Kernenergie en thoriumreactoren deel 2

Enkele weken geleden schreef kernreactorfysicus Wilfred van Rooijen een bijdrage over kern- en thoriumreactoren. Er zijn de laatste tijd nogal wat enthousiaste berichten over het mogelijke gebruik van thorium als brandstof voor een nieuw type reactor. Van Rooijen gaat daar nader op in in dit bericht.

Onzin over thoriumreactoren.

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

Als vervolg op mijn bijdrage over kernenergie in het bericht van 7 juli j.l. wil ik in dit bericht de claims in de vergelijking tussen de conventionele kernreactor en de thoriumreactor nader bekijken. Figuur 1 suggereert dat een conventionele kernreactor (lichtwaterreactor, LWR, zoals de centrale in Borssele) per jaar maar liefst 35 ton kernafval produceert dat miljoenen jaren gevaarlijk blijft, terwijl een thoriumreactor slechts 1 ton afval produceert dat slechts 300 jaar gevaarlijk blijft. Ik heb beide claims doorgerekend.

Figuur 1: claims omtrent het brandstofverbruik van een conventionele lichtwaterreactor (“uranium-fueled LWR plant”) en een LFTR (“Liquid Fluoride Thorium Reactor”, of “Liquid Fuel Thorium Reactor”).
Bron: https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_fluoride_thorium_reactor

De kernreactor (LWR)

De splijtstof in een kernreactor bestaat uit U-235 en Pu-239, tezamen meestal aangeduid als “Heavy Metal”, afgekort “HM”. De energiedichtheid van HM is ruwweg 1 MWd (Megawatt-dag) per gram. Dus een kernreactor met een thermisch vermogen van 3000 MW (conventionele lichtwaterreactor, rendement 33%, electrisch vermogen 1000 MW = 1 GW als in de figuur) gebruikt in 1 dag (1 dag x 3000 MW = 3000 MWd) ongeveer 3000 gram HM. Onder de aanname dat de reactor 300 dagen per jaar in bedrijf is, is het verbruik 900 kg HM per jaar.

Bij de splijting van een atoomkern gaat een verwaarloosbaar kleine hoeveelheid massa verloren en dus is de massa van de radioactieve splijtingsproducten na de kernsplijting gelijk aan de massa vóór de splijting. En dat betekent op zijn beurt dat een kerncentrale met een thermisch vermogen van 3000 MW per dag ongeveer 3000 gram aan HM versplijt en dus 3000 gram (radioactieve) splijtingsproducten per dag produceert. Onder de aanname dat de centrale 300 dagen per jaar in bedrijf is, betekent dat een productie van 900 kg hoogradioactief materiaal per jaar.

Figuur 1  laat echter heel andere getallen zien, namelijk 250 ton natuurlijk uranium, 35 ton uranium als brandstof en 35 ton radioactieve splijtingsproducten. Een dergelijke discrepantie vereist nadere uitleg. De LWR heeft een behoefte van 900 kg splijtbaar materiaal per jaar. Voor een LWR met conventionele brandstof (U-235) betekent dat een behoefte van 900 kg U-235 per jaar. Onder de aanname dat de verrijking van splijtbaar U-235 ongeveer 3.5% is in de verse brandstof, moet men per jaar 25.7 ton “vers” uranium inbrengen (3.5% U-235 en 96.5% U-238). Afhankelijk van de verrijkingstechnologie is daar ongeveer 200 ton natuurlijk uranium voor nodig. Als we dan ook meenemen dat de verse brandstof in oxide-vorm is (UO2), komen we op iets minder dan 29.2 ton UO2 brandstof per jaar. Dat komt in de buurt van de geclaimde 35 ton enriched uranium zoals hiervoor beschreven.

Het komt er dus op neer dat je voor een conventionele LWR centrale met een elektrisch vermogen van 1 GW rond de 30 ton nucleaire brandstof per jaar nodig hebt en dus 200 ton natuurlijk uranium.

De thoriumreactor (LFTR)

De figuur claimt dat men voor de LFTR slechts 1 ton thorium nodig zou hebben, en dat na een jaar bedrijf 1 ton aan “restmateriaal” overblijft. Er zijn geen splijtbare isotopen van thorium in de natuur. De aanname is blijkbaar dat de 1000 kg thorium (Th-232) transmuteert naar U-233, dat op zijn beurt versplijt, zodat uiteindelijk ongeveer 1000 kg hoogradioactieve splijtingsproducten overblijven. Maar kloppen die getallen wel?

De meeste voorstellen voor thoriumreactoren hebben een specifiek vermogen rond de 10 MW/ MTHM (Metric Ton Heavy Metal). Voor een thermisch vermogen van 3000 MW bevat de reactor dus ongeveer 300 ton heavy metal, waarvan ongeveer 90% Th-232 en 10% U-233. Met andere woorden: de LFTR bevat 270 ton thorium en 30 ton U-233. Bij elkaar dus 300 ton, 300x zoveel als in de figuur gesteld wordt. Het kan zijn dat de aanname van 10 MW / MTHM te pessimistisch is, maar zelfs al zou het specifiek vermogen 10 keer hoger zijn (100 MW/MTHM), dan nóg bevat de LFTR 27 ton thorium en 3 ton U-233. Hoe het ook zij, dan is die 1000 kg thorium die volgens de figuur per jaar wordt toegevoerd slechts een fractie van de totale hoeveelheid brandstof die nodig is.

