Dit is het laatste deel van een vijfluik.

Door Udo Pollmer.

Maar liefst 85.000 deelnemers reisden in december 2023 naar de Klimaatconferentie in Dubai, waaronder meer dan 150 regeringsleiders van over de hele wereld. Daar kwamen de autoriteiten van het wereldwijde klimaatbeleid tot een verrassend inzicht: atomen splitsen produceert geen CO2! De gezamenlijke uitbreiding van nucleaire technologie werd daarom ter plekke besloten. De lanceringsworkshop vond eind maart 2024 plaats in Brussel.1

“Het toeval wilde”, vermoedde kernfysicus Hofmann-Reinecke, “dat de vergunning voor de sloop van de laatste nog operationele kerncentrale, ‘Isar 2’, in Duitsland op precies hetzelfde moment werd verleend als de conferentie in Brussel. In dit geval werkte de bureaucratie relatief snel … zodat de vergunning niet nieuw leven kon worden ingeblazen in het geval van een mogelijke ommezwaai in het energiebeleid.”1

En verder:

“Maart 2024 zal de geschiedenis ingaan als een noodlottige datum in de Duitse geschiedenis. Het is het moment waarop duidelijk werd hoe het land van dichters en denkers, het land waar de splitsing van de atoomkern werd ontdekt, de familie van beschaafde staten verliet en een zeer donkere weg bergafwaarts insloeg.”1

De gesmolten zoutreactor

Welke weg zal de mensheid nu inslaan om haar energievoorziening veilig te stellen? In elk geval zullen snelle kweekreactoren in de nabije toekomst een belangrijke rol spelen. Waarschijnlijk de meest populaire is de gesmoltenzoutreactor. Deze bestaat in principe uit een vat met hete vloeibare zouten waarin een kernreactie plaatsvindt. Het gesmolten zout, meestal fluoriden of chloriden, bevat de brandstof. Het hele mengsel is ook een koelmiddel; het is chemisch inert en onbrandbaar.

In conventionele reactoren die brandstofstaven of -bolletjes gebruiken, blijft 96% van de energie ongebruikt. De resulterende splijtingsproducten vertragen de kernreactie. Alleen opwerking maakt hergebruik mogelijk. Reactoren met vloeibare brandstof zijn anders. Ook hier worden splijtingsproducten geproduceerd. In tegenstelling tot splijtstofstaven zijn deze echter gemakkelijker te scheiden van de vloeistof. Daardoor kan de brandstof veel langer worden gebruikt.

Desgewenst kan ook oud kernafval worden verbrand in de gesmoltenzoutreactor. Het splitst op betrouwbare wijze riskante transuraniumelementen zoals plutonium. Dit zou ook de prestaties moeten verbeteren, omdat er voldoende leveranciers van neutronen in het afval zijn om splijtbaar uranium-233 te produceren uit thorium-232. Nieuwe brandstof wordt naar behoefte toegevoegd zonder dat de reactor hoeft te worden stilgelegd.

Een “boil-over” is fysiek onmogelijk in gesmolten zout. De reactor staat niet onder druk en bevat geen water. Er is niets dat een explosie kan veroorzaken. Er is geen gevaar voor een kernsmelting met gesmolten zout, omdat de brandstof altijd vloeibaar is.2 De reactor brengt zijn energie over naar een ander gesmoltenzoutcircuit in de eerste warmtewisselaar. Deze brengt de warmte over naar de stoomgenerator, die elektriciteit produceert met een turbine.

Wat gebeurt er als het koelsysteem uitvalt? Dan treden de natuurkundige wetten in werking, in dit geval de eerder genoemde negatieve temperatuurfeedback. Omdat de genoemde zouten massaal uitzetten wanneer ze worden verwarmd, neemt de trefkans van de neutronen af, daalt de splijtingssnelheid en koelt de reactor af. Als het zout tijdens het afkoelen samentrekt, wordt de reactor kleiner. Als het zout tijdens het afkoelen samentrekt, neemt de kernsplijting weer toe en wordt er meer energie opgewekt.3 Catastrofale ongelukken zoals in Tsjernobyl of Fukushima worden dus voorkomen door natuurwetten – zonder dat er complexe veiligheidssystemen nodig zijn.

