Vandaag gebruiken we wereldwijd uranium kernreactoren. In mijn vorige blog kon je ontdekken waarom oorspronkelijk echt voor uranium is gekozen als brandstof. Mijn collega Hubert Rahier geeft je vandaag tal van alternatieven voor kernenergie. Ik hou het bij kernenergie, maar op een andere manier, namelijk met thorium.
Een Thorium kernreactor gebruikt dezelfde principes als de Uranium kernreactor. Thorium is echter chemisch veel stabieler en ook beter bestand tegen straling dan Uranium, dat veel sneller roest. Dit alleen al maakt de Thorium reactor al veiliger. De Thorium kernreactor levert daarenboven minder kernafval en maakt geen Plutonium aan dat kan gebruikt worden voor kernwapens.
De nucleaire Thorium cyclus begint met $$_{90}^{232}$$ Th dat in grote mate gevonden wordt in de natuur. Een Thorium reactor moet dus niet het in de natuur gevonden isotoop verrijken tot een ander isotoop, zoals bij Uranium. Het in de natuur gevonden isotoop is inderdaad het basis materiaal voor de reactor.
Als dit $$_{90}^{232}$$ Th- isotoop een neutron vangt wordt er een $$_{90}^{233}$$ Th- isotoop gevormd via twee relatief weinig tijd vergende radioactieve vervallen naar isotopen van Protactinium (Pa) en Uranium:
$$_{90}^{232}$$Th + $$_{0}^{1}$$n $$rightarrow$$ $$_{90}^{233}$$Th $$rightarrow$$ $$_{91}^{233}$$Pa $$rightarrow$$ $$_{92}^{233}$$U
__________________________________________________________________
“Een Thorium reactor moet dus niet het in de natuur gevonden isotoop verrijken tot een ander isotoop, zoals bij Uranium.”
__________________________________________________________________
Dit $$_{92}^{233}$$U-isotoop is splijtbaar. Als $$_{92}^{233}$$U gebombardeerd wordt door een traag neutron, zal het in 92% van de gevallen splijten in twee lichtere kernen en hierbij energie leveren dankzij $$Delta mathrm{E} = Delta mathrm{m} times mathrm{c^{2}}$$. Om de kettingreactie in stand te houden zijn er voldoende trage neutronen nodig als projectielen. Elke splijting levert 2 of 3 snelle neutronen. Die snelle neutronen worden vertraagd door botsingen met koolstofkernen in de grafietstructuur van de Thorium reactor. De splijtproducten zijn afvalproducten die niet veel verschillen met die uit een Uranium reactor. De splijtproducten uit een Thorium reactor hebben radioactieve halfwaardetijden die korter zijn dan die uit een Uranium reactor.
Ook voor een thorium reactor is een kritische massa aan thorium noodzakelijk voor het onderhouden van de kettingreactie. Er moeten voldoende doelen zijn. De thorium ketting heeft echter meer neutronen als projectielen nodig dan de Uranium ketting. Op die manier valt bij een Thorium reactor de kettingreactie snel stil bij technisch falen. Geen China syndroom dus. De LFTR (Liquid Fluoride Thorium Reactor) verstikt in dat geval de kern van de reactor onder een dikke laag zout.
In 8% van de gevallen gaat de splijting niet door en wordt de vorming van uranium en transuranen ingeluid. Hieruit blijkt weer een (relatief) voordeel van de thorium reactor: hij produceert iets minder dan de helft aan transuranen in vergelijking met de Uranium reactor. Het relatief voordeel wordt echter absoluut als je weet dat de thorium (het 90ste element van de Tabel) reactor twee stappen eerder dan uranium (92ste element) reactor met de productie van actiniden begint.
Actiniden zijn 15 uiterst radioactieve elementen. De productie van actiniden in een Thorium reactor is een factor 20 kleiner dan in een Uranium reactor. De totaliteit van de gevormde actiniden wordt in de thorium reactor volledig gebruikt als nieuwe splijtstof.
