Gesmolten Zout Reactor FAQ
1. Wat is een thorium gesmolten zout reactor?
Een thorium gesmolten zout reactor is een gesmolten zout reactor (vragen 2-3) die draait op thorium brandstof (vragen 4-6).
2. Wat is een gesmolten zout reactor?
Gesmolten zout reactoren (MSRs, Molten Salt Reactors) zijn kerncentrales. Kerncentrales zijn er om op een voorspelbare en betrouwbare manier (veel) elektriciteit te produceren, zonder uitstoot van CO2-emissies, waarbij weinig ruimte in beslag wordt genomen. De combinatie van deze kwaliteiten maakt kerncentrales zeer bruikbare toevoegingen aan ‘wind’ en ‘zon’ in het noodzakelijke traject richting een CO2-neutrale wereld.
MSRs worden ontwikkeld als verbetering van en aanvulling op bestaande kerncentrales. MSRs kunnen kernenergie goedkoper en schoner maken, en ze zullen worden gebruikt voor meer dan alleen elektriciteitsproductie. Bijvoorbeeld om rechtstreeks warmte aan industrieën te leveren (zoals de chemische of staalindustrie, of zelfs voor de fabricage van zonnepanelen).
In de jaren ‘60 werd een kleine experimentele MSR gedurende vijf jaar gebruikt en getest bij het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten. Dit (en het gerelateerde onderzoek) heeft veel bruikbare kennis en operationele ervaring opgeleverd. Desalniettemin was dat experiment een pilot die werd ontwikkeld om een concept te bewijzen en geen commerciële reactor.
Daarnaast is tegenwoordig veel meer diepgaande kennis en data nodig om een eerste opstart van een MSR te onderbouwen dan in de jaren ‘60. Aan de andere kant zijn sinds die tijd nieuwe technologieën ontstaan, wat nieuwe mogelijkheden biedt in ontwerp en toepassing. NRG, andere onderzoeksinstituten en startende bedrijven over de hele wereld steken tijd en moeite in de ontwikkeling van gesmolten zout technologie voor schone energie.
3. Hoe werken gesmolten zout reactoren?
Om gesmolten zout reactoren te begrijpen, moeten we eerste weten hoe normale kerncentrales elektriciteit produceren. Bestaande kerncentrales gebruiken doorgaans vaste pillen van verrijkt uranium (oxide) als brandstof, met een diameter en hoogte van ongeveer 1 cm. Deze pillen zijn verpakt in dichtgelaste metalen buizen. Bij de splijtingsplijting van uranium of plutonium atomen in kleinere fragmenten komt veel warmte vrij (zie ook vraag 5 en 6). Deze warmte wordt omgezet in elektriciteit. Het proces van het opwekken van elektriciteit lijkt sterk op dat in kolen- of gascentrales, alleen gebruiken die de warmte dat vrij komt bij het verbranden van kolen of gas. Met de warmte wordt water onder druk verwarmd tot het kookpunt, als in een snelkookpan. Het water wordt omgezet naar stoom en de stoom drijft een turbine aan. De bewegingsenergie van de turbine wordt vervolgens omgezet naar elektriciteit.
Een gesmolten zout reactor zet ook warmte om in elektriciteit, maar in dit geval komt de brandstof niet in de vorm van korrels. In plaats daarvan wordt de brandstof bij een hoge temperatuur (450-750 oC) opgelost in een vloeibaar zoutmengel. De energie die vrijkomt bij de splijting van uranium atomen wordt gebruikt om het gesmolten zout direct te verwarmen. Het hete zout wordt vervolgens gebruikt om water te koken voor elektriciteit of om de warmte te leveren aan nabijgelegen industriële processen. Direct voordeel hiervan is een hoger rendement van de elektriciteitsproductie (omdat het rendement schaalt met de temperatuur). Bovendien werkt de reactor bij een veel lagere druk dan kerncentrales, wat de veiligheid verbetert en de kosten verlaagt.
4. Wat is een thorium reactor?
Thorium is geen type kernreactor (kerncentrale), maar een type reactorbrandstof. Een thorium reactor is simpelweg elke kernreactor die thorium als brandstof gebruik. De meeste reactoren die tegenwoordig draaien zijn geoptimaliseerd voor uranium, niet voor thorium. Dit betekent dat ze niet zo efficiënt zijn als dat ze kunnen zijn in het produceren van energie uit thorium.
De meest veelbelovende manieren om thorium te gebruiken zijn door een gesmolten zout reactor te bouwen (zie vraag 2 en 3) of misschien door thorium toe te voegen aan de brandstof voor hoge temperatuur reactoren (HTRs). De meeste mensen die het hebben over ‘thoriumreactoren’, bedoelen eigenlijk ‘thorium gesmolten zout reactor’.
