Kernenergie en thoriumreactoren

EU commissaris Timmermans  wil én meer biomassacentrales én meer bossen. Hij dient daarmee God en de mammon. Steeds meer mensen zien in dat massaal bossen kappen het tegenoverstelde is van ‘duurzaam’. Biomassa als duurzame energiebron heeft de langste tijd gehad, de burgers keren zich er tegen. Maar wie denkt dat een moderne maatschappij kan functioneren op wind- en zonne-energie heeft niet goed in de gaten hoeveel energie een dergelijke maatschappij nodig heeft.

Reactor aan de Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), Zwitserland
Bron: Wikipedia.

Ik zal de laatste zijn die beweert dat zuinig omgaan met energie en nieuwe technologieën om het gebruik van fossiele brandstoffen terug te dringen niet van belang zijn. Zonnepanelen op je dak leggen is niet zo gek, zeker niet als de overheid meebetaalt. Maar als men denkt dat onze energievoorziening grotendeels kan draaien op wind en zon dan kan dat rustig belachelijk genoemd worden. Nog afgezien van de aanslag die grootschalige wind- en zonneparken op natuur en landschap hebben.

Nu de grenzen van de ‘energietransitie’  langzaam duidelijk beginnen te worden gaan er steeds meer stemmen op om voor de elektriciteitsvoorziening meer kernenergie te gaan gebruiken.  In de verre toekomst gloren zelfs thoriumcentrales als opvolgers van de huidige kerncentrales. Hoe reëel zijn die vergezichten? De jonge kernreactorfysicus Wilfred van Rooijen, werkzaam als prof aan een Japanse universiteit,  wilde daar graag eens aan rekenen. Wat is reëel, waar zitten de valkuilen? Dit is zijn verslag.


De (on)zin van kernenergie en thoriumreactoren.

Prof. Dr. Ir. W.F.G. van Rooijen
Associate Professor kernreactorfysica, University of Fukui, Japan

In discussies over “het klimaat” hoort men soms de verzuchting: “we moeten gewoon meer kerncentrales bouwen, en dan vooral thoriumreactoren!“. Het realiteitsgehalte van dergelijke claims is, om verschillende redenen, twijfelachtig. Omdat men op websites als www.klimaatgek.nl in het algemeen een kritische analyse van allerlei (klimaat-)claims niet uit de weg gaat, wil ik in deze bijdrage een aantal kritische kanttekeningen plaatsen bij de claim dat kernenergie gebaseerd op thorium op korte termijn een mogelijkheid geeft tot een “uitstootvrije” energievoorziening.

Kernenergie, kweekreactoren en de thoriumcyclus.

Een kernreactor is een machine die energie produceert uit de splijting van atoomkernen door bestraling met neutronen. Bij iedere splijting komen neutronen vrij, die op hun beurt ook weer splijtingen kunnen veroorzaken. Het is dan mogelijk een stabiele kernsplijtingskettingreactie op te wekken om op die manier energie te leveren voor, bijvoorbeeld, een elektriciteitscentrale. Het grote voordeel van kernenergie is de enorme energiedichtheid: met de energie van 1 gram splijtbaar uranium kan een middenklasse auto 28.000 tot 35.000 km afleggen [1] – en in die afstand produceert de auto dan 1 gram “kernafval”. De combinatie van uitbundige hoeveelheden energie tegen een minimum van afval maakt kernenergie veruit de meest milieuvriendelijke en klimaat neutrale energiebron die momenteel op de markt beschikbaar is.

Natuurlijk uranium bevat 0.7% van het splijtbare isotoop U-235; voor gebruik in een kerncentrale zoals de centrale in Borssele wordt dat percentage via verrijking verhoogd tot ongeveer 4% – 5%. De rest van de nucleaire brandstof in een kerncentrale is U-238 (95% – 96%). Tijdens het bedrijf van de reactor transmuteert een deel van het (niet splijtbare) U-238 naar het splijtbare isotoop Pu-239, dat op zijn beurt splijting ondergaat. In een reactor als Borssele komt uiteindelijk ongeveer een derde van de energie vrij door splijtingen van Pu-239.

