Daar kan je donder op zeggen

Thor had het wel gehad, met die trollen, Timmer & Tin. Zijn handen jeukten, om als de bliksem orde op zaken te stellen, in deze chaos. Tenslotte was hém gevraagd zijn naam te geven, aan het door een Zweedse chemicus geïdentificeerde metaal. Dat was — op een paar jaar na — twee eeuwen terug ontdekt, door een Noorse amateur-mineraloloog. 

Ze vormden een Scandinavische club van drie, en een korte periode leek hun carrière veelbelovend. Misschien was het dat ook wel, maar het succes was van korte duur. Uranus had hem weggestuurd. Die kende er wat van, om gaten in de lucht te slaan. Dat bellen blazen, en gebakken lucht verkopen, hadden zijn acolieten trouwens van hem overgenomen. Maar nu hoopte de Noor op eerherstel.

Maar wat is nu precies dat fameuze ‘thorium’ waarrond, in energiekringen, momenteel zoveel te doen is? En waarom zou dat in de toekomst het verschil kunnen maken? Dit zijn de centrale vragen in de volgende twee artikels. Ook zoek ik uit waarom er dan zo weinig mee gedaan is, tot nu toe, en, in een derde luik, wat er in de nabije toekomst op stapel staat.

Voor kernenergie gebruikt men, op dit moment, standaard uranium. Dat is historisch zo gegroeid, en momenteel is er nog genoeg van dit metaal aanwezig, om alle actieve reactoren, die nu in gebruik zijn, van brandstof te voorzien. Maar als dat aantal reactoren toeneemt — we schaffen de fossiele brandstoffen af, op het moment dat de vraag naar energie toeneemt — dan komen we ongetwijfeld in een situatie, terecht waarin het aanbod de vraag niet kan bijbenen. Op dit moment, is het waarschijnlijk niet meer te vermijden, dat de prijzen voor materialen en grondstoffen — voor zover nog voorradig, of te mijnen — nog verder gaan plafonneren, en we staan voor een wereldwijde crisis. 

In de zestiger jaren bestond er een piste, waarbij parallel met uranium, ook thorium werd gebruikt om energie op te wekken, en misschien wordt het stilaan hoog tijd, om die zaak te herbekijken. 

Opnieuw is het China, die dit als eerste heeft begrepen en al het verst is gevorderd. Dus ook in dit verhaal, stevenen we geografisch alweer af, op een compleet onevenwicht, én, voor het westen, catastrofe. Wat zit daar achter? Westerse investeerders die hun kapitaal via onze bijdrage versluizen, weg van Europa, naar China, en die slapend rijk worden door een akkoordje met Xi Jinping? Wij failliet, en de grootste groeimarkt in Azië. Je moet geen groot licht zijn in economie om te zien wat dat betekent. Er gebeuren rare dingen.

Jaren kregen we ingelepeld, dat we als land moesten besparen — doorgaans was het probleem een paar miljard euro. Leek al immens veel. Maar nu komt men ineens, met een investeringsplan voor het klimaat, dat € 1 biljoen kost per jaar! (Bron) Duizend miljard euro per jaar! Zelfs het Europees Rekenhof slaat in paniek, en laat duidelijke signalen horen, maar dit wordt niet opgepikt. Selectief doof? Debiel? Of volgens plan?

Wat er ook van zij: we kunnen niet bij de pakken blijven zitten. Het roer moet om. We moeten zo vlug mogelijk van koers veranderen, en kijken wat mogelijke alternatieven zijn. Thorium is misschien een van hen. Het heeft troeven, moet zo snel mogelijk op punt gesteld worden, maar kan, als het aanslaat, in elk geval de behoefte aan uranium aanzienlijk verminderen. En misschien, wie weet , is het dé oplossing, voor het prangend energievraagstuk, wereldwijd. 

— — —

Thorium is een van nature voorkomend, licht radioactief metaal dat in 1828 werd geïsoleerd. Maar het was pas 60 jaar later, dat de radioactieve aard ervan werd ontdekt (Marie Curie). Op onze aarde is massaal veel thorium te vinden, en het is bovendien — in tegenstelling tot de zeldzame materialen — geografisch erg verspreid aanwezig. Momenteel is het niet meer dan een onbruikbaar afvalproduct van mijnbouw naar die ‘zeldzame aardmetalen’. Het is een metaal dat in zand, steen en erts, overal ter wereld, voorkomt.