5. Hoe verhoudt thorium zich tot uranium?
Uranium (U) is de standaardbrandstof voor kernreactoren wereldwijd, en in sommigen kernreactoren wordt plutonium (Pu) gebruikt. Thorium (Th) is een goed alternatief, vooral wanneer de uraniumvoorraad kleiner wordt en de uraniumprijzen stijgen. Er is ongeveer 4 keer zo veel thorium in de aardkorst aanwezig in vergelijking met uranium. Daarnaast produceert thoriumbrandstof minder langlevend afval vergeleken met op U en Pu gebaseerde brandstoffen.
6. Hoe werken thorium reactoren?
Bovenstaande vergelijking tussen uranium en thorium is maar een deel van het verhaal. Om energie uit thorium te halen, moet het thorium eerst worden omgezet naar een licht uraniumisotoop door het materiaal te beschieten met neutronen. Gelukkig gebeurt dit automatisch in een draaiende kernreactor.
Helaas wordt bij het maken van nieuwe brandstof (kweken) en de opwekking van energie (versplijting) voor elektriciteit gebruik gemaakt van dezelfde neutronen. Een van de grootste uitdagingen is daarom om de juiste balans te bereiken tussen ‘brandstofkweek’ en ‘brandstofversplijting’. Maar als je dit voor elkaar kunt krijgen, is er maar heel weinig thorium nodig om veel schone energie te produceren.
Op dit moment gooien we meer dan 90% van het uranium weg als afval, zonder er energie uit te halen. We zullen in deze eeuw niet zonder uranium te komen zitten, en zolang de uraniumprijzen laag tot gemiddeld zijn zullen thoriumreactoren niet kunnen concurreren. Maar voor de lange termijn, en om de hoeveelheid langlevend afval dat in ondergrondse opslagfaciliteiten terecht komt te verminderen, moeten we één van twee dingen proberen: óf veel meer energie halen uit het uranium, óf overstappen op thorium-kweekreactoren.
Technische details
In de natuur komt uranium (U) vooral in twee varianten voor: als 235U en als 238U. Van deze twee kan alleen 235U direct energie produceren. Energie wordt geproduceerd als je 235U een neutron invangt en vervolgens in twee stukken splijt, waarbij ook 2 of 3 nieuwe neutronen vrijkomen. In de reactor moet één van deze 2-3 neutronen weer een andere 235U-kern raken om de splijtingsketen in stand te houden.
Wanneer een neutron een 238U-kern raakt, breekt deze niet in twee stukken en wordt ook geen splijtingsenergie geproduceerd. In plaats daarvan wordt het neutron geabsorbeerd en wordt plutonium (239Pu) gevormd. In een typische reactor komt de meeste energie van 235U en een beetje extra van de gegenereerde 239Pu, dat zich grotendeels op dezelfde manier gedraagt als 235U.
Thorium is anders: het komt in de natuur maar in één variant voor (232Th) en deze variant werkt net als 238U. Wanneer 232Th wordt geraakt door een neutron, wordt het neutron geabsorbeerd en wordt 233U gevormd. 233U is, net als 235U en 239Pu, een splijtbaar isotoop waarmee energie kan worden opgewekt.
7. Wat is de ‘Lifter’ (LFTR)?
De ‘lifter’ (LFTR of Liquid Floride Thorium Reactor) is een specifiek ontwerp van een thorium gesmolten zout reactor van het bedrijf Flibe Energy, dat volledig zou profiteren van de voordelen van thorium. Het uitgangspunt van dit ontwerp was het ontwerp van de Molten Salt Breeder Reactor (MSBR), ontwikkeld door het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten in de jaren zestig en zeventig.
Andere voorbeelden van moderne MSR ontwerpen, elk met zijn eigen ontwerpdoelen, zijn de ISMR (Terrestrial Energy), de MCFR (Terrapower), de SSR (Moltex Energy) en de CMSR (Seaborg Technologies).
8. Kan een (thorium) gesmolten zout reactor smelten?
Een meltdown in een reguliere reactor is het gedeeltelijk smelten van de kern en structurele materialen als gevolg van oververhitting. In een MSR is de kern van de reactor al een gesmolten zout, maar een MSR is natuurlijk ook gebouwd met constructiematerialen. De kans dat deze materialen gaan smelten moet in het ontwerp worden uitgesloten. Het vloeibare karakter van het zout helpt hierbij. Hoe? Zie daarvoor de volgende vragen.
9. Zijn (thorium) gesmolten zout reactoren veilig?
Het korte antwoord is: elk specifiek MSR ontwerp zal een lange reeks strenge beoordelingen en tests moeten ondergaan, waarmee wordt aangetoond dat het eindproduct veilig is.
Maar het is eenvoudiger om de vraag te beantwoorden: welke dingen maken dat MSR’s veiliger zijn dan de huidige reactoren? Dit gebeurt onder vraag 11 over de voordelen van MSR’s.
10. Is de (thorium) gesmolten zout reactor mogelijk?
Zeker. Eén werd vorige eeuw al gebouwd en gebruikt (zie vraag 2). Sindsdien is er veel onderzoek gedaan, waarbij geen ‘showstoppers’ zijn gevonden. De meeste vraagstukken die op dit moment worden onderzocht vallen in de categorie ‘engineering challenges’, zaken die met het testen en bouwen van prototypes kunnen worden opgelost.