Een conventionele kernreactor produceert ongeveer één atoomkern Pu-239 voor iedere drie splijtingen van U-235. Op die manier is het dus mogelijk ongeveer (1 + 0.333) * 0.7% = 0.94% van het natuurlijk uranium te gebruiken. Met andere woorden: 99% van het natuurlijk uranium is niet bruikbaar als energiebron indien men gebruik maakt van lichtwaterreactoren (Borssele). Vanaf het begin van de ontwikkeling van de vreedzame toepassing van kernenergie doet men daarom naarstig onderzoek naar zogenaamde “kweekreactoren” [2], speciale kernreactoren waarin voor iedere splijting van een splijtbaar isotoop (U-235, Pu-239) minstens één nieuwe Pu-239 atoomkern wordt gevormd. Indien dergelijke technologie zou werken, is het dus mogelijk om niet slechts 1%, maar bijna 100% van het uranium te gebruiken om energie te produceren – een uiterst efficiënt gebruik van de natuurlijk grondstof uranium. Deze nucleaire brandstofcyclus wordt de “uranium-plutonium-cyclus” genoemd vanwege de transmutatie van U-238 naar Pu-239.

Bron: De Ingenieur

Als alternatief is het mogelijk om thorium te gebruiken als “kweekstof” in een kernreactor. Natuurlijk thorium bestaat voor 100% uit het niet-splijtbare isotoop Th-232. Echter, bij bestraling met neutronen transmuteert Th-232 naar splijtbaar U-233. Met andere woorden, als het mogelijk is om voor iedere splijting van een splijtbaar isotoop minstens één atoomkern U-233 te produceren, dan is het dus mogelijk om een “thoriumkweekreactor” te bouwen. De mogelijkheid van deze zogenaamde “thorium-uraniumcyclus” is al zeker 60 jaar bekend, en wordt om twee redenen al 60 jaar lang gepropageerd als de ultieme vorm van kernenergie:

        1. de reserves van thorium zijn groter dan van uranium
        2. de thoriumcyclus produceert veel minder plutonium dan de uranium-plutonium cyclus

Het tweede punt verdient wat nadere toelichting: in het (inter-)nationale maatschappelijke debat over kernenergie wordt plutonium over het algemeen niet gezien als een nuttige nucleaire brandstof, maar als een mogelijk ingrediënt voor kernwapens (het zogenaamde “proliferatierisico”) en als de bron van langlevend nucleair afval (“kernafval”). Hierbij moet worden opgemerkt dat een lichtwaterreactor niet geschikt is voor de productie van kernwapenmateriaal, maar dat diefstal van plutonium in alle gevallen vermeden dient te worden. Een nucleaire brandstofcyclus zonder plutonium wordt dus gezien als  optimaal: wel kernenergie, geen proliferatierisico, en geen langlevend kernafval [3].

De reactievergelijkingen van de kweekreacties zijn gegeven in Fig. 1. In Fig. 2 is een overzicht gegeven van het voorkomen van alle scheikundige elementen op aarde. Om een idee te geven: in 2018 bedroeg de economisch winbare reserve van uranium 7,988,000 ton en de jaarproductie was 53,498 ton, dus bij huidig productieniveau is er een voorraad van zo’n 150 jaar uranium [4].

Fig. 1: De nucleaire reactievergelijkingen voor de thorium-cyclus en de plutonium-cyclus.

Fig. 2: voorkomen van de scheikundige elementen in de aardkorst. Helemaal rechts uranium en thorium. De hoeveelheid uranium is groter dan bijvoorbeeld de hoeveelheid zilver, en de hoeveelheid thorium is ongeveer vijf keer zo groot als de hoeveelheid uranium.
Bron: Wikipedia

De praktijk van kernenergie in 2020 is echter weerbarstiger: in de bijna 75-jarige geschiedenis van kernenergie is er een klein aantal experimentele reactoren gebouwd gebaseerd op de thorium-cyclus, met als hoogtepunt het prototype THTR-300 (Thorium Hoch-Temperatur-Reaktor, zie Fig. 3) in Duitsland. Dit prototype is vanwege technische en financiële tegenvallers en politieke tegenwind in 1989 stilgelegd. Sindsdien kan de thoriumcyclus rekenen op blijvende warme aandacht vanuit de academische hoek, maar er is (nog) geen commerciële toepassing.

Fig. 3: THTR.
Bron:  Wikipedia

De probleempunten van de thoriumcyclus.

