Gesmolten zout reactor (MSR) eist zijn plaats op als duurzame energiebron
Alvin Weinberg markeert de 6000 uur mijlpaal van de eerste MSR in 1967
In juni 2011 schreef ik dit bijna gelijknamige blog, maar toen nog met een vraagteken erachter. Dit wordt nog steeds dagelijks gelezen, zelfs steeds vaker, met bij elkaar bijna 10.000 hits, mijn veruit meest gelezen blog ooit.
Paginaweergaven van mijn eerste blog over thorium
Was ik destijds nog enigszins sceptisch over de mogelijkheden: hoe verder ik me erin verdiepte, hoe meer ik ervan overtuigd raakte dat de mensheid 50 jaar geleden een dramatische vergissing heeft begaan door te kiezen voor uranium/plutonium kweekreactoren in plaats van het veel veiligere en schonere thorium.
Na vijftien jaar onderzoek naar alle mogelijke energiebronnen ben ik tot de conclusie gekomen dat van alle bestaande opties thorium MSR de enige energiebron is die erin zou kunnen slagen om voor het einde van de eeuw werkelijk het fossiele energiegebruik tot onder de 50 % van de totale behoefte terug te dringen. Puur omdat het schoner, betrouwbaarder, veiliger en goedkoper is dan fossiele energie. Alleen een efficiënter, beter en goedkoper alternatief werkt welvaartsverhogend en kan de basis vormen voor een echte transitie, zoals meer dan 30 experts al aan de kabinetsformateurs uitlegden in 2012.
Waarom dient het fossiele energiegebruik teruggedrongen te worden?
Vooropgesteld, ik besef de enorme voordelen die de fossiele energie ons opgeleverd heeft: ongekende groei van de welvaart, gezondheid en gemiddelde leeftijd, en wellicht zelfs de hele technologische en wetenschappelijke revolutie na de verlichting.
Maar dat bracht ook nadelen met zich mee: de winning van fossiel is vaak landschapvernietigend, milieuvervuilend en kost nog steeds erg veel mensenlevens. Het verbranden ervan kan zeer schoon en veilig, maar dat gebeurt, met name van steenkool, alleen in zeer rijke landen, zoals in de peperdure Nederlandse kolencentrales. In de rest van de wereld veroorzaken simpele kolencentrales en kolenkachels nog enorme smog en gezondheidsproblemen.
Aardgas is overal redelijk schoon, en de winning ervan is vooralsnog minder belastend. Shell heeft een punt dat het een mooie overgangsbrandstof is.
Maar aangezien fossiel zeker tot het einde van de eeuw nog een groot deel van onze energie zal leveren, moet alles op alles gezet worden om die keten schoner, veiliger en efficiënter te maken.
Daarnaast is het verstandig om zo snel mogelijk de stap te maken naar een betere bron. Daar moeten we nu mee beginnen om over 80 jaar substantieel resultaat te zien: ontwikkelingen in de energievoorziening gaan traag, door de enorme schaal ervan en de grote kapitaalintensiviteit. Wat de droomdenkers van Greenpeace, Natuur en Milieu, Groen Links en al die anderen u ook voorspiegelen: een decarbonisering van de energievoorziening binnen 50 jaar is een naïeve illusie.
Gelukkig wordt dit in steeds bredere kring ingezien, zoals de Volkskrant van afgelopen zaterdag nog heel duidelijk maakte.
Dit heeft een heel nieuwe groep jonge, idealistische, door duurzaamheid gemotiveerde kernwetenschappers aan het denken gezet, en die komen met allerlei nieuwe ontwerpen, gebaseerd op de gesmolten zout reactor, met name om hiermee echt wezenlijke stappen te zetten naar een schonere energievoorziening voor de toekomst.
Leslie Dewan, de briljante bedenkster van de kernafval verbrandende MSR, het icoon van de nieuwe MSR beweging, op haar Solve for X talk (zie ook haar TEDx talk)
Voor mij telt de CO2 uitstoot niet als belangrijk argument voor het reduceren van fossiel. Maar als anderen daar wel voorstander van zijn, dan vinden we elkaar in een gemeenschappelijk doel, en doet onze argumentatie er niet meer toe. Het vervangen van fossiel door een schonere en goedkopere bron is een doel waar niemand tegen kan zijn, lijkt me.
