Wat is een gesmolten-zout-reactor en is dit een alternatieve energietechnologie?

Hoe werkt een kernreactor?

In huidige kerncentrales wordt energie opgewekt door uranium-235 kernen te bombarderen met neutronen. Het uranium valt dan uiteen in twee lichtere elementen. Bovendien komen tijdens deze zogenaamde splijtingsreactie twee tot drie nieuwe neutronen vrij die wederom een splijting kunnen veroorzaken. Bij elke splijtingsreactie komt ongelofelijk veel energie vrij. De meeste energie wordt omgezet in warmte, waarmee water wordt verhit en stoom kan worden geproduceerd. Door de stoom door turbines te leiden, die op hun beurt weer grote generatoren aandrijven, kan vervolgens elektriciteit worden opgewekt. In de kerncentrale van Borssele (Zeeland) bevindt de uranium-brandstof (met name uraniumoxide) zich in duizenden lange, dunne splijtstofstaven die dicht op elkaar gepakt zitten. Tussen die staven stroomt water dat de warmte opneemt die door splijting wordt geleverd. Het water staat hierbij onder hoge druk (150 maal hoger dan de omgevingsdruk) zodat in het water hoge temperaturen kunnen worden bereikt.

Het afval dat ontstaat in dit soort reactoren bevat de uit de splijtingsreactie voortkomende lichtere elementen zoals bijvoorbeeld jodium, cesium en strontium, én zeer zware elementen zoals plutonium en americium. De zware elementen ontstaan door het invangen van neutronen in uranium-238. Van alle uranium in een conventionele kernreactor is maar liefst 96% uranium-238, de overige 4% is het versplijtbare uranium-235. Een aantal van deze zware elementen blijven heel lang gevaarlijk (zo’n 250.000 jaar) voor levende organismen en moeten dus veilig in een dikke laag beton worden opgeslagen. Hoewel het afval gevaarlijk is wordt er maar weinig van geproduceerd. Als je je hele leven kernenergie zou gebruiken dan zou je een hoeveelheid afval ter grootte van één appel nalaten.

Figuur 1: De binnenkant van de MSR in Oak Ridge National Laboratories (van Wikipedia).

Wat is een MSR?

Een gesmolten-zout-reactor (Molten Salt Reactor of MSR) wekt, net als in huidige kerncentrales, energie op door middel van splijtingsreacties, maar zit heel anders in elkaar. De brandstof in de MSR is namelijk vloeibaar, en wel in de vorm van een gesmolten zout. Dit zout bevat splijtbaar materiaal zoals uranium-fluoride of plutonium-chloride en wordt, net als in conventionele kernreactoren, zeer warm door de splijtingsreacties. Het hete zout wordt vervolgens door een warmtewisselaar gepompt om daar de opgewekte warmte-energie af te staan aan een tweede zout-circuit. Dit zout kan uiteindelijk worden gebruikt om via een tweede warmtewisselaar stoom, en dus elektriciteit te maken. Het zout neemt dus, nog even terugkijkende naar de werking van de kerncentrale in Borssele, de functie van zowel de splijtstofstaven als van het water in de reactorkern over. In de zestiger jaren van de vorige heeft in het Oak Ridge National Laboratory gedurende vijf jaren zo’n MSR succesvol gedraaid, waarmee men kon aantonen dat het principe van zo’n gesmolten-zout-reactor werkt (Figuur 1).

Een aantal voordelen van de MSR zijn:

• De brandstof kan tijdens reactorbedrijf gezuiverd en aangepast worden. Theoretisch kan zelfs gewisseld worden tussen uranium-235 en thorium-232 (zie verder) als grondstof voor het splijtingsproces.
• De druk in de MSR is gelijk aan de buitendruk; de reactor staat dus niet onder hoge druk, zoals bij huidige kerncentrales wel het geval is; dit vergroot de veiligheid.
• Er kan gebruik gemaakt worden van een zogenaamde freeze plug: dit is een prop gestold zout die continu wordt gekoeld. Bij uitval van de stroomvoorziening (zoals in Fukushima) of bij te hoge temperaturen van het zout smelt deze freeze plug en wordt het zout veilig opgevangen in opslagtanks onder in de kerncentrale. De reactorkern kan zo niet smelten, zoals in Fukushima, wat een grote inherente veiligheid geeft.