De meest voorkomende bron van Thorium is monaziet, een aarde-fosfaatmineraal dat tot 12% Thoriumfosfaat bevat. Eigenaardig genoeg wordt de grondstof in de mijnbouw echter niet op zijn waarde geschat. Elk jaar halen we een hoeveelheid thorium boven de grond, waarmee we 40 jaar lang, alle elektriciteit wereldwijd zouden kunnen produceren, maar we doen er niets mee. Hoe zit dat?

Thorium lijkt erg goed op uranium, en heeft de ideale eigenschappen, als grondstof voor een kernreactie. Beide elementen steunen op het natuurkundige principe, dat door het atoom te splitsen — met een soort miniatuur-oerknal — een oneindige bron van energie kan worden aangeboord. Vanuit praktisch perspectief is er heel weinig verschil tussen uranium en thorium, maar de details zitten op het niveau van de kernfysica: daar waar uranium splijt, als het wordt beschoten door een neuron, is dat niet het geval bij thorium. Thorium-232 op zich is namelijk niet direct splijtbaar. Als men er een neutron op afschiet, en het raakt zijn atomen, dan zullen ze dit juist absorberen en overgaan in thorium-233. Op dat moment gebeurt er nog geen kettingreactie.

Na zo’n twintig minuten vervalt het in protactinium-233, dat, na ongeveer een maand, vervalt in uranium-233, en dat is wél heel goed splijtbaar. Eenvoudig geformuleerd: thorium zelf is op zich geen splijtstof, maar is wel een grondstof, van waaruit je de splijtstof in een kerncentrale kan aanmaken. Dat heel dit proces zich voltrekt in meerdere tussenstappen, lijkt in eerste instantie misschien niet zo efficiënt, maar dat is het juist wel. Het blijkt namelijk dat (in vergelijking met het rechtstreeks splijten van uraniumatomen, zoals dat in conventionele reactoren gebeurt) veel meer van het thorium deze omzetting (in uranium en vervolgens splijting) kan ondergaan. Het uranium blijft circuleren in het zout, totdat alles gespleten is, waardoor de productie van radioactief afval zeer gering is. Daar waar men, in een conventionele uraniumreactor, minder dan een halve procent van de beschikbare energie onttrekt, voordat de splijtstof wordt weggegooid, zouden de geavanceerde thorium-splijtstof-reactoren in staat moeten zijn, om 40-50 keer zoveel energie te extraheren. Dat zou betekenen dat ze potentieel veel efficiënter zijn met de brandstof. Wat op zich dan weer betekent dat er veel minder mijnbouw nodig is  en er veel minder nucleair afval ontstaat. (Bron) Dit efficiënter gebruik van de brandstof drukt de lopende kosten, zeker in vergelijking met conventionele uraniumfabrieken, die regelmatig verse brandstof nodig hebben. Je mag ook niet vergeten dat het verrijken van uranium een erg dure en gesofistikeerde aangelegenheid is. Wil je nog meer te weten komen over dit onderwerp? Klik dan hier.

— — — 

De fysica mag dan al een wonder lijken, de energetische eigenschappen zijn helemaal spectaculair. Met thorium lijkt het alsof je iets voor niets krijgt: met een heel klein beetje thorium, kan je enorm veel energie opwekken. Een paar gram thorium in een kilogram zand komt overeen met 10000 liter benzine aan energie-inhoud  Om de totale energiebehoefte van de gemiddelde Nederlander te dekken, heb je gemiddeld per jaar zo’n 2,3 gram thorium nodig. Een reactor die draait op thorium kan honderd maal meer huizen van stroom voorzien, dan de huidige kernreactoren. En ook wat betreft het mijnen van de grondstoffen zijn de berekeningen spectaculair. Om de hele wereld van energie te voorzien voorstaat één grote thorium-mijn. Voor de productie van alle elektriciteit wereldwijd hebben we maar 2500 ton thorium per jaar nodig, terwijl we jaarlijks, met de nu al bestaande mijnbouw, wel 50 keer zoveel thorium uit de grond halen.

Er is ruim voldoende gemakkelijk winbaar thorium, om alle wereldbewoners duizenden jaren van brandschone energie te voorzien. Eén enkele bal thorium-metaal, van het formaat op de foto hieronder, kan je je hele leven voorzien van álle energie die je nodig hebt. Niet alleen elektriciteit, maar ook alles om je eten te koken, je huis te verwarmen, je te verplaatsen, inclusief je deel aan wegen, huizen, ziekenhuizen … En de kosten van zo’n balletje: ongeveer honderd dollar. (Bron)

De mogelijkheden gaan trouwens veel verder dan alleen het leveren van elektriciteit — voor huishoudelijk of industrieel verbruik — en transport. De reactoren kunnen ook industrieën — zoals de chemische industrie of de staalindustrie — voorzien van rechtstreekse warmte.