Rechts zien we botsingen met neutronen die niet leiden tot kernsplijting in een thorium reactor. In een uranium reactor levert dit veel en langlevend radioactief afval en plutonium voor het aanmaken van atoomwapens. Een thorium reactor beperkt grotendeels deze ellende. Alleen de productie van $$_{91}^{231}$$Pa (Protactinium) heeft een zorgwekkend lange halveringstijd van 32.700 jaar.
$$_{93}^{237}$$Np (neptunium) wordt niet beschouwd als radioactief afval maar wordt hergebruikt nadat het radioactief vervormd is tot Plutonium waar volgende splijtingen kunnen mee verwezenlijkt worden en behalve $$_{94}^{242}$$Np zelfs isotopen van $$_{95}$$Am (americum) en $$_{96}$$Cu (curium) worden gevormd. Ook die zwaarste kernen worden niet als radioactief afval gedumpt maar opnieuw verder gebruikt als splijtstof. De opvallende voordelen ten opzichte van de uranium reactor zijn meteen te zien door de twee figuren met elkaar te vergelijken.
Thorium vindplaatsen
Thorium wordt gevonden in het mineraal Monaziet en is drie tot vier keer meer abundant in de aardkorst dan uranium. Thorium is op Aarde even alomtegenwoordig als lood. En het moet daarenboven niet verrijkt worden vooraleer het kan worden gebruikt. De vindplaatsen zijn gelijkmatig verspreid over de aardkorst. Zodat economische en humanitaire uitbuiting van een vindplaats in de derde wereld door een economische en militaire grootmacht kan vermeden worden.
__________________________________________________________________
“De vindplaatsen van Thorium zijn gelijkmatig verspreid over de aardkorst. Zodat economische en humanitaire uitbuiting van een vindplaats in de derde wereld door een economische en militaire grootmacht kan vermeden worden.”
__________________________________________________________________
Het China syndroom
Hiernaast zien we de technologie die gebruikt wordt bij een uranium kernreactor. De reactor bevat staven met $$mathrm{UO_{2}}$$. Het Uranium-isotoop $$_{92}^{235}$$ U is hierin in voldoende mate (3%) aanwezig. De controlestaven zorgen ervoor dat de concentratie aan doelen ($$_{92}^{235}$$ U) en projectielen (langzame neutronen) juist afgesteld is. De splijting van $$_{92}^{235}$$ U zorgt voor veel energie en warmte. De reactor wordt afgekoeld door water. Daarom staan uranium reactoren altijd aan een waterkant.
Dit water moet ook de energie leveren om via turbines de beschikbare energie op het elektriciteitsnet te zetten. Bij atmosferische druk kookt water bij $$100^{circ}$$ Celsius. Dit is ruim onvoldoende om een turbine aan te drijven. Daarom wordt het water geplaatst onder hoge druk en temperatuur. De stoom die hieruit ontstaat kan de turbine wel aandrijven. De controlepanelen zorgen ook voor de regeling van druk en temperatuur. Want onder een te hoge druk zou de hele reactor kunnen ontploffen.
Dit is precies wat er gebeurt bij een ongeluk waarbij de controlepanelen worden vernietigd. De kettingreactie kan niet worden gestopt, de temperatuur blijft stijgen tot de kern smelt (het china syndroom), alle radioactiviteit komt in het water terecht. Het water blijft lekken en lopen. De verspreiding van de radioactiviteit is niet meer te stoppen.
Thorium zout
Deze afbeelding toont de technologie bij een Thorium kernreactor. Het is de LFTR reactor. De afkorting van “Liquid Fluoride Thorium Reactor”. Uitgesproken als “lifter”. De reactor bevat aanvankelijk staven met $$mathrm{ThO_{2}}$$. De concentratie van $$_{90}^{232}$$ Th is nagenoeg 100%. Niets staat de vorming van het splijtbare $$_{90}^{233}$$ Th in de weg. De splijting van $$_{90}^{233}$$ Th zorgt voor veel energie en warmte. De reactor wordt afgekoeld door een vloeibaar deken van Fluoride zouten.
