Kernenergie

Liquid Fluoride Thorium Reactor

Dr. ir. Jan Leen Kloosterman is universitair hoofddocent aan de TU Delft. Hij is expert op het gebied van kernenergie en het verduurzamen hiervan.

Profiel

1. Wat is kernsplijting?

Zware atoomkernen zoals uranium en plutonium kunnen na absorptie van een neutron, dit is een ongeladen kerndeeltje dat in alle atoomkernen voorkomt, uiteenvallen in twee brokstukken. Hierbij komt veel energie vrij in de vorm van warmte. Splijting van één gram uranium levert evenveel warmte als verbranding van 3000 kilogram steenkool. Daarnaast komen bij kernsplijting nieuwe neutronen vrij die op hun beurt een kernsplijting kunnen initiëren. Door het overschot aan neutronen weg te vangen met speciale regelstaven, ontstaat een gecontroleerde kettingreactie waarbij een grote hoeveelheid warmte vrijkomt die in elektriciteit kan worden omgezet.

2. Wat is een Liquid Fluoride Thorium Reactor?

Een Liquid Fluoride Thorium Reactor (LFTR) is een kerncentrale die energie vrijmaakt door splijting van uranium-233. Dit is een isotoop van uranium die niet in de natuur voorkomt, maar in de reactor zelf wordt geproduceerd uit thorium. De kernbrandstof in een Liquid Fluoride Thorium Reactor bestaat namelijk niet uit splijtstofpinnen van uraniumoxide, zoals in alle huidige kerncentrales, maar uit een vloeibaar fluoridezout met daarin opgelost het thoriumfluoride. Dit zout stroomt door de reactorkern waarbij het thorium, na absorptie van een neutron, wordt omgezet in uranium-233.


Het thorium in de Liquid Fluoride Thorium Reactor werkt dus als een kweekstof waaruit nieuw splijtbare uranium wordt geproduceerd. De Liquid Fluoride Thorium Reactor is een speciale variant van de gesmolten zout reactor, één van de zes kernreactoren die worden ontwikkeld in het kader van het internationale Generatie-IV onderzoekprogramma. Een “gewone” gesmolten zout reactor zou echter ook met uranium-235 en plutonium als splijtstof kunnen werken, terwijl een Liquid Fluoride Thorium Reactor alleen met thorium als kweekstof werkt en met uranium-233 als splijtstof.

3. Wat is nieuw aan de Liquid Fluoride Thorium Reactor?

Het bijzondere aan de Liquid Fluoride Thorium Reactor is het feit dat de splijtstof in vloeibare vorm aanwezig is en door de reactorkern stroomt. Alleen daar kunnen kernsplijtingen plaatsvinden en wordt warmte geproduceerd. Deze warmte wordt via een warmtewisselaar aan een tweede en vervolgens aan een derde circuit afgegeven en uiteindelijk in elektriciteit omgezet. Gekoppeld aan het primaire circuit zit een chemische fabriek waar continu een kleine fractie van het zout wordt schoongemaakt. Hier worden bijvoorbeeld de splijtingsproducten die overblijven na de kernsplijting uit het zout gehaald en opgeslagen. Bovendien kan hier thoriumfluoride aan het zout worden toegevoegd als nieuwe kweekstof.

4. Is een Liquid Fluoride Thorium Reactor veilig?

Een Liquid Fluoride Thorium Reactor bevat diverse inherente veilige mechanismen waardoor de kettingreactie nooit uit de hand kan lopen. Een voorbeeld is de uitzetting van het zout als de temperatuur in de reactorkern toeneemt. Hierdoor zal de dichtheid van de splijtstof in het zout afnemen en de kettingreactie doven. Een ander mechanisme dat aanwezig is in alle kernreactoren, is het zogenaamde nucleaire Dopplereffect. Door dit effect worden er meer neutronen geabsorbeerd (zonder splijtingen te veroorzaken!) als de temperatuur van de brandstof toeneemt.

Ook een kernsmeltongeval zoals in Fukushima kan niet plaatsvinden in een Liquid Fluoride Thorium Reactor. Omdat het zout met daarin de radioactieve splijtingsproducten al vloeibaar is, kan het eenvoudig in speciale tanks onderin het reactorgebouw worden opgeslagen. De vervalwarmte van de splijtingsproducten kan daar met natuurlijke circulatie van lucht of water worden afgevoerd naar de omgeving. Een bijkomend voordeel van de Liquid Fluoride Thorium Reactor is dat de splijtingsproducten jodium en cesium sterk gebonden zijn aan het zout en dus niet naar de omgeving kunnen ontsnappen.

5. Is er voldoende thorium?

De aarde bevat grote voorraden thorium die nog maar nauwelijks ontgonnen zijn, simpelweg omdat er geen andere grootschalige toepassing voor thorium bestaat. Algemeen wordt aangenomen dat de aardkorst vier tot vijf keer zoveel thorium bevat als uranium. Voor energieproductie is gebruik van thorium in een Liquid Fluoride Thorium Reactor nog gunstiger, omdat in een dergelijke reactor al het thorium wordt benut. In de huidige generatie kerncentrales wordt minder dan één procent van het uranium verspleten.

Een Liquid Fluoride Thorium Reactor met het vermogen van de kerncentrale Borssele zou maar 500 kg thorium per jaar verbruiken. Landen met grote thoriumvoorraden zijn Australië, Brazilië, Egypte, India, Noorwegen, Turkije, Venezuela en de VS. Theoretisch is er voldoende thorium om gedurende vele tienduizenden jaren alle benodigde elektriciteit wereldwijd te produceren.

6. Hoe zit het met radioactief afval van een Liquid Fluoride Thorium Reactor?

Het radioactief afval dat in een Liquid Fluoride Thorium Reactor wordt geproduceerd is anders van aard dan het kernafval uit de huidige generatie Licht Watergekoelde Reactoren (LWR). Dat komt omdat in de Liquid Fluoride Thorium Reactor geen langlevend plutonium wordt geproduceerd. Wel moeten de splijtingsproducten die vrijkomen voor een periode van 500 jaar veilig worden opgeborgen. Dit is een acceptabele periode die wellicht zelfs overbrugd kan worden met alleen bovengrondse opslag van het afval. Dit moet nog nader worden bestudeerd.

7. Wanneer zou de eerste Liquid Fluoride Thorium Reactor kunnen draaien?

De Liquid Fluoride Thorium Reactor is geen concept dat helemaal opnieuw hoeft te worden ontwikkeld. In Oak Ridge in de VS heeft van 1965 tot 1969 al een demonstratiereactor gedraaid, de Molten Salt Reactor Experiment (MSRE), waarin het werkingsprincipe overtuigend is aangetoond. Helaas heeft men destijds besloten om het onderzoekprogramma te stoppen ten gunste van snelle kweekreactoren die werken met de uranium splijtstofcyclus.

Het huidig onderzoek aan de Liquid Fluoride Thorium Reactor richt zich vooral op nieuwe constructiematerialen om te voorkomen dat het fluoridezout tot corrosie van de installatie zou kunnen leiden en op de invloed van straling en warmte op de samenstelling en eigenschappen van het zout. Ook richt het onderzoek zich op de chemische processen die benodigd zijn om het zout continu te kunnen zuiveren, en op de fysica om de veiligheid van de reactor te garanderen en het kweekproces zo efficiënt mogelijk te laten verlopen. Technisch lijkt het echter mogelijk om binnen tien jaar een demonstratiereactor te bouwen.

 

Zoek in kennisbank

Aanmelden nieuwsbrief

Themasponsors Energiebronnen