Na het succesvolle experiment in Oak Ridge is men gestopt met de verdere ontwikkeling van de MSR vanwege politieke redenen en het feit dat destijds werd ingezet op andere type kernreactoren [1]. In de laatste 20 jaar is hernieuwde interesse voor MSR ontstaan: het is een van de concepten voor een duurzamere vorm van kernenergie die wordt onderzocht voor toekomstige reactoren (zogenaamde Generation-IV) [2]. Dit heeft in diverse landen geleid tot nieuwe onderzoeksprogramma’s die MSR van proof-of-concept naar een industriële/commerciële toepassing moeten brengen.

Thorium versus Uranium

Thorium is net als uranium een zwaar element, maar nét iets lichter. Het komt in de natuur voor in de vorm van thorium-232 en is volop aanwezig in de aardbodem. Dit element is ontdekt in 1828 en vernoemd naar de Noorse onweersgod Thor. Thorium zelf kan niet verspleten worden, maar kan wel door het invangen van een neutron omgezet worden in uranium-233, een proces dat kweken wordt genoemd. Deze vorm van uranium kan wél splijten en levert bovendien relatief veel nieuwe neutronen op. In een speciale versie van de MSR, de snelle gesmolten-zout-reactor (MSFR, figuur 2), kan het aanmaken en splijten van het uranium-233 tegelijkertijd plaatsvinden.

Figuur 2: Europees ontwerp van de MSFR uit het SAMOFAR en SAMOSAFER project (van http://samofar.eu/).

Voordelen van Thorium in een MSFR

Het gebruik van thorium-232 in een MSFR heeft een aantal voordelen ten opzichte van huidige kerncentrales, zowel op het gebied van beschikbare grondstoffen als in veiligheid. Deze zijn:

• Er is zeer veel thorium-232 aanwezig in de bodem; zo’n 500 keer meer dan uranium-235 [3].
• Er worden zeer weinig elementen aangemaakt die lang gevaarlijk zijn. Hierdoor geeft het afval slechts gedurende 300 jaar gevaarlijke straling af in plaats van 250.000 jaar.
• Het afval uit bestaande kernreactoren (waaronder plutonium) kan in een MSR gebruikt worden om energie op te wekken en/of langlevende elementen af te breken tot kortlevende elementen.
• De reactor dooft vanzelf uit als het zout te heet wordt.

Wanneer zou de MSFR een feit kunnen zijn?

Het antwoord op deze vraag is niet eenvoudig te geven omdat binnen zo’n beladen onderwerp als kernenergie vele aspecten een rol spelen, zoals het politieke klimaat, de maatschappelijke acceptatie van kernenergie en economische ontwikkelingen. Wat in elk geval met grote zekerheid gesteld kan worden is dat als men bereid is de nodige investeringen te doen, de bouw van de eerste commerciële MSFR binnen enkele decennia al een feit zou kunnen zijn. Wereldwijd zijn inmiddels verschillende onderzoeksprogramma’s opgezet in China, Europa (waarin de TU Delft een belangrijke rol in speelt), Rusland en de Verenigde Staten om de MSFR verder door te ontwikkelen. Een belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van de MSFR is het bouwen van een testreactor, waarmee allerlei experimenten gedaan zouden kunnen worden. Zo moet er bijvoorbeeld nog veel onderzoek gedaan worden naar materialen die decennialang bestendig kunnen zijn tegen de hoge stralingsdoses, corrosie en hoge temperaturen, naar de fysische eigenschappen en het chemische gedrag van de brandstof en naar de beste manier om het zout te zuiveren.

Een vaak gehoord argument tegen kernenergie is dat de ontwikkeling en bouw van moderne kerncentrales zo lang duurt, maar dit kan ook een argument zijn om juist zo snel mogelijk te beginnen met de ontwikkeling van de MSFR. Het is nog niet duidelijk dat we een volledig op hernieuwbare energie draaiende elektriciteitsvoorziening kunnen bouwen die betaalbaar en maatschappelijk acceptabel is, of dat kernenergie hier ook een zekere rol in zal gaan spelen. Zie bijvoorbeeld dit antwoord op de KlimaatHelpdesk voor verdere discussie van deze complexe vraag.

Verdere informatie

Er is ongelofelijk veel informatie te vinden over de MSFR. In de onderstaande link gaat Jan-Leen Kloosterman dieper in op dit type kernreactor: De thorium kernreactor.