— — —

Maar hoe werkt nu zo’n thorium-gesmoltenzoutreactor? In wezen verschilt het schema van dit type centrales niet veel, met dit van de klassieke kerncentrales, die we al hebben gezien. In de handel staat deze Molten Salt Breeder Reactor / Gesmolten Zout Kweek Reactor bekend als Liquid Fluoride Thorium Reactor (LFTR). Qua capaciteit gaan ze van 300 MW tot boven de 1000 MW.

Het schema, lijkt op het eerste zicht min of meer op de klassieke kerncentrale (Bron). Het grote verschil zit hem in de reactor. Die is in de jaren ’60 ontworpen door Alvin Weinberg, destijds de leidende kernfysicus van Amerika. Hij was tevens de ontwerper van de lichtwaterreactor (LWR), nu nog de meest gebruikte kernreactor ter wereld.

Bij beide types vindt de gecontroleerde kettingreactie plaats in het reactorvat (1).

De ontwikkelde warmte wordt ook hier geleid naar een stoomgenerator (4), die omwille van de veiligheid in een apart gebouw staat, en een turbine in werking zet waardoor er stroom ontstaat. Herkenbaar, niet?

Maar zoals al gezegd, het reactorvat is totaal verschillend van dat in een standaard kerncentrale. Bij een uranium-kerncentrale, werkt men, onder hoge druk, met vaste staven (brandstofstaven en regelstaven), terwijl je hier een lage-druk reactor hebt, met als brandstof: radioactief uranium, dat bij een hoge temperatuur (450-750 °C) opgelost is, in een vloeibaar zoutmengel (gesmolten fluoride-zouten). Buizen aan weerszijden van het reactorvat brengen de ontwikkelde warmte over naar leidingen, die eveneens gevuld zijn met gesmolten zouten (2). Die zouten worden naar een stoomgenerator gepompt of leveren de warmte aan nabijgelegen industriële processen. Het directe voordeel hiervan is het hogere rendement van de elektriciteitsproductie. Door de uitstekende warmtegeleiding van het gesmolten zout, kan je enorm veel energie uit een relatief klein reactorvat afvoeren, naar de stoomgenerator (4). Hier verhitten de verschroeiende zouten, het water tot stoom, die een turbine laat draaien, om elektriciteit op te wekken. In één uur kan een gesmoltenzoutreactor 500.000 kilowatt produceren, genoeg om 45 Amerikaanse huishoudens een heel jaar van stroom te voorzien. Bron: This is how a molten salt nuclear reactor works | Popular Science

Uit de beschrijving zou u kunnen besluiten dat heel dit systeem niet zoveel verschilt van de standaard reactoren, maar wat betreft veiligheid kunnen we dit ontwerp gerust aanzien als revolutionair. Door het feit dat de reactor bij een veel lagere druk werkt dan standaard kerncentrales, verbetert de veiligheid, en verlagen de kosten. Maar er is nog iets, dat nog ingenieuzer is. Bij vaste staven, die door water worden gekoeld, bestaat het gevaar dat die oververhit worden en smelten, bijvoorbeeld als de koeling door de koelvloeistof in gebreke blijft. Dit hebben we gezien in Fukushima waar het koeling-circuit stilviel, doordat de stroom was uitgevallen, met kernsmelting of meltdown als gevolg. Door het ingenieuze systeem is hier kernsmelting volledig uitgesloten. 

Onder de reactor heeft men namelijk een afvoerbuis voorzien, afgestopt door een zoutprop (gestold zout — zie schema). Op het moment dat de interne temperatuur van de reactor een bepaalde drempel overschrijdt, smelt die smeltzekering, aan de basis van de reactor, waardoor het zout wegvloeit, in veilige ondergrondse koeltanks onder de reactor (5), en stopt de kernsplitsing. Dit gebeurt automatisch, zonder menselijke tussenkomst! Niemand moet daarvoor aanwezig zijn. Louter steunend op natuurwetten en scheikunde vermijdt je op die manier ongevallen. 

Deze procedure werkte in de jaren ’60 zo goed, dat het de standaardmanier was, om de reactor uit te zetten voor een weekend, waarin alle operators afwezig waren. Dit type reactor wordt daarom ook wel ‘walk away safe’ genoemd: zonder operator sluit de reactor zichzelf veilig af.