Als laatste redmiddel is er een “plug” op de bodem van de reactor, die wordt afgekoeld met de opgewekte elektriciteit. Als er bij een ongeluk geen stroom is, smelt de plug: De radioactieve slurry stroomt in tanks om onder de kritische massa te komen. Daar is een kettingreactie niet meer mogelijk.3

Technische uitdagingen

Elke vorm van energieopwekking heeft zijn valkuilen, of het nu gaat om windturbines, geothermische energie of reservoirs. In het geval van de gesmoltenzoutreactor moet tritium genoemd worden omdat het een risico vormt voor het personeel.4 Hoewel dit type reactor zonder water werkt, is de hoeveelheid tritium die vrijkomt aanzienlijk hoger dan in drukwaterreactoren.5 Het gas wordt in de zoutoplossing geproduceerd door neutronenbeschieting van lithium en beryllium. Net als gewone waterstof diffundeert het door allerlei metalen.3,6 Er zijn nu opslagmedia beschikbaar die tritium absorberen, bijvoorbeeld op basis van verarmd uranium-238.7 Er worden ook nieuwe permeatoren ontwikkeld om het tritium in de smelt op te vangen.8

Een andere technische uitdaging was de corrosie veroorzaakt door het gesmolten zout. Omdat zich, in tegenstelling tot de lichtwaterreactor, geen oxidelaag vormt op het oppervlak, is corrosie tot nu toe vertraagd door het zout te reinigen, de redoxpotentiaal te controleren en buffers te gebruiken.9 Inmiddels is een mengsel van lithium en berylliumfluoride (Li2[BeF4]) ingeburgerd, dat nauwelijks corrosief is. Critici beweren dat beryllium behoorlijk giftig is.9 Maar het wordt al heel lang routinematig gebruikt in de aluminiumindustrie en in de machinebouw. Tot nu toe heeft niemand hier last van gehad.

Klein is mooi

Overal ter wereld wordt nu gewerkt aan gesmoltenzoutreactoren. De eerste reactor van dit type, de Chinese TMSR-LF1, krijgt zijn exploitatievergunning in 2023.10 Net als kiezelbedreactoren zullen gesmoltenzoutreactoren ook decentraal worden geïnstalleerd om afgelegen delen van het land of de dunbevolkte woestijnen en steppen in het westen van China van energie te voorzien. In dorre gebieden zijn reactoren die geen rivier nodig hebben om koelwater te leveren voordelig. De TMSR-LF1 levert in eerste instantie geen elektrische energie, maar alleen warmte of stoom voor de industriële installaties daar. Niet voor niets ligt het hele ensemble in de Gobiwoestijn, de koudste woestijn ter wereld.11

Otto Hahn.

Ook de transportsector heeft er nu zin in. Eind 2023 presenteerde de Chinese scheepsbouwer CSSC in Shanghai zijn project voor een containerschip dat wordt aangedreven door een gesmoltenzoutreactor. Er zijn al koopvaardijschepen met lichtwaterreactoren geweest, zoals de “Otto Hahn”. Ze werden uit de vaart genomen of omgebouwd naar diesel omdat havens toegang weigerden.12 Er zijn echter al tientallen jaren nucleair aangedreven vliegdekschepen, ijsbrekers en onderzeeërs in gebruik. Ze komen ongeveer om de 20 jaar naar de scheepswerf voor een revisie. Daar wordt de hele reactormodule eruit gehaald en vervangen door een nieuwe.