In deze bijdrage wil ik vooral aandacht besteden aan de praktische (technologische) problemen rond de invoering van de thoriumcyclus. Een drietal punten:

Ten eerste: zoals gezegd bevat thorium van zichzelf geen splijtbare isotopen. Om de thoriumcyclus te starten is het dus noodzakelijk om een eerste generatie van kernreactoren te bedrijven met thoriumbrandstof, waarbij dan een “extern” splijtbaar isotoop wordt toegevoegd. De meest voor de hand liggende combinatie is brandstof gebaseerd op Th-232 en U-235. Echter, een dergelijke combinatie betekent dat eerst het U-235 moet worden verrijkt tot bijna 100%. Internationale regelgeving op het gebied van vreedzame toepassingen van kernenergie laat verrijking tot maximaal 20% toe. Een nucleaire brandstof die past binnen de regelgeving bevat dus minimaal 4 atomen U-238 voor elk atoom U-235; er blijft dan nog maar een heel kleine marge over om thorium toe te voegen, met als gevolg dat de productie van het gewenste U-233 slechts mondjesmaat plaatsvindt. De combinatie van Th-232 en U-235 is veruit de beste om de thoriumcyclus te starten, maar niet mogelijk binnen bestaande regelgeving.

Een alternatieve oplossing kan zijn om thorium te mengen met plutonium, gewonnen uit opgewerkt kernafval. Technologie voor het opwerken van gebruikte splijtstof op industriële schaal bestaat, dus hoewel de toepassing van plutonium in de thoriumcyclus wellicht ongewenst is, lijkt de combinatie thorium-plutonium de snelste optie om de thoriumcyclus te starten. De realiteit is echter lastiger: er is geen enkele ervaring met thorium-plutonium brandstof en het zal de nodige tijd en investeringen vergen om een dergelijke nucleaire brandstof te ontwikkelen. Bij wetenschappelijk onderzoek in EU-verband gaat men er tot nu toe van uit dat er een “voorraad” van U-233 is om de thoriumcyclus te starten, of men neemt aan dat thorium-plutonium brandstof beschikbaar is, maar let wel: dit zijn aannames (!).

Ten tweede: uit onderzoek van o.a. de TU Delft is komen vast te staan dat het niet mogelijk is om de thoriumcyclus te implementeren met traditionele reactoren met traditionele nucleaire brandstof. In plaats daarvan vereist de thoriumcyclus zogenaamde “gesmolten zout reactoren”; dit zijn kernreactoren gebaseerd op nucleaire brandstof bij hoge temperatuur in een vloeibare vorm (Fig. 4). Doordat de nucleaire brandstof een vloeistof is, is het opwerken een stuk eenvoudiger; bovendien kan in een dergelijke reactor geen kernsmeltongeval (Fukushima) plaatsvinden. Maar ook hier geldt: gesmolten zout reactoren bestaan al decennia op papier, in academische kringen gebeurt er veel en gedetailleerd onderzoek naar dit type kernreactor, o.a. bij de TU Delft, en er is tegenwoordig zelfs een aantal heuse “start-ups” omtrent dit type kernreactor, maar desalniettemin is het niet te verwachten dat binnen afzienbare tijd een prototype van een dergelijke reactor gerealiseerd zal worden.

Fig. 4: Fluoride-zout (LiF – BeF2) bij hoge temperatuur in de vloeibare fase.
Bron: Wikipedia

Een derde probleem is de regelgeving op het gebied van kernenergie; die regelgeving is anno 2020, mede onder invloed van de milieubeweging en de anti-kernenergielobby, veel strenger dan onderzoekers en beleidsmakers in de jaren ‘70 het ooit voor mogelijk hadden gehouden. Het gevolg is dat technologische vernieuwing op het gebied van commerciële kernenergie vrijwel tot stilstand is gekomen; iedere aanpassing of verbetering van een (onderdeel van een) kernreactor vereist een jarenlang (en kostbaar!) traject van certificering door allerlei regelgevende instanties. Het vergunningstraject voor toepassing van een nieuw type reactor (gesmolten zout reactor) en een nieuwe (onbewezen) vorm van nucleaire brandstof (thorium) zal de nodige tijd in beslag nemen [5].

