Thorium: kernenergie zonder de nadelen?

(Zie ook dit recente blog over thorium MSR)

Hij was zelfs aangekondigd door ons Nationale Politiek Correcte Geweten Clairy Polak: de bijeenkomst van de VVM in Nieuwspoort over het illustere thorium. Als we de vele extatische websites mogen geloven is thorium de panacee voor al onze energiezorgen nu uranium opeens toch niet meer kan, kolen sowieso niet mochten, olie opraakt, gas van Putin komt en niemand een windmolen in zijn tuin wil hebben. Je kunt er zelfs mee autorijden!

Sprekers waren Dr Derk Loorbach (DRIFT), Dr Henk Huizing (Innovatienetwerk), Ir Noud te Riele (Storrm CS) en Dr Ir Jan-Leen Kloosterman (TU Delft). De leiding was in handen van mijn mede-O2Nederland-lid-van-het-eerste-uur Ir Harry te Riele, transitiedeskundige.

Twee stappen vooruit

Het enthousiasme over thorium berust op twee grote verbeteringen ten opzichte van de huidige op uranium gebaseerde kerncentrales: er is vrij gemakkelijk een nóg veiligere centrale mee te maken dan de nieuwe types zoals die in Finland gebouwd en in Borssele gepland worden, en het afval blijft véél korter radioactief (500 ipv 100.000 jaar).

 

Andere voordelen zijn dat er voor duizenden jaren thorium is in westerse landen (m.n. Australië, de VS, India en Turkije), dat je het niet hoeft te verrijken, dat er geen bommen mee gemaakt kunnen worden, en dat je er in de reactor nieuwe brandstof mee kweekt waardoor je je brandstof heel efficiënt geberuikt. Tot slot kun je er ook afval van andere centrales zoals plutonium mee verbranden.

Wat is het verschil tussen thorium en uranium?

Dat is eigenlijk niet zo erg groot: thorium kan zelf niet splijten maar gaat in de reactor over in uranium 233 dat dat wél kan. Er zijn dan ook allerlei combinaties mogelijk van bv. thorium, uranium en plutonium, die allemaal zo hun vóór en nadelen hebben.  Maar alleen als je zuivere thorium gebruikt, heb je álle genoemde voordelen.

Dat de meeste in aanbouw zijnde thorium reactoren toch op combinaties draaien komt omdat je dan heel dicht bij de huidige, bekende reactortypes kunt blijven. Zo worden er in India Canadese Candu reactoren gebouwd, waarin thorium gecombineerd wordt met plutonium en uranium, maar daarbij is de voornaamste intentie dat India eigen brandstof kan gebruiken en in de toekomst minder afhankelijk wordt van uranium invoer. Dat is de komende decennia nog geen factor in de stroomprijs, maar meer een goede lange termijn strategie, die aantoont dat men in Azië verwacht dat grootschalige kernenergie uiteindelijk een belangrijke factor in de elektriciteitsvoorziening zal worden.

Hoeveel veiliger is een thoriumcentrale?

De huidige centrales hebben de splijtstof als tabletten in pakketten lange buisjes zitten, de elementen, die je na verloop van tijd moet wisselen. Meestal wordt water gebruikt als koeling en als moderator (dat is de stof die de kernreactie mogelijk maakt). Wanneer de kern niet meer onder water staat, smelt hij na een tijdje, zoals in de drie Fukushima reactoren gebeurd is.

Maar er is ook een heel ander principe waarbij de brandstof opgelost wordt in de gesmolten fluorzouten die ook als koeling dienst doen: de MSR (molten salt reactor). Je hebt dan geen elementen meer: de brandstof stroomt met het zout van de reactor naar de warmtewisselaars en weer terug. Daarbij worden de meeste afvalproducten in een aparte unit met heliumbelletjes afgevangen. Ook kun je nieuwe brandstof bijmengen en andere elementen uit de vloeistof halen door deze tijdelijk uit de kringloop te halen.
Er vindt alleen splijting plaats in de reactor omdat het daar door grafietblokken stroomt die als moderator werken.
Heel makkelijk allemaal!

