Uranium waterreactor versus thorium gesmolten zoutreactor

De gesmolten zoutreactor heeft een aantal voordelen ten aanzien van veiligheid en afval boven de nu gebruikelijke reactoren, aldus kernreactorphysicus Jan Leen Kloosterman van de TU Delft.

Verreweg het merendeel van de nu functionerende kernreactoren gebruikt water als koelmiddel en als moderator, het medium dat de bij kernsplijting vrijkomende neutronen voldoende afremt om nieuwe kernsplijtingen tot stand te brengen. De kernreactor in Borssele is een drukwaterreactor (Pressurized Light-Water-Moderated and Cooled Reactor) verreweg het meest voorkomende reactortype.

Deze reactoren hebben twee belangrijke kenmerken:

brandstof is het splijtbare U235 als brandstof
brandstof in vaste vorm in reactorstaven, koelmiddel circuleert er omheen

Het gebruik van U235

Tijdens de kernreactie met U235 ontstaan twee typen producten:

de actiniden, atomen met een hoog atoomgetal (90 – 103), waarvan atomen Americium en Protactinium het meest radioactief zijn en die vanwege een halfwaardetijd van ruim zevenduizend tot meer dan dertigduizend jaar zeer langdurig giftig zijn voor de omgeving. Daarnaast wordt Plutonium geproduceerd, de grondstof voor en kernbom.
splijtingsproducten, zoals Strontium, Cesium en Krypton die alle radioactief zijn met een halfwaardetijd van tien tot dertig jaar en die zo’n 300 jaar giftig zijn.

Wanneer een deel, meestal zo’n 5 %, van het U235 is gespleten moeten kernbrandstof worden vervangen. Dit vereist een nucleaire brandstofcyclus waarbij de staven uit het reactorvat worden gehaald, moeten afkoelen, waarna de brandstof wordt opgewerkt en de hoog radioactieve en zeer langlevende restproducten worden gebord in speciale vaten. Deze cyclus voltrekt zich grotendeels buiten de reactor.

Koeling met water

Om te voorkomen dat de splijtstofstaven vanwege splijtingsproducten oververhit raken moeten ze voortdurend worden gekoeld. Schiet de koeling tekort, dan kan een kernsmelt optreden, waarbij de controle over de kernbrandstof verloren (Tsjernobyl, Fukushima)

De gesmolten zoutreactor heeft andere kenmerken:

brandstof is thorium232
brandstof en koelmiddel/moderator zijn één
Anders dan de drukwaterreactor, heeft de gesmolten zoutreactor geen hogere druk nodig.

Het gebruik van Th232

Om een thoriumreactie op gang te krijgen is er een snelle neutronenbron nodig, bijvoorbeeld U235, maar dat is alleen om de reactie op gang te brengen. Het thorium verandert dan in het splijtbare U233.

Tijdens de kernsplijting ontstaan er nauwelijks actiniden, aanzienlijk minder dan bij U235. Blijven die in het gesmolten zout, dan worden ze grotendeels ‘opgebrand’. De hoeveelheid geproduceerde plutonium is nihil.

De hoeveelheid splijtingsproducten is 40 % minder dan bij een U235-reactor.

Het gesmolten zout wordt in een gesloten cyclus voortdurend gereinigd van zijn splijtingsproducten. Dat heeft verschillende voordelen

de aanwezige thoriumbrandstof kan veel beter worden benut
er is minder vervalwarmte van splijtingsproducten in het gesmolten zout wanneer de kernreactie is stopgezet
er is geen externe brandstofcyclus, alles gebeurt binnen de reactor

Is het nodig de kernbrandstof te verwijderen, dan is deze vanwege de overmaat aan splijtingsproducten en het vrijwel ontbreken van langlevende actiniden het meest giftig voor de omgeving gedurende zo’n 500 jaar. U233, dat in het restproduct altijd aanwezig zal zijn, dient ook als brandstof voor een atoombom, maar is in het gesmolten zout dusdanig vervuild, dat de praktische bruikbaarheid er niet is.

Brandstof en koelmiddelzijn één

Omdat brandstof en koelmiddel één zijn, kan er geen kernsmelt optreden. Bij verhitting zet de vloeistof uit waardoor de kernreactie afneemt. Er zijn ook passieve veiligheidsvoorzieningen mogelijk die ervoor zorgen dat als de temperatuur toch oploopt, bijvoorbeeld omdat de pompen niet meer werken, de gesmolten zoutoplossing uit de reactorkern wegstroomt waarbij de kernreactie stopt.

Bij het uitvallen van de pompen bij vol vermogen zal de kernreactie snel verminderen, de temperatuur van de vloeistof neemt maximaal met zo’n tachtig graden toenemen en blijft daarna stabiel.

Samenvattend noemt Kloosterman de voordelen van de thorium gesmolten zoutreactor: