Thorium als nucleaire brandstof: de voordelen en nadelen

Met alleen windenergie en zonne-energie gaan we de klimaatdoelstellingen niet halen. Nieuwe mogelijkheden als het gebruik van kernfusie zijn nog niet binnen ons bereik. Kernsplijting is momenteel de enige relatief groene, betrouwbare en schaalbare oplossing voor dit probleem. Traditioneel wekken we de kernenergie op met uranium, maar thorium zou ook een sterke kandidaat zijn.

Lees ook: Kernfusie als antwoord op de klimaatcrisis

Hoe werkt thorium als bron voor kernenergie?

Thorium is een basiselement van de natuur, net als ijzer en uranium. Net als uranium kan het door zijn eigenschappen worden gebruikt als brandstof voor een nucleaire kettingreactie die een elektriciteitscentrale kan laten draaien en onder andere elektriciteit kan opwekken.

Thorium zelf splitst niet en geeft geen energie af. Wanneer het aan neutronen wordt blootgesteld, ondergaat het een reeks kernreacties tot het uiteindelijk ontstaat als een isotoop van uranium, U-233 genaamd, dat gemakkelijk zal splitsen en energie zal vrijgeven wanneer het de volgende keer een neutron absorbeert. Thorium wordt daarom vruchtbaar genoemd, terwijl U-233 splijtbaar wordt genoemd.

Reactoren die thorium gebruiken, werken volgens de Thorium-Uranium-(Th-U-)splijtstofcyclus. De overgrote meerderheid van de bestaande of voorgestelde kernreactoren gebruikt echter verrijkt uranium (U-235) of herbewerkt plutonium (Pu-239) als brandstof. Slechts een handvol heeft thorium gebruikt. In de huidige ontwerpen kan in theorie ook thorium worden gebruikt.

De opkomende kernreactor-mogendheden China en India hebben beide aanzienlijke reserves van thoriumhoudende mineralen en niet zo veel uranium. De verwachting is daarom dat deze energiebron in de niet al te verre toekomst een grote rol gaat spelen.

De Thorium-Uranium(Th-U-)cyclus heeft een aantal intrigerende mogelijkheden ten opzichte van de traditionele Uranium-Plutonium(U-Pu)-cyclus. Natuurlijk heeft deze cyclus ook zijn eigen nadelen.

Voordelen van thorium als brandstof

Als belangrijk voordeel van thorium als kernbrandstof wordt vaak de grotere voorraad thorium genoemd. Dit klopt niet: in de aardkorst zit inderdaad meer thorium dan uranium, een concentratie van 0,0006% tegenover 0,00018% uranium (3,3x). Als je echter kijkt naar de economisch makkelijk te winnen reserves van thorium en uranium zie je dat ze beide vrijwel identiek zijn. Er is daarnaast veel meer uranium opgelost in zeewater dan thorium (86.000x).

Dit voordeel is voor de discussie ook irrelevant omdat zowel de Th-U- als de U-Pu-brandstofcyclus ons meer dan tienduizenden jaren energie kunnen bieden. Maar welke voordelen heeft thorium dan wel?

Je kan er moeilijk kernwapens van maken

Plutonium kan relatief makkelijk in kernwapens worden verwerkt. Dat is veel moeilijker met thorium. De bezorgdheid over het stelen van gebruikte splijtstof om bommen of wapens te maken wordt daarom grotendeels weggenomen door thoriumcentrales.

Het kernafval is op lange termijn minder toxisch

De Th-U splijtstofcyclus bestraalt geen Uranium-238 en produceert dus geen transurane (groter-dan-uranium) atomen zoals Plutonium, Americium, Curium. Deze transuranen vormen het grootste gezondheidsrisico van kernafval op lange termijn. Het Th-U-afval zal minder toxisch zijn over een tijdsspanne van 10.000+ jaar.

Thermische kweekcapaciteit

Thoriumcycli maken uitsluitend thermische kweekreactoren mogelijk. In dit type reactor komen meer neutronen vrij per neutron dat in de brandstof wordt geabsorbeerd.

Een bijzonder coole mogelijkheid die geschikt is voor de thermische kweekcapaciteit van de Th-U-splijtstofcyclus is de gesmolten-zoutreactor (MSR), of de Liquid Fluoride Thorium Reactors (LFTR). In deze reactoren wordt de splijtstof niet in pellets gegoten, maar opgelost in een vat met vloeibaar zout.

Het onderzoek naar deze mogelijkheden is nog volop bezig, maar deze reactoren zouden extreem veilig kunnen zijn, bestand tegen proliferatie, zuinig met grondstoffen, superieur aan voor het milieu ten opzichte van traditionele kerncentrales -en uiteraard ook ten opzichte van fossiele brandstoffen-, en misschien zelfs goedkoop.

Nadelen van thorium als brandstof

Bereidingsmoeilijkheden

Thoriumbrandstof is wat moeilijker te bereiden. Thoriumdioxide smelt bij veel hogere temperaturen dan traditioneel uraniumdioxide, zodat er zeer hoge temperaturen vereist zijn om vaste brandstof van hoge kwaliteit te produceren. Bovendien is thorium vrij inert, waardoor het moeilijk chemisch te verwerken is.

Het kernafval is op korte termijn gevaarlijker radioactief

Bestraald thorium is op de korte termijn gevaarlijker radioactief. De Th-U cyclus produceert steevast wat U-232, dat vervalt tot Tl-208, dat een 2,6 MeV gammastraal vervalmodus heeft. Bi-212 veroorzaakt ook problemen. Deze gammastralen zijn zeer moeilijk af te schermen, waardoor de behandeling of verwerking van verbruikte splijtstof duurder wordt.

Minder geschikt voor snelle reactors

Thorium werkt niet zo goed als U-Pu in een snelle reactor. U-233 is een uitstekende brandstof in het thermische spectrum maar zit tussen U-235 en Pu-239 in in het snelle spectrum. Dus voor reactoren die een uitstekende neutroneneconomie vereisen is thorium niet ideaal.

Conservatieve industrie

We hebben niet zoveel operationele ervaring met thorium en de nucleaire industrie is nogal conservatief. Als er veel geld op het spel staat is het moeilijk om mensen zover te krijgen dat ze van de norm afwijken.

Thorium als kernbrandstof van de toekomst

Thorium is absoluut een levensvatbare en capabele kernbrandstof, en sommige geavanceerde kernreactoren die er gebruik van maken behoren tot de meest opwindende ontwerpen die er op dit moment zijn. De bouw van thoriumcentrales neemt de vraag naar echte schone en hernieuwbare energiebronnen natuurlijk niet weg. Maar thorium als brandstof is zeker een relatief schone en veilige tussenoplossing.

Lees ook: Waarom de wereld kernenergie nodig heeft