De conclusie is dus als volgt: de thoriumcyclus is theoretisch aantrekkelijk, er is een grote interesse vanuit academische hoek, maar in de praktijk is geen van de noodzakelijke technologieën (kweekreactor, afscheidingstechnologie, thoriumbrandstof, gesmolten zout reactor) op dit moment beschikbaar. Invoering van de thoriumcyclus op commerciële schaal vereist nog veel onderzoek en ontwikkeling, en zal dus zelfs bij voldoende financiën een proces van jaren, en waarschijnlijk decennia, zijn.

De situatie rond kernenergie in 2020 en de mogelijke rol van kernenergie in de   energievoorziening

Hoezeer het me ook spijt het te moeten zeggen, anno 2020 is de situatie rond kernenergie een stuk minder rooskleurig dan voorstanders willen doen geloven. Er is wereldwijd nog maar een klein aantal fabrikanten van kerncentrales. Er komt jaarlijks nog maar een handjevol nieuwe reactoren in bedrijf – het overgrote deel daarvan in Rusland en China. De energiescenario’s van IAEA tot 2050 voor West-Europa laten een afname zien van de hoeveelheid elektriciteit uit kernenergie van 35% tot 60% [6]. In het specifieke geval van Nederland vormde kernenergie in 2018 een verwaarloosbare 1.3% van de totale primaire energievoorziening (Fig. 5). Ondanks decennia van onderzoek en ontwikkeling in (inter-)nationale onderzoeksprogramma’s is naast de traditionele technologie van lichtwaterreactoren geen van de “geavanceerde” kernreactorconcepten tot commerciële wasdom gekomen.

Fig. 5:
(a) Totale primaire energievoorziening in Nederland (1990 – 2018). Kernenergie vormt een verwaarloosbare fractie van 1.3%.
Data: IEA
(b) Totale primaire energievoorziening mondiaal 1981 – 2019.
Data: BP

Toegespitst op de situatie in Nederland werd kernenergie vanaf de jaren ‘50 gepropageerd als de energiebron van de toekomst, met een centrale rol voor de (nationale) overheid, banken (financiers) en industriële partners. Uiteindelijk leidde deze aanpak tot een maatschappelijke aversie tegen kernenergie – een vergelijkbaar proces is momenteel zichtbaar met de discussie rond biomassa, de zonne-akkers, en de subsidies voor “groene” energiebronnen. Het propageren van kernenergie als nationaal beleid zal in Nederland dus waarschijnlijk niet leiden tot grootscheepse toepassing van kernenergie.

De Nederlandse situatie rondom kernenergie anno 2020 is precair te noemen: de onderzoeksreactor in Petten zal (hoogstwaarschijnlijk) in 2022 sluiten, de centrale in Borssele zal in 2033 sluiten, en het is nog maar de vraag of de leerstoel kernreactorkunde aan de TU Delft behouden kan blijven. Zo niet, dan is dat het einde van kernenergie als academische discipline in Nederland (en dus ook het einde van kernenergie als reële optie voor de energievoorziening in Nederland). De kenniscentra op het gebied van kernenergie in Nederland (TU Delft en NRG in Petten) werken in internationaal (EU-)verband hard aan geavanceerde reactorconcepten, maar door een gebrek aan financiering, praktische kennis en industriële infrastructuur zijn en blijven het papieren studies. Kort gezegd: Nederland heeft niet (langer) de academische, educatieve, industriële en wetgevende infrastructuur, noch de pure wil, om zelfs maar een kleine onderzoeksreactor te bouwen, zelfs al zou de financiering beschikbaar zijn.

Anno 2020 is het Nederlandse energiebeleid dermate gepolitiseerd dat wetenschappelijke en technische expertise volkomen ondergeschikt is gemaakt aan de dogmatische “visie” van allerlei politieke en maatschappelijke organisaties, hetgeen leidt tot (ernstig) sub-optimale uitkomsten en een wildgroei van allerlei fantasten met slechte ideeën – bijvoorbeeld mensen die claimen dat kernreactoren met thoriumbrandstof de panacee voor alle energieperikelen zouden zijn. In de praktijk is het allemaal niet zo simpel.

