De grondstof thorium komt steeds meer in het vizier als groene vervanger van uranium.
Thorium wordt door voorstanders aangekondigd als 'grootste energiedoorbraak sinds het vuur'. Thorium is wel geen kersverse ontdekking: al sinds de jaren zestig worden experimenten gedaan met het metaal.
‘Kernenergie? Nee, bedankt.’ Buttons en stickers met deze tekst prijkten in de jaren zeventig en tachtig op schooltassen en jassen van linkse scholieren en studenten. Kerncentrales waren taboe, vooral na de meltdowns van Three Miles Island (Harrisburg) in 1979, Tsjernobyl in 1986 en Fukushima in 2011. Om rampen te voorkomen moesten alle kerncentrales worden gesloten. De regeringen in Nederland en België stonden onder druk en beslisten inderdaad tot afbouw. Maar toen kwam de opwarming van de aarde door broeikasgassen op de politieke agenda. Kernenergie levert geen CO2 en wint het daarom van bijvoorbeeld kolengestookte centrales. Dat verklaart de hernieuwde aandacht. ‘Kernenergie? Ja, graag’, zou wel eens de nieuwe slogan kunnen worden.
Maar nieuwe kerncentrales op basis van uranium hebben toch flink wat nadelen. Denk aan het radioactief afval, in de vorm van plutonium, dat tienduizenden jaren veilig opgeslagen moet worden in betonnen bunkers. Ander groot probleem: uit het bijproduct van atoomenergie kunnen kernwapens gemaakt worden. Dat is de reden waarom het westen zo zenuwachtig wordt van de nucleaire programma’s van Noord-Korea en Iran.
God van de donder
Al deze risico’s zijn te vermijden door geen uranium te gebruiken maar thorium. Dat zilverwit metaal is in 1828 ontdekt door de Zweed Jons Berzelius. Hij noemde het element naar Thor, de Noorse god van de donder. In het periodiek systeem staat het in de onderste rij naast andere radioactieve stoffen als uranium en plutonium, bekend onder de chemische verzamelnaam actiniden of aardmetalen. Thorium is licht radioactief en heeft een hoge halveringstijd. Je kunt probleemloos een klomp van het spul in je broekzak stoppen.
Actiniden hebben een extreem hoge dichtheid, omdat hun kernen vele neutronen en protonen bevatten. Het bizarre gedrag van deze kernen is een groot wonder. Met intervallen van milliseconden tot honderden jaren veranderen die kernen en vervallen ze tot stabielere elementen. Als je genoeg van deze atomen bij elkaar stopt, veranderen de kernen in een krachtige energiebom. Het lijkt op een potje biljarten in 3D. De kern van het atoom vormt een groep ballen in het midden. Schiet de witte bal, een neutron, en de andere ballen vliegen alle kanten op. Datzelfde gebeurt met triljoenen kernclusters. Ballen getroffen door de eerste botsing knallen tegen dichtbijgelegen clusters, die zich weer verspreiden, enzovoort. Voilà: een nucleaire kettingreactie.
Bij ongecontroleerde botsingen breekt de hel los en krijg je een kernexplosie. Maar onder gecontroleerde omstandigheden, zoals in een kernreactor, ontstaat bruikbare energie. Kernclusters botsen tegen elkaar en creëren hitte. Als je hierlangs water laat passeren, ontstaat stoom die een turbine laat draaien en op die manier krijg je elektriciteit. Een kernreactor is te zien als een enorme waterkoker, waarbij stoom ontstaat die een generator aandrijft.
In alle bestaande commerciële reactoren wordt uranium gebruikt als ‘starter’, dat eerst verrijkt moet worden. Thorium heeft dat probleem niet, én het laat ook geen gevaarlijk kernafval achter. Carlos Rubbia, Nobelprijswinnaar en oud-directeur van de deeltjesversneller CERN in Génève, berekende dat een thoriumcentrale drie keer goedkoper is dan een kolengestookte centrale en vijf keer zo goedkoop als een centrale op aardgas. Daar komt bij dat uranium eindig is terwijl thorium overal in de wereld overvloedig aanwezig is in zand, rotsen en stenen (zie tabel). In totaal 4,4 miljoen ton. Maar niet alles is tegen schappelijke prijs te winnen. Van commercieel winbaar thorium, tegen 80 dollar per kilo, is er zo’n 2,6 miljoen ton. De belangrijkste thoriumbronnen zijn de mineralen thoriet, thorianiet en monaziet. De helft hiervan bevindt zich in India. Ook de Verenigde Staten, Australie en Turkije bezitten aanzienlijke voorraden in hun ondergrond. Eén gram thorium levert evenveel energie op als bij verbranding van 2500 liter benzine vrijkomt. Er is voldoende thorium om voor tienduizenden jaren in het mondiale elektriciteitsverbruik te voorzien, aldus Jan Leen Kloosterman, hoogleraar kernenergie aan de TU Delft.
Koude Oorlog
Toch werd in de jaren 1950 niet massaal gekozen voor thoriumcentrales. Reden: de Koude Oorlog tussen de VS en Rusland. Washington koos bewust voor uranium, omdat het plutonium dat op die manier geproduceerd wordt, gebruikt kon worden voor de ontwikkeling van kernwapens. De kernwapenindustrie blokkeerde de verdere ontwikkeling van thoriumcentrales.
