Vermenigvuldiger van energie

Kernenergie

Het ‘Rubbiatron’ kan kernafval verstoken. De kernreactor alias deeltjesversneller verrijst nu in Engeland.

Alanya, Turkije. Aan stranden in Turkije, Australië en India ligt thorium voor het oprapen. Foto stock.xchng

Een kernreactor die je met één druk op de knop aan en uit kan zetten en die nauwelijks langlevend radioactief afval produceert. Dat is het idee achter het Rubbiatron, een slimme combinatie van een deeltjesversneller en een kernreactor, in 1995 voor het eerst bedacht door de Italiaanse fysicus Carlo Rubbia. Het klinkt als de oplossing voor zo’n beetje alle nadelen die de huidige generatie kernreactoren nu nog heeft.

Onderzoekers van de Britse universiteit van Huddersfield zetten onlangs een belangrijke stap in de richting van zo’n droomreactor. Ze bouwden een kleine, cirkelvormige deeltjesversneller, die een stabiele stroom van hoog energetische protonen kan afvuren.

Zo’n protonenkanon is nodig om de kernreactie in een Rubbiatron aan de gang te houden. In een gewone kernreactor zet het splijten van een uraniumkern weer een andere uraniumkern aan tot splijten zodat er een kettingreactie ontstaat. Een Rubbiatron draait niet op uranium en heeft dus niet zo’n kettingreactie. Hij draait volledig op thorium, een veel voorkomende grondstof. Op de stranden van Australië, Turkije en India liggen er tienduizenden tonnen van voor het oprapen.

Thorium komt in de natuur voor als thorium-232, een isotoop die licht radioactief is maar niet splijtbaar. Om dat te veranderen is de deeltjesversneller nodig. De protonen uit de versneller slaan eerst neutronen los uit een stuk lood. Die neutronen bombarderen op hun beurt het thorium waardoor (via bètaverval) het splijtbare uranium-233 ontstaat. Deze kunstmatige uraniumsoort levert na splijting van de kern veel minder schadelijke producten op dan bij gebruik van licht verrijkt uranium, dat voornamelijk bestaat uit de uranium-238 isotoop. Daarbij ontstaat het gevaarlijke plutonium, dat gebruikt kan worden in kernwapens. De reactor van een rubbiatron is bovendien ‘subkritisch’; de kernreactie kan zichzelf niet in stand houden en kan dus ook niet ontsporen. Zet de deeltjesversneller uit en de reactie stopt direct.

Tentoonstelling

Om de aandacht op deze vorm van schone kernenergie te vestigen heeft het Science Museum in Londen een van de magneten van de deeltjesversneller, een achthoekig gevaarte met een doorsnede van slechts een halve meter, gebruikt voor een kleine tentoonstelling. ”Voor ons zit het verhaal vooral in de combinatie van twee hoogwaardige, bestaande technieken. Die combinatie kan leiden tot een sterk verbeterde versie van een van die technieken,” vertelt tentoonstellingmaker David Robertson in het museum. “Het idee van thorium als alternatief voor uranium is lastig uit te leggen in een beperkte ruimte, dus hebben we de tentoonstelling toegespitst op het hergebruiken van kernafval. Iedereen weet dat kernafval een probleem is, en een Rubbiatron kan volgens hetzelfde principe behalve thorium ook bestaand kernafval verstoken.” Een veelzijdige machine dus, zo’n Rubbiatron. Rubbia zelf noemde zijn ontwerp een ‘energie-vermenigvuldiger’. Er moet een hoop energie in om de deeltjesversneller te laten draaien, maar als alles goed werkt haal je er een veelvoud van die energie uit.

Toch kleven er ondanks de technische vooruitgang nogal wat bezwaren aan dit type reactor, waarschuwt Jan Leen Kloosterman, universitair hoofddocent reactorfysica aan de Technische Universiteit Delft. “De koppeling van een versneller aan een reactor is niet zo voor de hand liggend, omdat je dan een opening in het reactorvat krijgt. Dat komt de veiligheid van zo’n centrale niet ten goede,” zegt hij.

Ook bij het rendement van de Rubbiatron plaatst Kloosterman vraagtekens omdat deze ook de elektriciteit moet genereren om de energieslurpende deeltjesversneller te compenseren. De techniek zou volgens hem wel van pas komen bij de destructie van gevaarlijk kernafval. Het is immers beter om dat spul met een laag rendement op te stoken dan het duizenden jaren lang te moeten opslaan.

“Als je energie wilt opwekken uit thorium heb je zo’n gecombineerd systeem ook niet nodig”, vervolgt Kloosterman. Hij is er groot voorstander van om thorium als nucleaire brandstof verder te ontwikkelen. Dat gebeurt momenteel ook, al is het Westen hierbij enigszins op achterstand geraakt. Eind oktober is India begonnen met de bouw van zijn eerste volledig door thorium aangedreven kerncentrale. China lanceerde bijna twee jaar geleden al een ambitieus programma dat binnen enkele decennia tot thoriumreactors moet leiden.

In beide gevallen gaat het echter niet om Rubbiatrons, maar om zogenaamde gesmolten-zoutreactoren. In zo’n reactor wordt het thorium eerst opgelost in gesmolten zout dat daarna door koelkanalen in een blok grafiet stroomt. Evenals in een Rubbiatron wordt het thorium dan eerst omgezet in uranium-233. Om die reactie in gang te zetten wordt een heel klein beetje splijtbaar uranium toegevoegd. Daarna kan de reactie zichzelf in stand houden. Ook hier is dus geen sprake van het opwerken van uranium-238, en ontstaan geen plutonium en andere gevaarlijke stoffen als bijproduct. Omdat de reactie plaatsvindt in het vloeibare zout in plaats van in massieve splijtstaven is er ook geen risico op een meltdown, het smelten van de splijtstaven na het onverhoopt wegvallen van de koeling.

Overigens zijn de vele voordelen van gesmolten-zoutreactoren boven conventionele uraniumreactoren niets nieuws onder de zon. In de jaren zestig is er bij het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten al uitgebreid onderzoek naar gedaan. Een gesmolten-zout reactor heeft er jaren succesvol energie uit thorium opgewekt. Begin jaren zeventig trok de regering-Nixon echter de stekker uit het programma. Het ontbreken van plutoniumproductie betekende dat de reactie niet bijdroeg aan militaire toepassingen in wapentuig. Dat konden de Amerikanen zich niet veroorloven, omdat de Sovjet-Unie juist in die jaren steeds meer en sneller kernkoppen begon te produceren. Daarnaast dwong de oliecrisis van 1973 de VS om in te zetten op kernenergie uit het al veel verder doorontwikkelde uranium.

Schoon en goedkoop

Toch is de gesmolten-zoutreactor nu bezig aan een duidelijke comeback. De VS en China werken zelfs samen om een grootschalig thorium-programma neer te zetten. De Chinezen gaan eerst proberen de oude Amerikaanse reactor na te bouwen om hem vervolgens te perfectioneren. Ook in Europa staat thorium weer volop in de belangstelling van onderzoeksinstituten. Aan de TU Delft werkt Jan Leen Kloosterman eraan. “Als er voldoende geld beschikbaar komt zou het schoon en goedkoop opwekken van thoriumenergie binnen ongeveer 25 jaar gemeengoed kunnen zijn,” zegt hij. “Kernfusie, alom geprezen als energievoorziening voor de toekomst, kan uiteindelijk wel eens veel te duur blijken te zijn. Daarom moeten we tegelijk aan een alternatief werken. Wat mij betreft is dat thoriumenergie uit een gesmolten-zoutreactor.”