Thorium reactor heeft nodige haken en ogen

De thoriumreactor gooit hoge ogen als alternatieve bron van energie, maar de ontwikkeling kent in de praktijk veel haken en ogen, zo blijkt uit het verhaal van Chinese onderzoekers, die bezig zijn met de bouw van een prototype.

Deze week zijn drie onderzoekers van het Shanghai Institute of Applied Physics in ons land, onder andere om poolshoogte te nemen in Petten, waar men de thoriumreactor onderzoekt. De Chinezen vertellen over hun eigen vorderingen, en willen zoveel mogelijk kennis vergaren  om hun eigen ambities waar te maken. En die zijn groots. Want in 2011 kreeg het instituut van de Chinese Academie van Wetenschappen de opdracht om in twintig tot dertig jaar tijd een werkende thoriumreactor te bouwen.

Gebrek aan uraniumgrondstof

Die belangstelling voor thorium heeft een even banale als dwingende achtergrond: de 37 kerncentrales die  China nu in gebruik heeft, en de twintig die nu in aanbouw zijn, hebben allemaal uranium nodig. Het land beschikt echter nauwelijks over die grondstof. Thorium is daarentegen wel in zeer grote hoeveelheden beschikbaar. Daarnaast heeft de thoriumreactor een belangrijk voordeel: hij produceert nauwelijks langlevend radioactief afval  (lees: ‘Uranium waterreactor versus thorium gesmolten zoutreactor’)

Groots aangepakt

Zoals bij veel in China worden ook hier mensen noch middelen  geschuwd om die  thoriumreactor voor elkaar te krijgen: momenteel werken in het Shanghai Institute en elders zo’n zeshonderd onderzoekers aan het thoriumproject. Ze werken aan twee typen reactoren: een waarbij de thoriumbrandstof is opgelost in een vloeibaar zout, daarom ook wel de thorium-gesmoltenzoutreactor genoemd, en een waarbij de brandstof zit opgesloten in bollen grafiet, ook bekend als de pebble bed-reactor, waarbij gesmolten zout dient om de warmte af te voeren.

Een belangrijk verschil tussen beide is dat in de pebble bed-reactor het gesmolten zout alleen dient om de warmte af te voeren, alleen de ballen met thoriumbrandstof moeten worden ververst. In de gesmoltenzoutreactor daarentegen is de thorium brandstof vermengd met het gesmolten zout, dat moet worden gereinigd en ververst. Dat maakt de gesmoltenzoutreactor technisch ingewikkelder dan de pebble bed. In de peble-bed hoeven alleen de ballen met brandstof vervangen te worden. Tegeiljkertijd heeft de gesmoltenzoutreactor als voordeel dat die de thoriumbrandstof effectiever gebruikt en het ook mogelijk maakt om nucleair afval te verbranden en zo onschadelijk te maken.

Extreme omstandigheden

Tijdens een bijeenkomst van de Nederlandse Stichting Thorium MSR gaven de Chinese onderzoekers een openhartig overzicht van de technische uitdagingen bij het ontwerpen van een reactor die minstens twintig  jaar kan draaien. De veiligheid staat daarbij voorop, zo benadrukte prof. Derek Tsang van het Shanghai Institute.

Zo moet het materiaal van de reactor bestand zijn tegen extreme omstandigheden: de combinatie van een hoge temperatuur van rond de 650 °C, een agressieve zoutoplossing en intense straling. De in ons land aanwezige Chinese onderzoekers waren gespecialiseerd in twee materialen: een metaallegering en grafiet.

Metaallegering

Pijpen van die metaallegering zijn onder andere nodig voor de aan en afvoer van het gesmolten zout met de thorium, en voor het regelen van de reactie. Veel gebruikt materiaal is het zogeheten Hastelloy, een legering op basis van nikkel. Het Shanghai Institute heeft nu op basis daarvan een eigen legering ontwikkeld, GH3535, zo vertelde  dr. Ruobing Xie. De legering heeft inmiddels de test op corrosie door het gesmolten zout goed doorstaan. De beschadiging is niet meer dan 20 µm per jaar. De ultieme test, wat doet het materiaal onder intensieve straling, gebeurt volgend jaar.

Grafiet

Iets soortgelijks geldt voor het grafiet dat in de reactor nodig is. Om indringing van het zout te voorkomen moet het ultrafijn zijn, de corrosie is dan niet meer dan 1 µm per jaar. Dat gaat dus goed. Maar een probleem met het ultrafijne grafiet is de brosheid: het kan heel slecht tegen vervorming. Dat komt slecht uit, want neutronenstraling,  die volop in de reactor aanwezig is, zorgt zowel voor krimp als zwelling van materiaal. Bovendien moet de reactor bestand zijn tegen aardbevingen. Derek Tsang maakte duidelijk dat er nog de nodige onzekerheid is over hoe de reactor zo kan worden ontworpen, dat het grafiet geen problemen veroorzaakt.

De complicaties met corrosie van de reactor is voor het Canadese bedrijf Terrestial Energy aanleiding om de thorium gesmoltenzoutreactor anders op te zetten: elke zeven jaar wordt de kern vervangen door een nieuwe, zodat corrosie nog geen destructieve gevolgen kan hebben (lees: ‘Thoriumreactor met wisselkern’)

Zoutreiniging

Bij de gesmoltenzoutreactor is continue reiniging van het zout, dat wil zeggen het verwijderen van afvalstoffen en aanvoer van verse thoriumbrandstof, essentieel. Promovendus Jun Lin kon vertellen dat het inmiddels lukt het zout voor 98 % te reinigen. De zuiverheid van het zout blijkt overigens een grote rol te spelen bij de corrosiebestendigheid van de metaallegering GH3535: onzuiverheden veroorzaken extra corrosie. De zuivering van het zout en de corrosiebestendigheid van het metaal zijn dus direct aan elkaar gekoppeld.

Brandstofbollen

Voor de zogeheten pebble bed-uitvoering, met de thorium in bollen van grafiet, is veel experimenteel werk gedaan om bollen  met de juiste grootte en dichtheid  te maken . Jun Lin meldde daarop flinke vooruitgang.

In eerste instantie zou er voor de pebble bed een 2MW testreactor worden gebouwd. Het wordt nu een verkleinde uitvoering, met een vermogen van 400 kW. In 2025 zou dan een 10 MW prototype klaar moeten zijn. Voor de gesmoltenzoutreactor wordt nu uitgegaan van een 2 MW prototype, gevolgd door een 10 MW experimentele reactor in 2025.Commerciële toepassing duurt dan nog minstens tot 2040.