THORIUM voor KERNERGIE?
Nr. 6 19 februari 2016
Elektriciteitsopwekking
is volop in het nieuws, vooral doordat men wil dat ze opgewekt wordt door wind
en zon. Onze splinternieuwe kolencentrales moeten dicht en ook de enige
kerncentrale wil men sluiten. Kolen geven te veel CO2 uitstoot en kernenergie
is te gevaarlijk. Hoe begon men ooit met kernenergie? Eigenlijk door de
geleerden: Hendrik Lorentz en Albert Einstein.
Begin twintigste
eeuw begon men na te denken over een methode om materie om te zetten in
energie. Volgens Einsteins beroemde formule E = MC2 zou dat mogelijk moeten
zijn, maar helaas bleek dat niet eenvoudig. In het heelal komt dit volop voor,
maar omzetting van materie in energie gebeurt op aarde alleen bij radioactieve
elementen. Die vervallen in de loop van de tijd tot lichtere elementen waarbij
energie vrijkomt. Einstein raadde de wetenschap dan ook aan in die richting te
gaan zoeken.
In 1938 werd
in Duitsland, door Otto Hahn, de kernsplijting bij het radioactieve element Uranium
ontdekt. Daarbij bleek veel energie vrij te komen door massaverlies.
Hitler was
intussen aan de macht, zag de potentie ervan en gaf opdracht met deze vinding een
atoombom te ontwikkelen. Dit was in 1939 aanleiding voor Einstein om een brief
aan President Roosevelt te schrijven over het gevaar dat Hitler een atoombom in
handen zou krijgen, maar gelukkig lukte het de Duitsers niet om snel een
atoombom te produceren. Roosevelt besloot ook wat te doen en gaf in 1941 Robbert Oppenheimer opdracht om een atoombom
te ontwikkelen. Dit werd het “Manhattanproject”. Allerlei geleerden deden mee:
Enrico Fermi, Richard Feynman, Niels Bohr, Leo Szilard en andere. (Einstein was
hierbij trouwens niet rechtstreeks betrokken.) Het lukte hun wél, men wist twee
bommen te maken: een Uranium en een Plutonium bom, die in 1945 op Japan
afgeworpen werden en de oorlog daar beëindigden.
De oorlog
met Duitsland was toen al voorbij. Duitsland verloor de race om de bom, maar intussen
wist ook Rusland atoombommen te maken (en later de waterstofbom).
Met
kerncentrales begon men pas in de vijftiger jaren. Met de kennis en het materiaal dat men verzameld
had om atoombommen te maken, was de
volgende stap: elektriciteit opwekken. De ervaring die men had met Uranium en
Plutonium, was de reden waarom er toen voor gekozen is om kerncentrales met een
Uraniumcyclus te gaan bouwen, Thorium was niet in beeld.
De eerste
kerncentrales werden in Rusland, Engeland en de USA gebouwd en deze werkten (en werken) alle met
kernsplitsing van Uranium, waar men door de ontwikkeling van kernwapens veel
van wist. Thorium kwam (nog) niet aan bod hoewel dat volgens sommige veel
geschikter voor een kerncentrale zou zijn dan Uranium.
-URANIUM:
Eerst wat
over Uranium. Het is een licht radioactief element met atoomnummer 92, wat
betekent dat de atoomkern 92 protonen bevat. Het Uranium dat in de natuur
gevonden wordt bestaat voor ruim 99 % uit U238, ongeschikt voor kernenergie,
want het is niet splijtbaar. De resterende één procent bestaat uit de isotopen
U233, U234 en U235, waarvan alleen de
laatste (0,6%) bruikbaar is, want de atoomkernen daarvan zijn splijtbaar. Ook U233
is splijtbaar maar komt nauwelijks voor in natuurlijk Uranium.
Voor
kernenergie moet het U235 percentage wel flink omhoog. Dit bereikt men door
“verrijking” van Uranium, waarvoor in Almelo het bedrijf Urenco is opgericht,
dat werkt met ultracentrifuges (Nederlandse uitvinding). Voor gebruik in
kerncentrales moet het percentage U235 minimaal 3 à 4 % procent bedragen, voor
kernwapens zelfs 80 à 90 %.
