Door de huidige uraniumreactoren te vervangen door thoriumreactoren zouden de risico’s van kernenergie – denk aan Tsjernobyl en Fukushima – als sneeuw voor de zon verdwijnen. Waarom gebruiken we deze reactoren dan nog niet?
1 – Hoe werken de huidige uraniumreactoren?
Kernsplijting is de methode die momenteel gebruikt wordt in kernreactoren. Bij dit proces splijt een zware atoomkern in twee lichtere kernen, waarbij energie vrijkomt. Om dit beter te begrijpen, kijken we eerst naar de structuur van een atoomkern. Deze bestaat uit positief geladen protonen die elkaar afstoten. Gelukkig bevat een kern ook neutrale neutronen die de boel bij elkaar houden. Hoe groter de atoomkern, hoe meer neutronen er nodig zijn hem bij elkaar te houden.
Als er te weinig neutronen zijn, krijgt de afstotende kracht de overhand. De kern is dan instabiel en er kan kernsplijting plaatsvinden, waarbij de kern opsplitst in twee nieuwe, lichtere kernen.In kernreactoren wordt uranium-235 gebruikt. Dit materiaal is instabiel, maar vervalt uit zichzelf bijna niet. Als er een neutron met een lage snelheid op wordt afgeschoten, krijgt de kern een zetje en kan er wel splijting optreden. Het proces kan dus ‘aangezet’ worden. Er ontstaan niet alleen nieuwe kernen, er komen ook neutronen vrij. Die kunnen andere uraniumkernen laten vervallen waardoor er een kettingreactie ontstaat.
Heersen zwermen killerdrones straks over het slagveld?
Een luchtruim gevuld door kunstmatig intelligente killerdrones, die autonoom bepalen wie blijft leven en wie zal sterven. Hoe waarschijnlijk is dat?
En nu komt het mooiste gedeelte van dit proces: bij elke splijting komt er behoorlijk veel energie vrij. Volgens de vergelijking van Einstein – E= mc2 – kan massa namelijk energie worden. In de meeste reactoren wordt de energie omgezet in warmte die gebruikt wordt om water te verdampen tot stoom. Vervolgens wordt via een stoomturbine elektriciteit opgewekt. Een kerncentrale wekt dus elektriciteit op zonder vervelende CO2-productie.
2 – Wat zijn de nadelen van kernsplijting?
Hebben kerncentrales helemaal geen afvalproducten? Helaas wel. De lichtere atomen die ontstaan bij kernsplijting zijn vaak ook instabiel en dus radioactief. Ze vervallen en zenden daarbij gevaarlijke straling uit. Deze radioactieve straling kan bij mens en dier kanker en andere stralingsziektes veroorzaken. Het duurt enkele tientallen jaren totdat deze restproducten onschadelijk zijn.
Een nog groter probleem zijn de zware kernen die gevormd worden in een kernreactor. Deze ontstaan wanneer een neutron opgenomen wordt door een uranium-235-kern zonder splijting te veroorzaken. Er ontstaan dan een nieuwe, zware atoomkernen. Het kan miljoenen jaren duren voordat dit radioactieve afval niet meer schadelijk is. Tot die tijd moet het veilig opgeslagen worden.
Daarnaast bestaat er een kans op een ramp zoals bij Tsjernobyl en Fukushima. Dergelijke ongelukken gebeuren wanneer de kettingreactie niet langer gecontroleerd wordt. De meeste reactoren hebben meerdere back-upsystemen om zo’n ongecontroleerde reactie te stoppen. In uitzonderlijke gevallen werken deze systemen niet. Dan ontstaat er een grootschalige ramp. Grote hoeveelheden energie komen vrij en de radioactieve stoffen komen in de directe omgeving terecht. Ze blijven daar vaak eeuwen een gevaar vormen.
3 – Is een thoriumreactor beter dan een uraniumreactor?
De laatste jaren verschijnen er steeds meer voorstanders van thorium. Dit materiaal zou uranium-235 kunnen vervangen in kernreactoren om ze niet alleen goedkoper en efficiënter, maar ook veiliger te maken. Alfred Hogenbirk, deskundige op het gebied van stralingsafscherming en stralingsdosimetrie, vertelt dat de fysische kant van thorium inderdaad een mooi verhaal is. ‘Thorium kan in een reactor omgezet worden in uranium-233, een bijzonder efficiënte splijtstof. Als je dit materiaal gebruikt als energiebron, heb je niet te maken met het vervelende uranium-238, dat zorgt voor het langlevende afval in een ‘gewone’ kernreactor.’
De afvalstoffen in een thoriumreactor zijn veel minder lang schadelijk (slechts een paar honderd jaar) en de kans op een ramp is veel kleiner. Er is bij thorium namelijk een compleet ander reactorontwerp mogelijk waarbij de kettingreactie niet op hol kan slaan, omdat de reactie vanzelf stopt zodra de temperatuur te hoog wordt. Er zijn dus geen extra veiligheidssystemen nodig.
Bovendien is er op aarde meer thorium dan uranium-235. Het kan ons daarom langer van energie voorzien. De echte thorium-fanboys (en fangirls) noemen het dé toekomst van kernenergie.
4 – Waarom staat de wereld nog niet vol met thoriumreactoren?
Als thorium echt een wondermiddel is, waarom draait de wereld dan nog op deze energiebron? De praktijk blijkt minder rooskleurig is dan de theorie. De ontwikkeling van thoriumreactoren loopt tegen technische problemen aan.
Voor thorium is een nieuw soort reactor nodig: de liquid fluoride thorium reactor (LFTR). De grondstof wordt, anders dan in de huidige reactoren, niet als vaste stof gebruikt, maar als vloeistof (een gesmolten zoutoplossing). Het voordeel hiervan is dat het bij de hoge temperaturen in een kernreactor stabiel blijft. Helaas heeft het ook nadelen. Het zout tast veel materialen ernstig aan (net zoals de autoschade door strooizout). Het vat waarin de oplossing bewaard wordt moet daarom van een materiaal gemaakt zijn dat zowel de hoge temperaturen als de schadelijke effecten van zout aankan. Volgens Hogenbirk zijn er verschillende kandidaten, maar is de ideale kandidaat nog niet gevonden.
Een ander probleem vormen de restproducten van de splijtingsreactie. Deze atomen kunnen neutronen absorberen die nodig zijn om de thorium-reactie gaande te houden. Er is dus een filter nodig om deze stoffen uit de vloeistof verwijderen. Dit klinkt misschien eenvoudig, maar er komen veel verschillende restproducten voor waardoor het maken van een geschikt filter een lastige taak is. Hogenbirk ziet dit als een belangrijke hindernis die door fysici soms onderschat wordt.
5 – Hoe lang duurt het nog voordat we thoriumreactoren kunnen gebruiken?
Ondanks dat de thoriumreactor beter scoort op duurzaamheid en veiligheid dan de huidige reactoren stuit de reactor niet allen op technische, maar ook op politieke obstakels. Een nieuwe techniek vraagt om nieuwe regelgeving en daar gaat uitgebreid onderzoek aan vooraf. Zeker als het over radioactieve stoffen gaat. De ontwikkelingen van thoriumreactoren zal dus door het papierwerk en de technische hindernissen zelf in het meest positieve scenario nog zeker tientallen jaren duren. Gelukkig wijst de geschiedenis uit dat er met voldoende tijd, hersenkracht en budget technisch veel mogelijk is.
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Lees verder: