In detail: DIMOS and LUMOS
In mei 2017 heeft een groep wetenschappers en nucleaire specialisten het plan DIMOS gelanceerd, het Dutch Initiative on MOlten Salts. (Het volledige plan vind u hier, een samenvatting vind u hier.) DIMOS is het plan voor een ambitieus ontwikkeltraject, opgebouwd rond de unieke mogelijkheid die Nederland heeft om het internationale gesmoltenzoutreactor-onderzoek drastisch te versnellen. Aan de basis hiervan ligt een historische toevalligheid: het feit dat Nederlands
Hoge Flux Reactor (HFR) in Petten over een zogenaamde Pool Side Facility beschikt. Dit maakt de HFR geschikt om een cruciaal experiment uit te voeren met een experimentele opstelling. Kern van het experiment is een ringvormige buis waarin een gesmolten zout rond stroomt. Deze buis of ‘loop’, die driewandig is uitgevoerd, wordt in het stralingsveld vlak naast de reactor geplaatst. In het zoutmengsel zijn ook splijtstoffen opgelost. Dankzij de neutronen die uit de HFR-kern komen, kunnen in de zoutlus splijtingsreacties plaatsvinden. Dat is dan ook het unieke van het LUMOS-experiment: in de buis kunnen alle condities worden gecreëerd die ook zullen heersen in een gesmoltenzoutreactor. Door de opstelling vol te hangen met sensoren kunnen onderzoekers zich een nauwkeurig en volledig beeld kunnen vormen van de condities en de processen die zich voordoen in een gesmoltenzoutreactor. Omdat alle (doorgaans zeer dure) faciliteiten al aanwezig zijn, én omdat het experiment in principe binnen de ‘licence to operate’ van NRG valt, betekent LUMOS bovendien een enorme besparing op onderzoeksbudgetten die nodig zouden zijn zonder aanwezigheid van de HFR en de infrastructuur daar omheen. De HFR is dankzij de aanwezigheid van de Pool Side Facility vrijwel uniek in de wereld. LUMOS betekent dan ook een enorme kans voor het onderzoek naar gesmoltenzoutreactoren, voor de energietransitie en voor de economische toekomst van BV Nederland. Deze unieke kans, in combinatie met de aanwezigheid van universitair programma op gebied van gesmoltenzouteractoren aan TU Delft, rechtvaardigt het opstellen van een plan dat een stap verder gaat dan LUMOS, namelijk DIMOS, het Dutch Initiative on Molten Salts.
Uitgangspunt van DIMOS is om snel een verantwoord energiesysteem te ontwerpen waarvoor de technologiebasis 50 jaar geleden al in een uitgebreid experiment is aangetoond. Het perspectief van een schone, overvloedige en betaalbare energiebron staat buiten kijf, maar de implementatie vergt nog ontwikkeling. De aanpak van DIMOS zal reeds op korte termijn tal van mogelijkheden bieden voor de Nederlandse industrie (denk aan metaalindustrie, machinebouw, chemische industrie, instrumentatie, automatisering, robotisering). Om dit te realiseren zullen de beste experts, onderzoekers en studenten van over de hele wereld worden aangetrokken.
Het Nederlandse initiatief wil een theoretische en experimentele onderbouwing geven van essentiële ontwerpkeuzes. Daarnaast wil het zich richten op het opleiden van hooggekwalificeerde wetenschappers, ingenieurs en technici.
Van cruciaal belang in het ontwikkeltraject is de nucleaire kwalificatie van alle benodigde zouten en structurele materialen. Ook de zuiveringsprocessen van de zouten zullen gedemonstreerd moeten worden. Alle veiligheidsprincipes en componenten zullen moeten worden getest, in onderlinge samenhang en onder realistische bestralingscondities – voor dat laatste biedt de HFR zoals gezegd unieke mogelijkheden. Dit alles zal uiteindelijk leiden tot een conceptontwerp voor een toekomstbestendige thorium-MSR.
Waar andere programma’s er voor kiezen om eerst aan het reactorontwerp te werken, kiest DIMOS uitdrukkelijk voor een andere volgorde. Uit eerdere ervaringen met reactorontwerpen kwam reeds duidelijk naar voren dat van alle constructiematerialen – die vaak wel bekend zijn, maar hun gedrag in de condities die heersen in een gesmoltenzoutreactor is vaak niet bekend – eerst als het ware een ‘bandbreedte’ moet worden vastgesteld: wat zijn voor dit materiaal de limieten als we het blootstellen aan hoge temperatuur, corrosieve componenten en straling, en dat tegelijkertijd. Dat kan alleen worden uitgezocht door tests onder realistische reactor-condities. Pas daarna kan het ontwerp zinvol worden vastgesteld.