De goede beveiliging berust op een letterlijk “coole” truc: de zouten stollen bij ongeveer 450 graden, dus kun je een leiding verstoppen door hem af te koelen. Doe je dat elektrisch, dan weet je zeker dat de leiding bij het wegvallen van de elektriciteit open zal gaan, want de koeling valt weg.
Op die manier wordt een”stop” onder in de het reactorvat opgenomen, die smelt wanneer de elektriciteit uitvalt, en de zouten met het thorium in vaten laat lopen, waar ze geen kwaad meer kunnen omdat de resterende vervalwarmte daar vanzelf weg kan stromen. Na herstel van de stroomvoorziening kan het spul weer teruggepompt worden in de reactor, de prop bevroren, en kan de reactor weer opgestart worden.
Een volautomatische beveiliging dus!

Ik weet niet of je dit een principieel veiliger reactorconcept kunt noemen. De eenvoud spreekt me wel enorm aan. Maar ook hier is het weer een kwestie van voldoende fantasie om toch mogelijke problemen te verzinnen, en ik zou er best een paar weten. Over één daarvan komen we later nog te spreken.

Overigens kun je ook alle andere splijtstoffen gebruiken in een MSR, puur of in combinatie. Dat is allemaal al gedaan bij proefreactoren. De voordelen van dit type zijn dus niet voorbehouden aan thorium. Wel is het zo dat je 100% thorium eigenlijk alleen maar in een MSR kunt toepassen. Vandaar dat deze twee vaak in één adem genoemd worden.

Waarom hebben we nog geen thoriumcentrales?

De hoofdreden is dat kernenergie voortkomt uit de ontwikkeling van de uranium/plutonium atoombom. De eerste toepassing als krachtbron was dan ook militair: een atoomonderzeeër. Een volgende was de bommenwerper die langdurig boven Rusland kon cirkelen.

Bijna alle huidige centrales zijn een opschaling van die eerste duikboot reactor.
Alle nucleaire kennis was gebaseerd op het Manhatten project en een zeer belangrijke functie van de eerste civiele centrales was het produceren van voldoende plutonium om kernkoppen te kunnen maken om de Russische beer van onze huid te houden. Daarom werd voor uranium 238 gekozen als splijtstof.
Daarna was het als met de VHS vs. de V2000 videostandaard: toen de wereld vanwege de oliecrisis in1973 acuut honderden centrales wilde bouwen, werd in de haast voor het verst ontwikkelde systeem gekozen.
Met iets meer geduld had het wellicht ook thorium kunnen zijn.

Sindsdien is thorium het stiefkind van de nucleaire industrie: er wordt heel verspreid door kleine onderzoeksgroepen aan gewerkt, maar van een echt significante, gecoördineerde inspanning is geen sprake.
Daar zijn helaas ook wel wat redenen voor te bedenken.

Gesmolten zouten

Allereerst zijn gesmolten fluorzouten vreselijk agressieve stoffen, die bijna alles aantasten waar ze mee in aanraking komen. Dit stelt hoge eisen aan de te gebruiken materialen, en beperkt de toelaatbare werktemperatuur.
Inmiddels heeft al wel een testreactor vijf jaar gedraaid zonder zichtbare corrosie, met gebruikmaking van de speciale legering Hastelloy-N, en wordt veel onderzoek gedaan naar betere en goedkopere materialen. Men zegt zelfs de haalbaarheid van een 30-jarige levensduur van een MSR te hebben aangetoond.
Maar met dit corrosieve aspect in je achterhoofd kijk je toch anders naar het enorme onderhoudsvoordeel van een MSR dat je nooit in de reactor hoeft te zijn, en je alles kunt doen met de vloeistof in installaties daarbuiten. Dat zou op zich een heel simpele en goedkope exploitatie mogelijk maken met een minimum aan onderhoud en down-time.
Op dit moment nog moeilijk voorspelbare corrosie-problemen met het reactorvat, de leidingen, pompen en kleppen maken de MSR dus minder aantrekkelijk om miljarden in te investeren.

Proven technology

In de tweede plaats is kernenergie enorm gereguleerd, en zijn de veiligheidseisen extreem. Die worden opgelegd door overheden, die daar mensen voor moeten aannemen zo gauw het land aan kernenergie begint. Het opleiden van die mensen, het opstellen van de regels en het opbouwen van een vergunningsstelsel duurt een hele tijd. En als eenmaal iedereen gewend is aan bepaalde types centrales en de veiligheidsaspecten daarvan, wordt voortaan liefst alleen nog maar deze “bewezen technologie” geaccepteerd. Een innovatie op nucleair gebied maakt iedere controlerende official uiterst nerveus.
Dus als je als bedrijf miljarden in de MSR ontwikkeling zou willen steken, wordt je initiatief bepaald niet bij voorbaat met open armen ontvangen door de vergunningverleners. Dat is ook zeker niet motiverend voor die bedrijven!