De dag dat containerschepen overal ter wereld stil en zonder uitstoot de havens binnenvaren nadert: de Amerikaanse bedrijven Southern Company en TerraPower zijn onlangs begonnen met uitgebreide tests voor een nieuwe scheepsreactor, en nu heeft Hyundai Heavy Industries, een van de grootste scheepsbouwgroepen, zich aangesloten bij het gesmoltenzoutproject.13 Dit werd gevolgd door samenwerkingsverbanden met Europese bedrijven zoals Naarea en Thorizon om modulaire gesmoltenzoutreactoren te bouwen voor de verbranding van kernafval.14 Vrijwel tegelijkertijd kondigde Rosatom aan dat het onderzoek met succes was afgerond en dat het Russische nucleaire agentschap nu van plan was om een dergelijke centrale te bouwen.15

Als “nucleaire batterijen” zijn modulaire snelle kweekreactoren bedoeld om gedurende 15-20 jaar een continue energievoorziening te bieden.16 Conventionele batterijen kunnen alleen een korte stroomonderbreking compenseren. Met een nucleaire batterij kan de bevolking continu van voedsel worden voorzien, zelfs in het geval van crises en rampen. Het kan gebruikt worden om koelsystemen draaiende te houden en om de ovens in baklijnen te verwarmen.

Dankzij hun modulaire ontwerp kunnen dergelijke reactoren worden gecombineerd tot grotere eenheden. Modules kunnen industrieel voorgeproduceerd worden in grote hoeveelheden en vervoerd worden naar de plaats van gebruik, wat de kosten aanzienlijk drukt. De export ervan zou niet alleen de staatskas vullen, maar zou deze landen ook aan China binden, bijvoorbeeld door onderhoudscontracten. Tegelijkertijd zouden de grondstoffen die de Chinese industrie nodig heeft, veiliggesteld kunnen worden.

Het uur van de klaagzang

De eco-scene ziet plichtsgetrouw de zwarte cijfers. De Zwitserse Energiestichting klaagt:

“Er zijn nog steeds geen uitgebreide veiligheidsanalyses voor de MSR (Molten Salt Reactor) ….”. De reactor is nog tientallen jaren verwijderd van commerciële exploitatie.”17

De Deutsche Umwelthilfe e.V. merkt op:

‘Bovendien bevindt deze technologie zich nog in de onderzoeksfase en is nog niet volledig ontwikkeld, laat staan commercieel levensvatbaar’.18

Volgens het Öko-Institut e.V. is er

‘op dit moment geen duidelijk voor- of nadeel’ van gesmoltenzoutreactoren ten opzichte van lichtwaterreactoren ‘met betrekking tot reactiviteitscontrole, koeling en restwarmteafvoer en de insluiting van radioactieve stoffen’.19

Het is grappig: het feit dat deze reactor kernafval op een nuttige manier verwijdert, lijkt geen indruk te maken op de experts die altijd waarschuwen tegen kernafval. Hun geschriften wekken eerder de indruk dat er een vitaal belang is om zo lang mogelijk angst te zaaien en oplossingen te blokkeren. Tientallen miljarden worden jaar na jaar uitgegeven aan de behandeling en opslag van kernafval en aan de “kernuitfasering”, in plaats van een fractie van het kapitaal te gebruiken om het te elimineren.

Om 1 gigawatt stroom op te wekken verbrandt een kolencentrale ongeveer 800.000 ton per jaar. Ter vergelijking: een oude lichtwaterreactor heeft ongeveer 100 tot 200 ton brandstofstaven per jaar nodig. Het huidige record is in handen van de dual-fluid reactor, een verdere ontwikkeling van de gesmolten zout reactor: deze heeft iets meer dan een ton brandstof nodig voor dezelfde elektrische output. Om dit beter te visualiseren: Vanwege de hoge dichtheid is dit een kubus met een randlengte van 40 centimeter.20

Het verbrandingsresidu is navenant minimaal. Natuurlijk produceren moderne reactoren ook “nucleair afval”, maar dit is slechts een vliegvlek vergeleken met vroegere centrales. Bovendien gebruiken moderne reactoren de brandstof veel efficiënter, zodat het aandeel residu ook lager is. Natuurlijk is het nog steeds mogelijk om te klagen over “stralingsgevaar”, zelfs als de hoeveelheid en de opslagperiode met een factor 100 zijn verminderd.