Wat is thorium MSR?
In een volgend blog ga ik verder in op de precieze werking van de verschillende soorten gesmolten zout reactoren, maar voor nu verwijs ik naar mijn vorige blog hierover.
Thorium MSR staat voor de gesmolten zout reactor (Molten Salt Reactor) waarin thorium omgezet wordt in energie. Dit type reactor heeft zeer grote voordelen, want hij:
– is veilig: een meltdown, explosie of de verspreiding van radioactief materiaal is uitgesloten
– produceert geen langlevend radioactief afval
– verbruikt enkel zeer kleine hoeveelheden van het bijna onbeperkt voorkomende thorium
– werkt op onbewerkt thorium: het hoeft niet verrijkt te worden
– kan ook zeer efficiënt bestaand afval van kerncentrales opruimen en omzetten in energie
– levert energie “on demand”, m.a.w. de kernreactie volgt de energievraag vanzelf
– is ongeschikt om brandstof voor atoombommen te leveren
– levert elektriciteit die naar verwachting aanmerkelijk goedkoper is dan die van alle op dit moment bestaande bronnen
De MSR technologie is al 50 jaar geleden bewezen in het beroemde MSRE experiment in Oak Ridge National Laboratory, dat 5 jaar gedraaid heeft.
Schematische voorstelling van de gesmolten zout reactor met thorium als brandstof (LFTR)
Naar verwachting kan met een zeer ambitieus ontwikkelprogramma over 20 jaar de eerste werkende centrale gerealiseerd zijn. Dat lijkt misschien lang, maar bedenk dat er tussen het begin van het plannen en het in gebruik nemen van een normale reactor ook al 15 jaar zit!
Waarom is de thorium MSR er nog niet?
In de allereerste jaren van de kerntechnologie dacht iedereen dat er maar heel erg weinig verrijkbaar uranium was op de wereld. Om veel kernwapens te maken en veel kerncentrales te bouwen moesten er dus in de eerste plaats kweekreactoren ontwikkeld worden die voor de benodigde brandstof zouden zorgen. De gesmolten zout reactor is hier minder geschikt voor. De Nixon regering heeft daarom de MSR de nek omgedraaid.
Inmiddels blijkt er meer dan genoeg verrijkbaar uranium te zijn, en kan ook thorium voor normale kernenergie gebruikt worden, waardoor het grondstoffenprobleem definitief passé is. Kweekreactoren hebben achteraf bezien geen enkele rol gespeeld.
Maar zoals gezegd: de eerste gesmolten zout reactor heeft 50 jaar geleden al vijf jaar probleemloos gedraaid, en inmiddels zijn er een aantal start-ups die een dergelijke simpele reactor willen gaan leveren.
Simpele reactorontwerpen van een van de serieuzere start-ups Terrestrial Energy (Ca)
Maar die ontwerpen zijn klein, moeten na ca 7 jaar weer ingeruild worden, en hebben maar een deel van de voordelen van de thorium MSR die ik voorsta: de liquid fluoride thorium reactor (LFTR) die ook in mijn vorige blog werd uitgelegd.
Dat is “the real thing”, waarin het zout voortdurend in topconditie gehouden wordt, en die dus zo goed als eindeloos kan draaien zonder aan prestatie in te boeten. De gebruikte reactormaterialen zullen de uiteindelijke levensduur bepalen.
Maar daarvoor moet nog ca 10 jaar intensief onderzoek naar materialen en chemische processen gedaan worden.
Daarna kan met de ontwikkeling van een grote centrale begonnen worden die 30 tot 60 jaar praktisch non stop kan draaien en spotgoedkope elektriciteit kan leveren. Daarbij automatisch en zonder enige regeling van buitenaf de variatie in vraag van de etmalen en jaargetijden volgend.
Wat gebeurt er in de rest van de wereld?
Er is zeer verspreid over de wereld onderzoek gaande, maar nergens een robuust project dat de bouw van de eerste LFTR centrale echt dichterbij brengt. In heel Europa gaat het om een armzalige 5 miljoen per jaar. Dat zijn drie promovendi per land.