Heeft men de
juiste hoeveelheid van dit “verrijkte” Uranium (“kritische massa”) dan kan een
kettingreactie in gang gebracht worden. Dit gebeurt door met “langzame” neutronen
de U235 atoomkernen te splijten, waarbij steeds weer nieuwe neutronen vrijkomen,
die weer andere kernen kunnen splijten. Hierbij heeft enig massa verlies
plaats, die in veel energie omgezet wordt. Met de vrijkomende energie wordt
stoom geproduceerd waarmee turbogeneratoren
aangedreven kunnen worden.
Duitsland
had indertijd moeite om langzame elektronen te produceren, men probeerde met
“zwaar water” de neutronen af te remmen, maar dat lukte niet erg. In de USA
deed men dit met grafiet dat veel beter werkte. Snelle neutronen zijn namelijk ongeschikt,
vliegen overal dwars doorheen en splijten geen kernen.
-PLUTONIUM:
Tijden de
kettingreactie, waar bij door het splijtproces steeds nieuwe vrije neutronen ontstaan,
raken deze ook de niet splijtbare U238 atomen. Door het invangen van
neutronen in de U238 kernen, neemt het
aantal protonen daarin met één toe en ontstaat er Plutonium 239, dat wél
splijtbaar is en dus ook energie oplevert.
Plutonium is
een radioactief element met atoomnummer 93 dat nauwelijks in de natuur voorkomt
en eigenlijk een kustmatig element is. Dit Plutonium is zeer geschikt voor
kernwapens en er liggen thans vele tonnen Plutonium opgeslagen in allerlei kernwapens,
wat geen prettig idee is. Maar Plutonium kan dus ook als kernbrandstof gebruikt
worden. Men noemt het wel de “gevaarlijkste stof op aarde”.
-THORIUM:
Nu Thorium,
dat is een zwak radioactief element, met atoomnummer 90, niet helemaal
ongevaarlijk: het geeft alfastraling (heliumkernen) af en vervalt langzaam tot
het giftige Radon Rn220 gas en dat moet je beter niet inademen. Thorium is ruim
voorradig op aarde, veel ruimer dan Uranium, het is niet splijtbaar en komt het
meest voor als Th232 (90 protonen en 142 neutronen in de kern).
Echter, als
een Thoriumkern een neutron invangt, ontstaat de isotoop Th 233 die na 22
minuten vervalt tot Protactinium: Pa 233, onder uitzending van elektronen (bètastraling).
Dit Protactinium vervalt na 27 dagen tot Uranium U233 en dát is wel splijtbaar
en dus geschikt voor kernenergie!
Worden U233
kernen met langzame neutronen gespleten, dan ontstaan ook weer nieuwe vrije
elektronen, zodat bij voldoende U233 ook een kettingreactie in gang gezet kan
worden waarbij door massaverlies energie wordt opgewekt.
Men denkt
een Thoriumcentrale te ontwikkelen door het op te lossen in gesmolten
fluoridezout (voor de koeling), maar er bestaat nog geen enkele kernreactor die
zo werkt.
Wat zijn nu
die voordelen van Thorium?
-De
kernreactie zou veiliger verlopen.
-Al het
Thorium wordt verbruikt (bij Uranium slechts 0,6%).
-Er ontstaat
veel minder radioactief afval en dit heeft een veel kortere half waarde (300
jaar) . Het kernafval hoeft dus veel korter opgeslagen te worden dan het kernafval
van Uranium centrales (25.000 jaar).
-Verrijking van
Thorium en opwerking van het uitgewerkte materiaal is niet nodig.
Er zijn ook
nadelen:
-Gesmolten
zout is zeer agressief en zou de levensduur van de reactor kunnen bekorten.
-Optredende
gammastraling kan materiaal ongunstig beïnvloeden.
-Met U233
kan men ook atoombommen maken.
-Misschien
heeft men nog wel 20 jaar ontwikkeling nodig hoewel het volgens sommige in vijf
jaar kan.
De voordelen
van Thorium: beschikbaarheid en weinig afval zijn zó belangrijk dat men in
landen als China en de USA er toch mee bezig is.
China opent
al heel lang enkele kolencentrales per week, maar vanwege smog en de CO2
problematiek voelt men dat dat eigenlijk niet langer kan. Men heeft nu dan ook
plannen om enkele tientallen kerncentrales te bouwen om aan de enorme energie
behoefte te voldoen.
Alternatieve
energie van zon en wind? Voorziet tot nu slechts in één procent van de wereld
energiebehoefte.
Thoriumcentrales
zouden er dus toch nog kunnen komen.