De dubbele vloeistofreactor

In dit opzicht is de reactor met twee vloeistoffen de meest veelbelovende van de snelle kweekreactoren: Een reactorblok met een volume van een paar kubieke meter wekt evenveel elektriciteit op als een grote kolen- of gascentrale. Vergeleken met “windmolenparken” is de benodigde ruimte belachelijk klein. Vergeleken met conventionele gesmoltenzoutreactoren is de brandtijd vele malen langer door de eenvoudige en continue scheiding van splijtingsproducten. Dankzij het kleine oppervlak kan de reactor in een ondergrondse bunker worden ondergebracht, waardoor hij bestand is tegen aardbevingen en neerstortende vliegtuigen.21

Een doorslaggevend verschil met gesmolten zoutreactoren is dat de brandstof en het koelmiddel in de dual-fluid reactor van elkaar gescheiden zijn. De brandstof stroomt binnenin pijpen, waarlangs het koelmiddel, vloeibaar lood, aan de buitenkant stroomt. Omdat de brandstof geen “smeltzouten” bevat, kan deze gemakkelijker worden bevrijd van splijtingsproducten. In de dual fluid recyclingfabriek wordt oude brandstof eerst omgezet in vloeibaar zout en vervolgens door destillatie gescheiden in zijn componenten. Dit proces is al lang ingeburgerd buiten de nucleaire industrie. Alle splijtbare materialen worden gemengd met verse brandstof en teruggevoerd naar de reactor, waar ze energie opwekken of worden omgezet in kortlevende isotopen.22

Omdat snelle kweekreactoren de splijtstoffen in veel grotere mate “hakken”, produceren ze ook meer kleine moleculen, d.w.z. vluchtige gassen, waarvan sommige straling uitzenden. De meeste daarvan, zoals jodium-131, zijn kortlevend. Daarnaast zijn er gassen zoals xenon en krypton, die de efficiëntie van de reactor verminderen.23 Ze worden allemaal weggespoeld met behulp van de edelgassen helium of argon en overgebracht naar een aparte tank om hun vervalwarmte te benutten.20 Halfwaardetijden van hooguit enkele maanden betekenen dat hun activiteit snel afneemt.

Verdere scheiding gebeurt door pyrochemische destillatie.24 Splijtingsproducten met een halfleven tot enkele tientallen jaren die niet langer bruikbaar zijn, worden gescheiden per element. Door hun kleine hoeveelheid kunnen ze worden opgeslagen in een bescheiden bunker op het fabrieksterrein. Binnen 100 jaar kan 90 procent van de elementen per soort worden verkocht als zeldzame aardmetalen. De rest is pas na 300 jaar “rijp” om geoogst te worden. Dit maakt een bijna volledig gebruik op de lange termijn mogelijk, waardoor voor het eerst een echte circulaire economie ontstaat.25

Wat gebeurt er in het geval van verkeerd gebruik of sabotage? Net als bij normale gesmoltenzoutreactoren treedt de negatieve temperatuurfeedback in werking: wanneer de brandstofvloeistof opwarmt, zet deze uit. De zogenaamde dopplerverspreiding van de atomen heeft hetzelfde effect. Hierdoor neemt de energieproductie af en daalt de temperatuur.26 Het vloeibare lood versterkt het terugkoppelingseffect nog verder.21 Hierdoor werkt het systeem als een thermostaat: de reactor houdt zijn temperatuur constant op 1000°C. Hierdoor kan hij zichzelf automatisch laden. Hierdoor kan hij de belasting automatisch volgen. Het past zich aan de respectievelijke elektriciteitsvraag aan, een uiterst belangrijke mogelijkheid: dit betekent dat de sterke schommelingen in energie van wind en zon kunnen worden gecompenseerd zonder dat kolencentrales stand-by moeten blijven.27