De uranium-thorium HTR reactor

In de praktijk zie je dan ook dat thorium vooral gebruikt wordt in combinatie met andere brandstoffen, óf in bestaande types waterreactoren, óf in de HTR (high temperature reactor). De HTR werkt op wéér een heel ander principe, nl. met kleine hoeveelheden thorium en uranium in grafieten blokken of tennisballen, en met heliumgas als koeling.
De HTR is nog een flink stuk veiliger dan de MSR, maar levert wel enorme hoeveelheden zwak radioactief afval op. Onbruikbaar voor boeven en niet erg gevaarlijk, maar wel duizenden malen meer in volume dan bij andere types. Ook is hij principieel kleinschalig (tot 250MW), terwijl de MSR ook vanuit het principe grootschalig is (ca 2000MW).
De huidige HTR ontwerpen zijn dan ook niet geschikt om een groot aandeel in de energievoorziening in te gaan vullen.
Wel zijn ze erg nuttig om in decentrale toepassing ook de warmte te gebruiken bv voor stadsverwarming (een beetje stad heeft er al gauw vier nodig voor zijn elektriciteitsvoorziening). Of om juist alleen de warmte te gebruiken, zoals Bush er waterstof mee wilde maken voor zijn “Freedom Car” (nooit meer wat van gehoord, gelukkig..), en Canada er teerzanden mee zou kunnen ontwikkelen zonder er 40% van de energie inhoud van de gewonnen olie aan aardgas in te hoeven stoppen voor het uitstoken.

In alle gevallen waarin thorium gebruikt wordt in combinatie met andere splijtstoffen, gaat het voordeel van de veel kortere levensduur van het afval verloren en gaat het alleen nog maar om uraniumvervanging. Het afvalvoordeel wordt alleen bereikt in de MSR.

De politiek en de toekomst van thoriumreactoren

Het overstappen van uranium op thorium heeft veel voordelen, en een opkomst van MSR centrales ligt voor de hand, met thorium als bijna ideale nucleaire brandstof.

Toch wil ik daar een kanttekening bij maken.
De voordelen van thorium op gebied van wereldvoorraden, halfwaardetijd van het afval en veiligheid worden vooral als voordeel gevoeld door hen die grote bezwaren tegen uraniumcentrales hebben. Voorstanders van de huidige kernenergie zien echter geen enkel probleem in de voorraden uranium, zeker niet bij een duurzame splijtstofcyclus met 4e generatie reactoren; zijn ook niet panisch over netjes verwerkt en opgeslagen afval,  en voelen zich veilig genoeg bij de nieuwste types reactoren zoals nu gebouwd gaan worden.
Het is maar de vraag of een groot deel van de tegenstanders van uraniumcentrales zich zullen opwerpen als grote voorstanders van kernenergie zo gauw de centrales op thorium draaien.

Het lijkt er dan ook op dat de voordelen van thorium vooral politieke betekenis hebben: bij thorium kun je op goede gronden argumenten van tegenstanders van kernenergie ontkrachten en daarmee veel gemakkelijker een pro-nucleair beleid verdedigen en geaccepteerd krijgen. Dit zou wel eens tot een politieke thorium hype kunnen leiden, tegen de tijd dat het tot de bevolking doordringt dat de energietransitie op basis van wind en zon hun levensstandaard flink begint aan te tasten.

Voor zover je alleen maar minder afhankelijk van uraniumproducenten wilt zijn kun je ook thorium bijstoken in bestaande types reactoren, waar men in India dus al mee begonnen is. Dit zal eerder de strategie zijn van landen zonder publieke weerstand tegen kernenergie

De mogelijkheid van thorium bijstoken in uraniumcentrales  maakt overigens een einde aan het telkens weer opduikende bezwaar van de anti-kernenergie beweging dat er te weinig uranium zou zijn voor een flink aandeel van nucleair in de energievoorziening.
Ten eerste is het gewoon niet waar, en ten tweede is er altijd voldoende thorium om een eventueel duurder wordend uranium (deels) te vervangen.

De energietransitie

De avond werd gestart met uitgebreide aandacht voor de door velen zo vurig verlangde energietransitie. Die is gebaseerd op de aanname dat fossiele energie binnenkort ongewenst, onbetaalbaar of op is, en we dus over een tijdje omgeschakeld zullen zijn op andere bronnen. Die moeten dan natuurlijk “duurzaam” zijn, en de huidige  kernenergie wordt niet als zodanig gezien.
Als je dan ziet hoe gruwelijk veel fossiele energie vervangen moet worden door “iets anders”, is duidelijk dat dat nooit mogelijk is met het plaatsen van windmolens en zonnepanelen in het tempo waarin dat nu gebeurt.
Wie goed rekent, stelt mijns inziens zelfs vast dat dat überhaupt niet mogelijk is met de nu beschikbare alternatieve bronnen, ondanks de veel gebezigde kreet “het kan want het moet!”.

Er komt dus een plotselinge, revolutionaire, fundamentele ommekeer waarbij de wereld binnen een paar decennia gedecarboniseerd wordt: de energietransitie. Daarvoor is het instorten noodzakelijk van “het oude regiem”, waarmee de gigantische fossiele en nucleaire industrie en infrastructuur van dit moment bedoeld wordt. Voorstanders van de transitie kijken dan ook reikhalzend uit naar tekenen van destabilisatie die op het begin van die instorting zouden kunnen duiden, zien hun gelijk bewezen door Fukushima en de BP ramp in de golf van Mexico, en beginnen te glunderen bij olieprijzen boven de $150 per barrel!

Op de wenselijkheid en het realiteitsgehalte van deze transitie kom ik over een paar weken terug met een stevige blog “De energievoorziening in 2050”.
Vooralsnog vind ik het transitie-denken het best te omschrijven als in de onderstaande cartoon.

De thorium transitie

De grote vraag op deze avond was natuurlijk of thorium een rol kan spelen in die transitie. Op de vele wild-enthousiaste thorium sites wordt het namelijk voorgesteld alsof thorium geen enkel nadeel heeft en dus waar zou kunnen maken wat de bouwer van de eerste werkende thorium test-kweekreactor zei:

“I can still remember the thrill that came with my realization that the breeder meant inexhaustible energy.”
“I became obsessed with the Idea that humankind’s whole future depended on the breeder.”
Alvin Weinberg

Wanneer de corrosieproblemen definitief overwonnen zijn, kun je dat inderdaad zo zien. Nu kun je natuurlijk ook zo aankijken tegen de duurzame uranium splijtstofcyclus die hoort bij de 4e generatie kerncentrales, maar dat ligt politiek-psychologisch toch wat moeilijker..

Maar goed, je zou dus verwachten dat thoriumreactoren met open armen ontvangen worden door de voorstanders van de energietransitie. Eindelijk iets wat qua vermogen aantikt, en grootschalig genoeg kan worden toegepast om een flinke hap uit het overheersende fossiele aandeel in de energievoorziening te nemen.
Maar het enthousiasme was bepaald niet unaniem. Aardig wat aanwezigen waren vooral bang dat “het oude regiem” thorium zou aangrijpen om overeind te blijven en zo de échte transitie tegen te houden. En die echte transitie blijkt dan toch te moeten bestaan uit politiek correcte windmolens, zonnecellen en biobrandstoffen.

De bijeenkomst

Het op het onderwerp afgekomen gezelschap was niet erg groot, ik schat 25 man, maar wel goed ingevoerd en van een brede samenstelling, waarbij alle denkrichtingen vertegenwoordigd waren.
Dit leidde tot een zeer opbouwende discussie, waarbij goed naar elkaar geluisterd werd, en veel zinnige dingen gezegd werden. Weinig bijeenkomsten over controversiële onderwerpen halen een dergelijk niveau, is mijn ervaring.
Dat was zeker mede te danken aan de toon en de aanpak van organisator en dagvoorzitter Harrie te Riele, en de inhoudelijke opzet van de middag.
De Vereniging voor Milieuprofessionals kan hiermee weer een uitermate geslaagde activiteit op haar conto bijschrijven.