— — —

Omdat er momenteel een heropleving is, van het geloof in dit systeem, is er ondertussen een hele markt in ontwikkeling, van diverse soorten praktische toepassingen, inclusief drijvende ontwerpen (Thorkon sea based reactor). Ook zijn er kleine modulaire reactoren.

De versies, die zijn ontworpen als onderdeel van een drijvende energiecentrale, worden vervaardigd op een assemblagelijn op een scheepswerf. Ze worden per binnenschip afgeleverd aan elke grote waterweg of kust van de zee of oceaan. Ze moeten worden geleverd als een verzegelde eenheid en mogen nooit ter plaatse worden geopend. Al het reactoronderhoud en de brandstofverwerking gebeurt op een externe locatie. Dit project zit nog in voorontwerp maar bij het Internationaal Atoomagentschap (IAEA) is al een voorstel ingediend om te starten met de bouw ervan in Indonesië. Voor meer info: ThorCon.

Nog meer toekomst lijkt weggelegd voor de kleine, modulaire reactoren (20-300 MW - SMR of Small Modular Reactor) en microreactoren (1-20 MW). Doordat er in een thoriumcentrale niet meer gekoeld wordt met water, is men niet meer gebonden aan een lokatie naast een zee, of grote waterweg, maar kan de gesmoltenzoutreactor overal worden opgesteld. 

China heeft dat begrepen, en plant de bouw van deze reactoren, door het hele land, in de hoop dat dit de vervuiling vermindert, en hernieuwbare energiebronnen toegankelijker maakt, voor degenen die in de dorre streken, en uitgestrekte vlaktes van het land wonen. In plattelandsgebieden met beperkte netdekking, kunnen SMR's worden geïnstalleerd in een bestaand net, waardoor koolstofarme stroom wordt geleverd aan de industrie en de bevolking.

Verschillende prototypes van microreactoren zijn al in ontwikkeling, die gemakkelijk transporteerbaar zijn en, door hun kleine voetafdruk, desgewenst onder de grond kunnen worden gebouwd — wat mogelijkheden biedt in steden. Zo is het stalen reactorvat van het Amerikaanse bedrijf NuScale slechts 20 meter hoog, met een diameter van 2,7 meter.

De SMR van Rolls Royce past achterop een vrachtwagen, en komt terecht in een centrale ter grootte van twee voetbalvelden — zie foto hieronder. Deze kleine centrale zou stroom moeten leveren voor één miljoen huizen. Ter vergelijking: wil je dit doen met zonnepanelen dan kom je aan 11.336 voetbalvelden.

Modulair betekent dan weer dat de onderdelen in een fabriek al deels in elkaar kunnen worden gezet, en in serie kunnen worden geproduceerd. Die prefab-aanpak, met kant-en- klare modules, kan tijd en constructiekosten besparen. Een traditionele kernreactor wordt namelijk ter plekke in elkaar gestoken, op maat van de specifieke locatie. Dat zorgt vaak voor vertraging in de werken en zwaar oplopende kosten. 

Wil je de capaciteit van je centrale verhogen, dan kan je de modulen ook in arrangementen van 4, 6 of 12 modules opstellen.

Omdat deze geminiaturiseerde reactoren zo weinig brandstof nodig hebben, moet mogelijks maar elke 3 tot 7 jaar worden bijgetankt, tegenover elke 1 tot 2 jaar voor conventionele centrales. Sommige centrales zijn ontworpen om tot 30 jaar te werken zonder bij te tanken. (Bron)

Aangezien het prototypes zijn, zijn ze nu nog ontzettend duur, maar verwacht wordt dat de kosten zullen dalen, eens ze in hogere oplage in een fabriek, in serie, kunnen worden gemaakt, en de concurrentie toeneemt. We spreken dan natuurlijk wel van duizenden geplaatste centrales, dus zo vlug zal dat niet gebeuren. Veel hangt natuurlijk af van het aantal landen die in het systeem zullen stappen. Aan de innovatie zal het niet liggen, die staat niet stil, maar het is wachten op politieke keuzes, en dat neemt vaak veel tijd in beslag. Hier en daar moeten regels worden gevolgd. We zijn al soepel voor hernieuwbaar, maar je kan toch niet voor alles de wetgeving negeren, nietwaar?

Onze minister van Energie Tinne Van der Straeten, heeft zich ondertussen al uitgesproken, in het parlement (zomer ’22) en noemde deze SMR’s “een hobby voor miljardairs die zich vervelen” waar alleen “risicokapitaal in geïnvesteerd wordt”. En zij kan het weten, want als er iemand op de hoogte is van risicokapitaal. Kunnen we ze niet inbrengen of laten subsidiëren, Tinne?