de god Thor. Bij het winnen van zeldzame metalen en bij veel andere processen komt thorium vrij waar we nu niks mee doen. Vroeger werd het gebruikt voor campinggaskousjes, maar verder niet. Er liggen bergen thoriumafval klaar. Het is een superstabiel element. Bijna alle thorium dat je in de aardbodem vindt, is ouder dan het zonnestelsel. Haal je op een willekeurige plek op aarde een schep grond omhoog, en gebruik je het thorium daarin om energie op te wekken, staat het gelijk aan de energie die 60 liter benzine oplevert. Het is dus geen kritieke grondstof. Dat het wereldwijd zo veel voorkomt haalt wat druk van de politieke ketel.”

Wat is het verschil tussen een gesmoltenzoutreactor die op thorium werkt en een gewone kerncentrale?

“Er zijn veel verschillen, maar het belangrijkste is de brandstof. Een gewone reactor werkt op uranium. Dat is heel goed splijtbaar. Als je er een neutron op afschiet splitst het en krijg je nieuwe neutronen. Zo kun je een kettingreactie veroorzaken, die we in toom houden in de kernreactor. Tijdens de splijting springen de delen met een enorme snelheid van hun plek en veroorzaken trillingen. Harder trillen betekent een hogere temperatuur, dus het materiaal wordt heter. Die warmte kun je afvoeren en omzetten in elektriciteit.

‘Dat je het afval van een thoriumreactor veel minder lang hoeft op te slaan, is het grootste voordeel’

Uranium komt in de natuur in twee vormen voor: 235 en 238. Uranium-238 is een zwaar isotoop. Als dit extra neutronen opneemt, vormen zich elementen die helemaal niet bestaan in de natuur, zoals plutonium, americium, curium, neptunium. Sommige daarvan zijn lang radiotoxisch en zorgen voor kernafval dat langdurig moet wordenopgeslagen.”

Rohde toont een afbeelding van het periodiek systeem. “Thorium-232 is op zich niet splijtbaar, maar het zit in de buurt van uranium. Bombardeer je thorium met een neutron, dan krijg je het vrij instabiele thorium-233, dat in twee stapjes vervalt naar uranium-233. Uranium-233 is een droombrandstof: het genereert net meer neutronen dan uranium-235, en is heel goed splijtbaar. Omdat thorium-232 zes stapjes lager zit dan het uranium-238 in een gewone kernreactor, is de kans dat je naar die lang-stralende isotopen gaat, veel kleiner. Het afval uit een gesmolten zoutreactor moet je zo’n 300 jaar opslaan. Dat is wat anders dan 250 duizend jaar zoals bij een klassieke kernreactor. Dit is wat mij betreft het grootste voordeel van een gesmoltenzoutreactor. De thoriumreactor is de holy grail.”

Wat is de rol van dat gesmolten zout?

“Bij een gewone reactor heb je één neutron nodig voor een splijting, bij thorium gaat het in twee stappen en heb je dus twee neutronen nodig. Omdat je er uiteindelijk meer energie uit wil halen dan je erin stopt, moet je heel zuinig zijn met je neutronen.
Een gewone reactor bevat veel staal en er stroomt veel water doorheen, en hierin worden de neutronen gevangen worden. Terwijl je een reactor wilt maken waarin zo weinig mogelijk materiaal zit waar neutronen in kunnen verdwijnen. Dan kom je uit op een grote bak met zout. Daarin zit de splijtstof gelijkmatig opgelost. Binnen die bak zout splijt het uranium, waarbij de temperatuur oploopt tot 700 graden. Dat hete gesmolten zout stroomt vervolgens via een warmtewisselaar om de warmte af te tappen. Daarna begint het proces weer van voor af aan. Zo blijven er dus zoveel mogelijk neutronen over om de tweetrapsraket in gang te houden, er verdwijnen veel minder neutronen.”

Kokend heet gesmolten zout, bijt dat de reactor niet weg?

“Zout is heet en corrosief. Dus moeten we op zoek naar materialen die dit veertig, misschien wel zestig jaar overleven. In Amerika heeft zo’n reactor al wel een tijdje gedraaid, maar nooit zestig jaar. Bij ons en bij werktuigbouwkunde wordt onderzoek gedaan waarbij materialen worden blootgesteld aan heet zout, en dit extrapoleren we naar langere tijdschalen. Geschikte materialen vinden om de reactor van te bouwen, is één van de de grootste uitdagingen.”

Nu het nieuws over de Chinese thoriumreactor. ‘Wereldprimeur’ werd er gezegd. Hoe ver zijn ze daar?

“Ik wil het niet bagatelliseren, het is een belangrijke stap. Het is daar gelukt om de reactor een klein beetje uranium-233 te laten maken en dat opnieuw te gebruiken. Maar het doel is om een reactor volledig op thorium te laten draaien, en dat is hier zeker nog niet het geval. Ik zeg niet dat het geen mijlpaal is, maar de marketing heeft denk ik ook wel goed gewerkt.”

Vorige week werd tijdens het  ‘Made for nuclear-event’ een ambitieovereenkomst gepresenteerd voor de realisaties van de eerste gesmolten zoutreactordemonstrator voor Europa: Thorizon Pioneer. Een samenwerking tussen vele partijen, onder leiding van de start-up Thorizon, en met de TU Delft als onderzoekspartner. Hoe ziet die samenwerking eruit en belangrijker: hoelang duurt het voor de energie uit ons stopcontact komt van een gesmoltenzoutreactor?

“Technisch is het allemaal mogelijk, het gaat nu vooral om regelgeving, licenties, de vraag waar te bouwen, en uitgebreid testen voor je dan echt mag bouwen. De hele brandstofcyclus van het winnen van thorium uit erts, tot het verwerken en omgaan met het uiteindelijke afval moet nog uitontwikkeld worden. En heel belangrijk: de financiering. Met Thorizon overleggen we regelmatig en werken we samen binnen verschillende projecten aan de technologie van gesmoltenzoutreactoren. Het is heel bijzonder dat we dit doen in samenwerking met een bedrijf van Nederlandse bodem. Ik verwacht dat we tussen 2040 en 2050 een echt werkende gesmoltenzoutreactor hebben. Maar 2030, wat ook door sommigen genoemd wordt, daar ben ik wat terughoudender over.”