De thoriumreactor bevat enkele tonnen U-233 of ander splijtbaar materiaal om de kernreactie in stand te houden. Dat splijtbare materiaal moet beschikbaar zijn om de reactor in bedrijf te kunnen nemen. Om de reactor op te starten zijn er 2 opties:

1) Het gebruik van speciale kweekreactoren om eerst de benodigde hoeveelheid U-233 te kweken; dat is technisch zeker mogelijk maar het levert tegelijkertijd wel een hoeveel radioactieve splijtingsproducten op.

2) In plaats van 30 ton U-233 eenzelfde hoeveelheid plutonium gebruiken. Dat is technisch zeker mogelijk, en plutonium is zelfs in ruime mate voorhanden.

Figuur 1 claimt “free of plutonium”, dus blijkbaar gaat men uit van optie 1). Dat levert echter wel wat problemen op. Waar moet je bijvoorbeeld het U-233 vandaan halen? Ook is het fysiek niet mogelijk om alle Th-232 om te zetten in U-233. Een deel van het Th-232 zal andere kernreacties ondergaan, waardoor ook andere (langlevende) radioactieve atoomkernen ontstaan, zoals Th-231, Pa-234, U-232, en U-234. Een deel van deze kernen zal overblijven als restproduct en vormt dan een bron van langlevend radioactief afval.

De claim van figuur 1 is dat slechts de splijtingsproducten overblijven. Feit is echter dat de reactorkern van de LFTR tussen de 30 en 300 ton HM bevat – en al dat materiaal moet beschikbaar zijn voordat de reactor in bedrijf komt, en komt vrij zodra de reactor buiten bedrijf wordt gesteld.

Het opwerken van nucleaire brandstof

Van belang is wat men doet men de gebruikte nucleaire brandstof. Als de nucleaire brandstof van een conventionele kerncentrale (LWR) “op” is, bestaat de massa ruwweg uit: 95% U-238, 1% U-235, 1% plutonium en andere “actinide-elementen”, en 3% splijtingsproducten. Als we aannemen dat de LWR voor 1 jaar bedrijf 25,7 ton vers uranium gebruikt, dan resteert er aan het eind van het jaar 24,55 ton uranium, 250 kg plutonium, en 900 kg radioactieve splijtingsproducten.

De radioactiviteit van uranium is verwaarloosbaar, plutonium is de bron van langlevend radioactief materiaal en de halfwaardetijd van de splijtingsproducten is van de ordegrootte van 300 jaar. Een optie is om de gebruikte splijtstof “op te werken” – een chemisch proces, waarbij de splijtstof wordt verdeeld in uranium, plutonium, en splijtingsproducten. Voor de LWR in ons voorbeeld betekent dat de opgewerkte brandstof bestaat uit een “container” met 24,55 ton uranium met verwaarloosbare radioactiviteit; een container met 250 kg  (radioactief) plutonium en een container met 900 kg hoogradioactieve splijtingsproducten met relatief korte halfwaardetijd.

Daarna is er nog een keuze te maken: het opgewerkte uranium bevat een hogere concentratie U-235 dan natuurlijk uranium, dus het uranium kan gebruikt worden in het verrijkingsproces om nieuwe nucleaire brandstof te maken; het plutonium kan hergebruikt worden in de vorm van zogenaamde MOX-brandstof (Mixed Oxide).

Met andere woorden, met opwerken en recyclage van de gebruikte nucleaire brandstof van een conventionele kerncentrale resteren alleen de 900 kg splijtingsproducten die niet hergebruikt kunnen worden. Alleen deze 900 kg kan als “kernafval” worden bestempeld.

Conclusies

Voor LWR reactoren is opwerking van gebruikte brandstof een effectieve aanpak om het volume van het radioactieve afval zo ver als mogelijk te verminderen. Momenteel is de keuze om gebruikte nucleaire brandstof op te werken vooral een politieke kwestie. Als extreme voorbeelden: in de VS is opwerken van nucleaire brandstof uit commerciële kerncentrales bij wet verboden, in Frankrijk en Japan is het opwerken onderdeel van de nationale energiestrategie. Met andere woorden: de hoeveelheid “kernafval” is een politieke keuze, niet een gevolg van technische (of economische) belemmeringen.

Voor de thoriumreactor neemt men blijkbaar aan dat alleen de radioactieve splijtingsproducten uit de brandstof worden verwijderd. Dat is een niet-realistische aanname. Maar het grootste bezwaar tegen figuur 1 is het feit dat de reactortechnologie van de thoriumreactor (nog) niet bestaat. 

LWR technologie bestaat, is te koop op commerciële basis op de vrije markt en is derhalve  gebonden aan (inter-)nationale regelgeving en (politiek gemotiveerde) beleidskeuzes. Reactortechnologie voor een toekomstige thoriumreactor bestaat alleen op papier, is niet te koop en dus niet gebonden aan praktische limieten en regelgeving.

De ontwikkeling van een molten salt reactor met thorium-brandstof, zoals de LFTR, zal nog decennia duren, aannemende dat voldoende financiële middelen beschikbaar zijn. Een mooi vergezicht, maar voorlopig niet meer dan dat. Als het gaat om een betrouwbare bron van goedkope energie, op korte termijn beschikbaar en vrij van uitstoot van CO2, dan is de enige keuze: moderne LWR centrales inclusief opwerken van de gebruikte brandstof. 

N.B.: de doorrekeningen zijn beschikbaar via rob (et) klimaatgek.nl