De dubbele vloeistof is een veeleisende “omnivoor”. In principe is elke isotoop met een atoomgewicht boven dat van thorium geschikt. Dit omvat kernafval, natuurlijk uranium, verarmd uranium en kernwapens. Met zijn werktemperatuur van 1000°C lijkt zelfs waterstofelektrolyse uit water rendabel voor industriële doeleinden, net als de productie van synthetische brandstoffen. Het compacte ontwerp, waarvoor zeer weinig materiaal nodig is, maakt het ook mogelijk om dure, bijzonder stabiele materialen zoals wolfraam, tantaal of siliciumcarbide te gebruiken.

Vooruitblik

Dual fluid wordt nu beschouwd als de meest efficiënte van alle energiebronnen. Het werd voornamelijk uitgevonden door Armin Huke, toenmalig directeur van het Instituut voor Solid State Kernfysica in Berlijn. Voor Duitsland, ooit een leider in deze nieuwe technologie, is de ontwikkeling voorbij. Omdat de Duitsers nooit meer kernenergie willen gebruiken, besloot het bedrijf zijn hoofdkwartier in 2021 naar Canada te verplaatsen. Tot nu toe bestaat de reactor alleen op papier – zoals gebruikelijk bij baanbrekende uitvindingen. Een eerste testreactor wordt gebouwd in Rwanda.

En Duitsland? Daar worden oude kolencentrales met een slecht rendement gereactiveerd, die enorme hoeveelheden vervuilende stoffen produceren, waaronder radionucliden. Degenen die zich deze dure luxe-elektriciteit niet kunnen veroorloven, koken hun eco-voedsel van wilde oogsten met een zuiver geweten en in harmonie met de natuur op een open vuur op een vuilnisbak! Hoe heerlijk is het gevoel van “ethische” superioriteit nadat we onze technologische levensfundamenten met groot gejubel hebben opgegeven.

Conclusie

Dit waren geselecteerde voorbeelden uit een breed scala aan oplossingen voor het nucleaire afval- en energieprobleem. Nu het mogelijk zou zijn om dit afval zo ver mogelijk weg te werken, zou de generatie waaraan we onze “stralende erfenis” te danken hebben, haar steentje moeten bijdragen. Het is een technisch geluk dat er nog steeds veel energie kan worden opgewekt.

Udo Pollmer.

Betekent dit dat kernenergie eindelijk “ongevaarlijk” en “veilig” is?

Nee, net zo min als een keukenmes of een dam. Nog niet alle fysische effecten die in de reactor aan het werk zijn, zijn bekend. Een voorbeeld is koude fusie, dat ooit belachelijk werd gemaakt en nu een centrale plaats inneemt in het nucleaire onderzoek. Misschien zijn er andere en zelfs betere manieren om energie op te wekken.

Het feit dat de elegante verwijdering van de erfenis van de nucleaire industrie vandaag mogelijk is, is te danken aan de ingenieurs in deze sector. De critici die decennialang het uitproberen van oplossingen hebben geblokkeerd met het stoutmoedige argument dat ze nog niet getest zijn, zijn geen respect waard. Met wind, zon en waterstof zal het in de nabije toekomst niet mogelijk zijn om stedelijke samenlevingen op betrouwbare wijze van voedsel te voorzien.