In China is een jaar geleden een enorm ambitieus MSR programma gestart met 750 wetenschappers en $350 miljoen aan funding, maar dat lijkt door politieke ontwikkelingen achter de schermen inmiddels op dood spoor te raken en de steun van Peking te verliezen. Wel werkt het team samen met Oak Ridge National Laboratory waardoor men de beschikking heeft over alle know how van het MSRE experiment van 50 jaar geleden.
We zijn deze ontwikkelingen aan het uitzoeken, en houden u op de hoogte.
Wat staat ons te doen?
Wie zich serieus zorgen maakt om de energievoorziening van de toekomst of de gevolgen van het massale gebruik van fossiele brandstoffen, moet thorium MSR als een geschenk uit de hemel ervaren: oneindig veel schone, veilige, betrouwbare en goedkope energie. “We can burn the rocks!” (Alvin Weinberg)
Dat er ooit een historische vergissing gemaakt is bij de keuze voor uranium technologie is mijns inziens eigenlijk de enige reden dat we nu nog aanmodderen met vuilere, duurdere en minder veilige energiebronnen dan de thorium MSR. Deze fout kan nu rechtgezet worden, en Nederland heeft de kennis om dit te doen.
Professoren van TU Delft hebben een plan klaar voor een instituut dat deze klus zou kunnen klaren. Daar moet een flink bedrag voor vrijgemaakt worden: ca 1 miljard over 15 jaar. Maar dat levert dan wel een cruciale bijdrage aan de wereldenergievoorziening van de toekomst, en plaatst meteen Nederland aan de top van de wetenschappelijke kennis op dit gebied.
Dit biedt ook voor onze economie een unieke kans: vanuit het wereldleidende thorium MSR instituut zullen veel high tech spin-offs ontstaan die aan de verwachte wereldwijde golf van MSR projecten apparatuur kan gaan toeleveren, vanaf het moment dat er centrales gebouwd gaan worden.
Symposium
De Netherland Nuclear Society, KIVI Kerntechnologie, TU Delft en de jullie welbekende Stichting Wetenschap, Milieu & Beleid organiseren een groot internationaal symposium over de thorium MSR op 17 april aanstaande.
De ochtend is vooral voor technisch geïnteresseerden, maar het middagprogramma wordt begrijpelijk gehouden voor leken.
We zijn ontzettend trots dat we de wereldtop op thorium MSR gebied naar Delft hebben kunnen halen, waaronder Leslie Dewan en de belangrijkste (her-)ontdekker van de thorium MSR, Kirk Sorensen.
Het wordt een unieke kans om in één dag alles te horen over deze nieuwe speler in de premier league van de duurzame energie!
Onderwerpen die aan de orde zullen komen:
– Hoe het fout ging, 50 jaar geleden
– Wat er nu gebeurt in de wereld, en de nieuwste ontwikkelingen in China
– De drie belangrijkste MSR startups vertellen hun verhaal
– De technologische aspecten van de MSR (vooral ’s morgens)
– De Nederlandse opties
Zo wordt in ieder geval in Nederland 2015 al het jaar van de thorium MSR!
Zie voor meer informatie over het symposium mijn volgende blog.
Meer informatie over en registreren voor het symposium.
Als u op de hoogte gehouden wilt worden van alle nieuwtjes en links over thorium MSR, word dan lid van de thorium MSR linkedin groep
“…Professoren van TU Delft hebben een plan klaar voor een instituut dat deze klus zou kunnen klaren. Daar moet een flink bedrag voor vrijgemaakt worden: ca 1 miljard over 15 jaar….”
Al zou dat 5 miljard kosten dan is dat nog steeds een betere besteding dan minstens het 10-voudige dat nu verspild wordt aan verouderde technieken waarmee nog geen deuk in een pakje CO2-boter geslagen kan worden.