Een interessante uitdaging buiten deze categorie is bijvoorbeeld hoe de splijtstofboekhouding moet worden gedaan, wanneer die splijtstof een grote plas gesmolten zout vormt.
11. Waarom een gesmolten zout reactor?
Gedeeltelijke antwoorden zijn al gegeven in de vorige vragen, maar hieronder proberen we de voordelen van MSRs samen te vatten:
Hogere temperatuur
Een hogere temperatuur in vergelijking met bestaande kerncentrales betekent een hogere efficiëntie van de elektriciteitsproductie, plus de mogelijkheid om warmte te leveren aan industrieën (bijvoorbeeld de chemische of metaal producerende industrieën, of zelfs zonnecelproducten).
Lage druk
Door de lage druk in de reactor blijft bij een ernstig ongeval de drijvende kracht achter de spreiding van radioactiviteit klein, zodat alle radioactiviteit in het gebouw kan worden ingesloten.
Negatieve feedback
Een vaste eigenschap van het gesmolten brandstofzout is dat het bij verhitting het uitzet. Wanneer de brandstof oververhit raakt, drijft deze expansie een deel van het brandstof uit de reactor (anders gezegd: de splijtstofdichtheid gaat omlaag). Nu er minder brandstof in de reactor zit, worden er minder uraniumatomen gesplitst, wordt er minder energie geproduceerd en koelt de reactor weer af. Dit is een mooi voorbeeld van een negatieve feedback lus die in MSRs zorgen voor stabiele operatie.
Vloeibare brandstof
Het gebruik van vloeibare brandstof heeft ook een paar duidelijke voordelen:
- In geval van nood kan de splijtstof automatisch uit de reactorkern worden afgevoerd naar tanks onder de reactor, zodat deze (passief) kan worden gekoeld. Dit hele systeem kan zo worden uitgevoerd dat er geen menselijk handelen voor nodig is (op basis van zwaartekracht en het smelten van een bevroren plug, die het leeglopen alleen voorkomt zolang de reactor nog normaal werkt).
- De splijtingsproducten, de fragmenten die vrijkomen bij het splijten van uranium en die een belangrijk deel uitmaken van het kernafval, kunnen m.b.v. chemische processen uit het brandstofzout worden verwijderd (vraag 15). Dit ‘schoonmaken’ van het zout heeft een paar voordelen: veel minder radioactiviteit in de reactor zelf, (uiteraard is deze radioactiviteit dan wel aanwezig in het aangrenzende gebouw), het resulterende afval kan efficiënter worden verwerkt en de splijtingsproducten absorberen geen neutronen op (vraag 6).
15. Produceren (thorium) gesmolten zout reactoren radioactief afval?
Zeker, dit is onvermijdelijk.
Afval van nucleaire brandstof kun je indelen in twee categorieën. De eerste categorie bestaat uit de fragmenten die gemaakt zijn wanneer de uranium- of plutoniumatomen worden gesplitst, de zogenaamde splijtingsproducten. De hoeveelheid splijtingsproducten is evenredig met de energie die wordt geproduceerd uit splijting, dus elke kernreactor zal hier ongeveer dezelfde hoeveelheden van produceren (we verwaarlozen hier even de verschillen in de efficiëntie van het omzetten van de warmte naar elektriciteit, zie vraag 3). Na ongeveer 300 jaar is de radioactiviteit van deze splijtingsproducten lager geworden dan die van het gedolven uranium, dus op dat moment wordt het afval als ‘inactief’ beschouwd.
De tweede categorie is die van de zware metalen uranium, plutonium, neptunium, americium en curium. De belangrijke eigenschappen van deze afvalcategorie zijn:
Idealiter zouden we dus alle zware metalen willen omzetten naar splijtingsproducten, omdat deze veel korter leven en omdat we dan alle energie uit die zware metalen gehaald hebben. De grote aantrekkingskracht van gesmolten zout reactoren is dat de vloeibare brandstof chemisch kan worden behandeld om de splijtingsproducten te verwijderen, waardoor de zware metalen in de reactor kunnen blijven totdat ze naar splijtingsproducten zijn verspleten (figuur 1).
Stel je eens voor wat je zou moeten doen als de brandstof niet in de vorm van gesmolten zout kwam maar als vaste splijtstofpillen: de brandstof uit de reactor verwijderen, naar een verwerkingsfaciliteit transporteren, de pillen oplossen om de splijtingsproducten te verwijderen en vervolgens weer nieuwe pillen maken van de resterende zware metalen, en die pillen weer terug stoppen in de reactor. Veel werk, moeilijk en duur. Toch wordt dit met succes gedaan in Frankrijk om de hoeveelheid afval te verminderen en een deel ervan te hergebruiken, maar alleen uranium en plutonium worden teruggewonnen en de energie-winst is in dat geval beperkt.
We verwachten niet dat de eerste MSRs het langlevende zware metaalafval kunnen verwijderen, maar dit is een reële mogelijkheid voor de langere termijn.