De conventionele kerncentrales kregen een extra prikkel toen de Arabieren in 1973 de oliekraan dreigden dicht te draaien. Het Westen dreigde zonder olie te vallen. In Nederland en België resulteerde dat in een ludieke actie: de autoloze zondag. Maar in de VS was dat het startschot voor de bouw van liefst 41 nieuwe kernreactoren.
Wereldwijd zijn er 1 januari 2019 450 kernreactoren operationeel ( Samen produceren ze een tiende van alle elektriciteit. De VS spant de kroon met 98 reactoren, Frankrijk is in Europa koploper met 58. Het land haalt driekwart van zijn energie uit kernsplitsing.Duitsland besloot na de ramp in Fukushima alle 17 kernreactoren te sluiten, uiterlijk in 2022. Wereldwijd zijn er 57 kerncentrales in aanbouw Voor nog eens 337 bestaan vergevorderde plannen. De ontwikkeling lijkt niet te stuiten (gegevens Nuclear Energy Institute).
Er is wereldwijd een lobby actief om de nieuwe centrales te laten draaien op thorium. Aanjager sinds 2000 is Kirk Sorensen, destijds een jonge ingenieur bij de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA en nu werkzaam bij Teledyne Brown Engineering in Huntsville, Alabama waar hij nieuwe energiesystemen ontwikkelt.
Hij is ervan overtuigd dat thorium dé oplossing is voor het energieprobleem en bestiert de blog Energy From Thorium. Een gezelschap van technisch ingenieurs, kerngeleerden en onderzoekers discussieert met elkaar op het forum van deze site. De blog is een open platform geworden om lang verloren energietechnologie een nieuw leven in te blazen met behulp van nieuwe technieken.
Het idee van kernenergie zonder langlevend radioactief afval, geen kans op ontploffing en zonder restmateriaal om atoomwapens van te maken, krijgt steeds meer bijval in de politiek. De dreiging van het rode gevaar is immers geweken, de Koude Oorlog ligt twintig jaar achter ons. De wapenwedloop is ten einde en de kernwapenindustrie ligt op zijn gat. In vele landen wordt weer onderzoek gedaan naar thoriumcentrales, zoals Rusland, de VS, Duitsland, Groot-Brittannië, en ook in Japan en China. Er zijn wereldwijd serieuze plannen voor de bouw van volledige thoriumcentrales. Verst gevorderd zijn India en China. . In India wordt op dit moment gebouwd aan een prototype in Kalpakkam in de provincie Madras met een capaciteit van 500 MW. Ook China investeert in een prototype in Sjanghai.
Hoe werkt het?
Al in de jaren 1950 werd de thoriumreactor bedacht door Alvin Radkowsky, hoofd van het nucleaire programma van de Amerikaanse marine. In 1958 beschreef Alvin Weinberg van het Oak Ridge National Lab, dat onder gezag staat van het Amerikaanse ministerie van Energie, verschillende typen thoriumreactoren. Een bestaande uraniumreactor is vrij eenvoudig om te bouwen tot een tussenvorm van een thoriumreactor. Het is te vergelijken met de overstap van benzine mét naar benzine zonder lood.
Meest gangbaar is de gesmolten zoutreactor. Daarbij wordt thorium in de vorm van een fluoride of zout in de reactor gebracht. Het zout is vloeibaar bij hoge temperatuur en vast op kamertemperatuur. De reactie wordt op gang gebracht door thorium een neutron te laten absorberen, door een kleine hoeveelheid uranium-233 te gebruiken. De Th-232 wordt Th-233, wat snel vervalt in protactinium-233. Na verloop van tijd vervalt dit in uranium-233. Dit U-233-zout wordt chemisch uit de soep gefilterd en door een pijp in het midden van het vat gepompt. Hier vindt de splitsing plaats en komt de grootste hoeveelheid energie vrij. Omdat het zout stolt bij lagere temperaturen is het beveiligen van de reactor relatief simpel. Het vat staat in contact met een passief gekoeld vat in de kelder. Een deel van de leiding naar deze dumptank is actief gekoeld. Het zout is in de leiding gestold en kan dus niet wegstromen. Als de elektriciteit uitvalt, valt ook de koeler van deze leiding uit. Het goedje smelt langzaam en de soep loopt leeg in de dumptank. Daar koelt ze af en stolt weer. In vaste vorm neemt de neutronabsorptie sterk af en daarmee stopt de kettingreactie.
Nog veel onderzoek nodig
Toch duurt het echter nog enkele decennia eer er daadwerkelijk commercieel draaiende thoriumreactoren zullen zijn. De meest optimistische verwachting is 2050. Het ontbreekt volgens professor Kloosterman met name nog aan kennis over het gedrag van het zout dat met temperaturen van 700 a 800 graden C door het systeem loopt en de interactie tussen het zout en de materialen van de reactor. Onderzoek behelst onder meer de chemie om het zout te zuiveren en de zoutsamenstelling te controleren. Nieuwe materialen die onder hoge temperatuur en in een intens stralingsveld de agressieve fluoridezouten kunnen weerstaan. En geavanceerde veiligheidsanalyses van een systeem waarbij koelmiddel en splijtstof samen één medium vormt dat vrij moet kunnen uitzetten en stromen.
Die opgave vraagt vele miljarden aan onderzoeksgelden en, mits dat budget er is en nu ontbreekt, nog tientallen jaren studie. Daarom is het wellicht verstandiger om in te zetten op andere CO2 neutrale alternatieven die nu al hun diensten ruimschoots bewijzen, zoals wind- en zonne energie.