In Nederland is het noodzakelijk om de energiesector te rationaliseren. Het is tijd dat men beseft dat een moderne, hoogtechnologische samenleving niet kan overleven op een combinatie van zonlicht, een stevige bries en gemalen koeienpoep. De belangrijke rol van kernenergie op korte en lange termijn zal dan onmiddellijk duidelijk worden. Als onderdeel van die rationalisatie moeten ook private investeerders (pensioenfondsen, etc.) hun verantwoordelijkheid nemen en (weer) meer investeren in kernenergie. Als private investeerders zich net zo enthousiast op kernenergie zouden storten als op allerlei (onzinnige) projecten rondom “renewables” en “sustainability” was de wereld in 2020 een stuk verder gekomen in de reductie van de uitstoot van CO2 [7].

Voor de verdere ontwikkeling van (geavanceerde) kernenergie zie ik twee basisvoorwaarden: de eerste voorwaarde is dat de overheid moet stoppen met het verstoren van de energiemarkt. Doordat “groene” energie via subsidies kunstmatig goedkoop wordt gehouden is er momenteel geen enkele prikkel voor fabrikanten voor innovaties rondom (kern)energie. De tweede voorwaarde is dat de discussie rondom kernenergie genormaliseerd moet worden. De huidige discussie wordt gedomineerd door hysterische (en ongefundeerde) claims omtrent (on)veiligheid en “kernafval”, en het resultaat is een volstrekt irrationeel veiligheidsregime, torenhoge kosten en een situatie waarin geen enkele marktpartij het risico wil of kan nemen voor het testen van mogelijk baanbrekende kernenergietechnologie.

Conventionele kernenergie (lichtwaterreactor) is de enige grootschalige, betrouwbare, kosteneffectieve energietechnologie met minimale impact op het milieu en klimaat, die op dit moment beschikbaar is op de vrije markt. Geavanceerde kernenergie is de enige langetermijn oplossing voor de energievoorziening waar dan ook ter wereld, en als zodanig verdient kernenergie een centrale rol in het debat rond de energievoorziening.

Voetnoten

[1] Aannamen: verbrandingswarmte van benzine 34.2 MJ/liter, en een gemiddeld benzineverbruik tussen 1:12 en 1:15.

[2] Lezers van boven de 40 herinneren zich wellicht de discussie rond de “snelle kweekreactor Kalkar”. Dit betrof een experimentele kweekreactor (SNR-300), gebouwd in Kalkar in Duitsland, over de grens bij Nijmegen. De bouw van de reactor ondervond veel vertraging, niet in het minst door constante aanpassingen van de West-Duitse regelgeving rondom kernenergie, en hoewel de reactor in 1985 klaar was voor gebruik, weigerde de deelstaat Noordrijn-Westfalen om de noodzakelijke vergunningen voor gebruik af te geven; uiteindelijk werd het hele project in 1991 gestopt. De reactor in Kalkar is tegenwoordig een pretpark, “Wunderland Kalkar”.

[3] Let wel: “wordt gezien als optimaal”: we zullen er in deze bijdrage verder niet op ingaan, maar wat betreft proliferatierisico en het probleem van kernafval scoort de thoriumcyclus maar nauwelijks beter dan de plutoniumcyclus. Het opwerkingsproces voor de plutonium-cyclus is ontwikkeld als onderdeel van het Manhattan project, het onderzoeksproject in de VS tijdens de Tweede Wereldoorlog dat leidde tot de ontwikkeling van kernwapens. Omdat de technologie van de uranium-plutonium cyclus al bestond was het dus de meest voor de hand liggende optie voor de grootschalige toepassing van kweekreactoren voor vreedzame kernenergie. Voor thoriumbrandstof kan men vergelijkbare processen ontwerpen, maar geen van deze processen is ooit op industriële schaal gerealiseerd.

[4] https://www.world-nuclear.org/our-association/publications/key-facts.aspx

Data omtrent uranium-reserves van OECD/NEA, IEA, en IAEA.

[5] Toegespitst op de situatie in Nederland: de laatste keer dat in Nederland een vergunningstraject voor een kerncentrale daadwerkelijk leidde tot de afgifte van een gebruiksvergunning was 47 jaar geleden, voor de kerncentrale in Borssele. Anno 2020 is er in Nederland onvoldoende kennis en kunde aanwezig om een vergunningstraject voor een kerncentrale succesvol af te ronden.

[6] https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/19-00521_web.pdf

[7] https://environmentalprogress.org/big-news/2018/9/11/california-and-germany-decarbonization-with-alternative-energy-investments