***

Literatuur

01) Hofmann-Reinecke H: Deutschlands nukleare Geisterfahrt. Think-again-Blog vom 30. März 2024

02) Elsheikh BM: Safety assessment of molten salt reactors in comparison with light water reactors. Journal of Radiation Research and Applied Sciences 2013; 6: 63-70

03) IAEA: Status of Molten Salt Reactor Technology. Technical Reports Series 489, Wien 2023

04) Zohuri B et al: Heat-pipe heat exchangers for salt-cooled fission and fusion reactors to avoid salt freezing and control tritium: a review. Nuclear Technology 2020; 206: 1642–1658

06) Schmutz H et al: Tritium formation and mitigation in high temperature reactors. INL/EXT-12-26758, Idaho National Laboratory, 2012

07) RC Tritec AG: Tritiumspeicher: Sichere and praktische Aufbewahrung von Tritiumgas. Abgerufen am 14. April 2024

08) Zeng Ys et al: A simulation sturdy of tritium removal from molten salt at high temperature with tritium permeation through metallic material. Annals of Nuclear Energy 2022; 170: e108977

09) Roper R et al: Molten salt for advanced energy applications: A review. Annals of Nuclear Energy 2022; 169: e108924

10) Wang B: China thorium molten salt experimental reactor is licensed for operation. Nextbigfuture.com 15. June 2023

11) Mallapaty S: China prepares to test thorium-fuelled nuclear reactor. Nature 2021; 597: 311-312

12) Posch M: China’s nuclear-powered containership: a fluke or the future of shipping? Hackaday.com 26. Dec. 2023

13) Dixon G: Nuclear power for shipping takes a step forward with the help of the world’s largest shipyard. TradeWinds 5. Feb 2024

14) Anon: Naarena and Thorizon team up on molten salt reactors. World Nuclear News 12. Feb. 2024

15) Anon: Preliminary design R&D completed for Russian molten salt research reactor. World Nuclear News 5. Feb. 2024

16) OECD: The NEA Small Modular Reactor Dashboard: Volume II. OECD 2023, NEA No. 7657

17) Schweizerische Energie-Stiftung: Faktenblatt – Neue Atom-Reaktoren. Juli 2015

18) Scheer SS, Walter J: Atomkraft? Immer noch: Nein Danke! Mythen über Atomenergie und die neue AKW-Generation. Deutsche Umwelthilfe, April 2022

19) Pistner C et al: Sogenannte „neuartige“ Reaktorkonzepte. Öko-Institut e.V., Darmstadt 10.3.2023 in: Bundesamt für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung: Analyse und Bewertung des Entwicklungsstands, der Sicherheit und des regulatorischen Rahmens für sogenannte neuartige Reaktorkonzepte. Zwischenbericht zu AP-1 und -2; Vorhaben 4721F50501

20) Schwarzenberg M: Neue Entwicklungen bei der Nutzung von Kernenergie. Naturwissenschaftliche Rundschau 2019; 71: 291-294

21) Lewitz JC et al: The dual fluid reactor – an innovative fast nuclear-reactor concept with high efficiency and total burnup. Atw. Internationale Zeitschrift fuer Kernenergie 2020; 65: 145-154

22) Dual Fluid: Reinventing Nuclear. Whitepaper: Kernkraft der fünften Generation von Dual Fluid. Dual Fluid Energy Inc. 2022

23) Zhou B et al: Study on kinetic characteristics of Krypton and Xenon radioactive source term in molten salt reactor. EPJ Web of Conferences 2020; 239: e22005

24) Rodriguez D et al: Pyrochemical reprocessing of molten salt fast reactor fuel: focus on the reductive extraction step. Nukleonika 2015; 60: 907-914

25) Huke A et al: The Dual Fluid Reactor – A novel concept for a fast nuclear reactor of high efficiency. Annals of Nuclear Energy 2015; 80: 225–235

26) Sierchuła J et al: Negative temperature coefficients of reactivity for metallic fuel dual fluid reactor. Progress in Nuclear Energy 2022; 146; e104126

27) Huke A et al: Der Dual-Fluid-Reaktor und die Möglichkeiten der Kernenergie. In: Schluss mit der Klimakrise. Edition Novo 2020, Nr. 131: 84-103

***

Bron hier.

***