Werkt men in omgekeerde volgorde, dan is het risico groot dat een eenmaal uitgewerkt ontwerp eisen stelt die op de grens zitten van wat de materialen aankunnen. Of zelfs daaroverheen gaan. In dat geval is het terug naar de tekentafel, en kostbare tijd is verloren gegaan. Het team dat aan gesmoltenzoutreactoren werkt, is er daarom van overtuigd dat het traject dat DIMOS voorstelt uiteindelijk de snelste weg zal blijken te zijn naar een verantwoord en toekomstbestendig energiesysteem. Niet voor niets is dit ookde route die gekozenis bij de ontwikkeling van de Molten Chloride Fast Reactor van Terrapower, het nucleaire bedrijf van Bill Gates. Terrapower lijkt vooralsnog niet te kiezen voor de thoriumcyclus – DIMOS lijkt op dit moment wereldwijd het enige initiatief dat een haalbare route schetst naar een gesmoltenzoutreactor waarin de thoriumcyclus kan worden gestart. Starten van de thoriumcyclus is één van de doelen van het DIMOS-initiatief. Het feit dat de HFR-testreactor en de Pool Side Facility reeds beschikbaar zijn, betekent een aanzienlijke verkorting van de ontwikkeltijd en een forse besparing op de kosten.
LUMOS
De kern van DIMOS is zoals gezegd het ontwerp en de bouw van een experimentele opstelling[1], genaamd LUMOS (Learning to Use MOlten Salt). LUMOS is in essentie een ringvormige buis waarin een splijtstofzout circuleert in een stralingsveld. De opstelling zal vooraf in een niet-nucleaire omgeving worden gebouwd en getest. Als LUMOS al deze tests succesvol heeft doorstaan wordt de constructie geplaatst op de unieke ‘pool-side facility’, een testplatform in het stralingsveld dicht tegen de reactorkern van de Hoge Flux Reactor.
De ring is in drie lagen uitgevoerd, waardoor als het ware een ring met drie wanden ontstaat. De binnenste ring bevat het splijtstofzout. De ring zelf is van Hastelloy, een nikkellegering. Daar omheen ligt een ring van een laag staal. De buitenste laag is aluminium. De ring in drie lagen zorgt niet alleen voor meerdere veiligheidsbarrières. Dankzij deze constructie is het ook mogelijk dat het zout in de binnenste ring veel heter kan worden dan het handwarme water van de HFR-poel, dat alleen met de buitenste wand in contact staat.
De neutronen van de HFR, in combinatie met de splijtsofzouten die zijn opgelost in het zoutmengsel, zorgen er voor dat er splijtingsreacties op gang komen. Alles bij elkaar creëert dit realistische condities die lijken op die in een gesmoltenzoutreactor. Nauwkeurige meetinstrumenten zullen alles registreren. Zo krijgen we de noodzakelijke kennis van een werkend nucleair systeem op basis van gesmolten zout, zonder dat hiervoor een demonstratiereactor hoeft te worden gebouwd. Door deze werkwijze kan veel tijd worden gewonnen bij de ontwikkeling van de MSR en veel geld worden bespaard.
NRG, de Nuclear Research and consultancy Group in Petten, werkt op dit moment reeds aan een conceptontwerp voor LUMOS. Experimenten met de bestraling van splijtstofzouten en structurele materialen zijn zelfs al begonnen: in augustus 2017 gingen de eerste zoutmonsters in bestraling, in een reeks experimenten met de naam SALIENT. Deze worden in de loop van 2019 uit de HFR gehaald, en in 2020 zullen de resulterende zoutmonsters bij JRC en in Petten verder worden onderzocht.
Het karige budget waarvan de onderzoekers op dit moment gebruik maken echter is bij lange na niet toereikend voor de bouw van LUMOS. Voor uitvoering van het hele DIMOS-initiatief is naar schatting gemiddeld per jaar zo’n 20 miljoen euro nodig. Met een relatief dus zeer gering bedrag kan een cruciale stap worden gezet in de richting van een schoon mondiaal energiesysteem.
Een experiment vergelijkbaar met LUMOS wordt momenteel in de Verenigde Staten voorbereid door het bedrijf Terrapower van Bill Gates; de Amerikaanse overheid draagt zo´n 28 miljoen dollar bij aan de totale kosten van zo´n 50 miljoen dollar. LUMOS is vergelijkbaar, maar niet hetzelfde: het richt zich onder meer ook op de toepassing van thorium als brandstof. Uitvoeren van dit experiment zou een enorme stap voorwaarts zijn in de richting van een schoon energiesysteem. LUMOS krijgt echter pas zijn volle betekenis als het experiment plaatsvindt in de juiste context. Die kan worden gecreëerd door het uitvoeren van het DIMOS initiatief in een speciaal daarvoor op te richten organisatie die zich helemaal op deze ontwikkeling kan focussen. Nederland beschikt over de vereiste kennis en ervaring, en het juiste onderzoeksklimaat om een dergelijk initiatief succesvol op gang te brengen. De aanwezige ambitie en het besef dat deze ontwikkeling internationaal een grote impact kan hebben op de toekomstige mondiale energievoorziening maken DIMOS tot een uiterst relevant voorstel voor het haalbaar maken van de energietransitie.
[1]LUMOS staat in een neutronflux, maar is geen ‘kritisch’ systeem, daarin verschilt het van een echte reactor.