MSR is in theorie het beste, maar de praktijk is weerbarstig. Corrosie is het lastigste (maar niet het enige) probleem van Thorium MSR en dat probleem is niet een-twee-drie opgelost. Net zo min als dat we een-twee-drie accu’s kunnen ontwikkelen die eeuwig meegaan en goedkoper zijn dan de huidige accu’s. Bedenk dat de zoutinhoud van de MSR reactor alle splijtingsproducten van de kernreactie bevat (oftewel een heksenketel met daarin vrijwel alle elementen van het periodiek stelsel, op hoge temperatuur!) en elke scheikundige realiseert zich dat die heksensoep zich niet gemakkelijk 60 jaar laat opsluiten, door welke barrière dan ook. Dat maakt MSR een bewerkelijke, onderhoudsgevoelige, en dus dure grap. MSR voorstanders hoor je echter nooit over corrosie. Dat is dan ook precies de vraag die telkens gesteld moet worden.
Ik zie meer heil zie in de natrium gekoelde kweekreactor met vaste, metalen brandstof. Daarvan is bewezen dat er letterlijk nul corrosie optreedt, omdat natrium wat dat betreft een ideaal koelmedium is. Uranium, thorium, plutonium, americium, neptunium, en het complete stelsel zware isotopen (ook wel kernafval genoemd) kan daar moeiteloos in verbrand worden. Het proces om van verbruikte brandstofstaven nieuwe staven te maken is een eenvoudig te robotiseren proces waarbij het stiekum afscheiden van bommateriaal uitgesloten is, wat ook al bewezen is (in tegenstelling tot bij de MSR, waarbij protactinium gemakkelijk kan worden afgescheiden waardoor zuiver U233 te verkrijgen is, wat een ideaal bommateriaal is: http://wmdjunction.com/121031_thorium_reactors.htm).
De natrium gekoelde kweekreactor is ook al lang bewezen en wordt (in tegenstelling tot de MSR) al op commerciële schaal gebouwd door de Russen, en iedereen die dat wil kan dat kunstje ook flikken, juist omdat de corrosie-vrije werking de techniek zo overzichtelijke en hanteerbaar maakt. Daar hebben we niet nog tien jaar (lees 50 jaar) onderzoek voor nodig. We kunnen morgen beginnen met de voorbereidingen voor de bouw. http://www.thesciencecouncil.com/pdfs/PlentifulEnergy.pdf
Je reageert net als ik, 4 jaar geleden in mijn eerste blog: als je jarenlang voorstander bent geweest van de bestaande vormen van kernenergie heb je een natuurlijke weerstand tegen iets wat dan opeens veel beter zou zijn.
Maar je bezwaren blijken grotendeels ongegrond, en je voorkeur voor vaste brandstof al helemaal. Dat uitleggen vraagt een veel te lang stuk, maar heel kort:
– Corrosie bleek in het MSRE na 5 jaar geen enkele aantasting van het gebruikte Hastalloy-N te hebben opgeleverd. Het ziet er goed uit, voor hogere temperaturen zou nog aan de legering gewerkt kunnen worden
– Er was wel wat stralingsschade aan het staal, en daar moet onderzoek naar gedaan worden.Ook daar is geen doorbraak nodig.
Voor alle belemmeringen geldt dat er geen echte doorbraak nodig is, zoals bij batterijen. Er is gewoon over 20 jaar een goede LFTR te bouwen, als we daar nu aan beginnen te ontwikkelen. Of de eerste dan 30 of 60 jaar haalt boeit niet.
En er zijn allerlei tussenvormen. Een heel interessante is de Moltex reactor, daar zijn de Engelsen heel enthousiast over. Die combineert in zekere zin de voordelen van de vaste en vloeibare brandstof.
Het proliferatieprobleem is veel minder groot dan je suggereert. Theoretisch zou het mogelijk zijn, maar van alle opties om kernbommen te maken is de route via MSR veruit de minst zinnige. Daarbij zou je het als boef waarschijnlijk niet overleven: het spul dat je afscheidt is een extreme gammastraler die weinig van jou en je kernbomelektronica zal overlaten.
Mijn scepsis jegens de MSR is in ieder geval met de jaren sterk afgenomen. En mijn weerstand tegen vaste brandstof met onvermijdelijke grote nadelen is toegenomen.
Ik neem aan dat ik je de 17e zie!
Frappant! Bij mij is het net andersom gegaan. Ik was in eerste instantie voorstander van de Ultimately Safe Reactor (een MSR variant) van Uri Gat, (en in zijn concept zie ik nog steeds veel goeds, dus wat dat betreft zijn we het eens), maar na me te verdiepen in de praktische aspecten ben ik tot de conclusie gekomen dat puur natrium als koelmiddel in combinatie met metalen brandstof een aanmerkelijk eenvoudigere en dus betere manier is om concurrerende duurzame kernenergie te voorzien.
Het afscheiden van protactinium uit de MSR vloeistofstroom is eenvoudig en leidt direct tot de beschikbaarheid over zuiver U-233, wat een zeer goed materiaal is om kernbommen mee te maken.
Het corrosieprobleem van MSR is niet opgelost. Als je in de documenten duikt zie je dat er diverse onopgeloste problemen zijn. Dat is de reden dat er nog meer onderzoek (empirisch) nodig is naar betere legeringen. Het hete zout tast de reactorwand aan ter plaatse van de korrelgrenzen op microschaal, waardoor een lange levensduur niet vanzelfsprekend is. Met zuiver natrium als koelmiddel is er daarentegen daadwerkelijk nul corrosie van reactorwand, kernassemblages, pijperij, warmtewisselaars, etc.
Beste Joris,
Je kan inderdaad protactinium scheiden, er zit alleen zowel Pa-233 als Pa-232 in het zout, deze vervallen dus in U-233 en U-232, waardoor het klassieke probleem dus niet voorkomen is, dit zou je dan weer moeten scheiden wat heel moeilijk is en het maken van een wapen onaantrekkelijk maakt.
Het corrosieprobleem viel na 5 jaar in de Oak Ridge reactor ongelofelijk mee, het is vooral stralingsschade waar onderzoek naar gedaan moet worden, vandaar dat de timeframe 15-20 jaar is. Men zou een andere legering kunnen gebruiken, dikkere wanden of zelfs stukken van de installatie kunnen vervangen.
Ook bij natriumgekoelde kweekreactoren is het ook nog niet helemaal perfect. In Soviet tijd was ik betrokken bij problemen met de valves in het natrium koelsysteem. Maar er is meer ervaring met natrium op zeer hoge temperatuur, bv Lurgi nonadiabatic styrene process.
Een paar foutjes in het artikel corrigeren:
1 .Mede-directeur Mark Massy vond de belangrijke verbeteringen aan de TAP MSR via computer simulaties (niet de briljant en zeer sympathiek overkomende Leslie Dewan).
Die verbeteringen: “… change the moderator and fuel salt used in previous molten salt reactors to a zirconium hydride moderator, with a LiF-basedfuel salt.”
Daarmee loste hij een belangrijk probleem van de ORNL test reactor op. Namelijk het dicht slippen van de poriën in de grafiet blokken die in die test reactor als moderator (vertrager van de snelheid van neutronen) dienden.
2. De eerste gesmolten zout reactor heeft 50 jaar geleden niet vijf jaar gedraaid: “it went critical in 1965 and was operated until 1969″” Zie:
https://en.wikipedia.org/wiki/Molten-Salt_Reactor_Experiment ).
3. En zeker niet probleemloos. De ORNL reactor heeft in die 4 jaar in totaal 18maanden gedraaid.
De problemen; de nikkelstaal legering niet slijtvast genoeg (corrosie was een minor en gemakkelijk op te lossen); verstopt raken van de moderator,; de dubbele in serie staande warmte wisselaars die de kosten zodanig omhoog dreven dat de MSR niet concurrerend kon worden, e.a.
Inmiddels bleek de claim van Trans Atomic Power (TAP, de firma van Leslie en Mark) dat hun MSR deels op kernafval zou kunnen draaien en daarbij de afvalberg zou kunnen reduceren, te berusten op een rekenfout en is TAP ter ziele. De overige MSR start-ups hebben al jaren niets meer laten horen.
Niet raar want het belangrijkste probleem van de MSR; “de snelle slijtage van het staal vanwege de hoge temperatuur van het stralende zout/uranium mengsel” is niet opgelost. Ook niet door het Chinese team dat voor een eerste generatie een deel van de problemen wilde ondervangen door gebruik te maken van klassieke brandstof staven waardoor alleen heet zout door de warmte wisselaars zou stromen…
Er zijn immers sinds de jaren zestig geen staal-ontwikkelingen geweest die mogelijkheden voor een oplossing bieden.