In detail: Schonere Kernenergie
Het kernafval dat wordt geproduceerd in een traditionele kerncentrale moet worden opgeslagen in een goed afgesloten locatie voor vele duizenden jaren. Voor veel mensen is dit één van de belangrijkste argumenten om tegen kernenergie te zijn.
Er is echter een opmerkelijk verschil tussen traditionele kernsplijting met uraniummetaal als brandstof en die met vloeibare zouten. De radiotoxiteit van bijna alle splijtingsproducten bij vloeibare thoriumfluoride zal veel sneller tot aanvaardbare niveau’s zijn afgenomen. Zoals is te zien in de grafiek hieronder zal de radiotoxiteit binnen 300 jaar met een factor 10,000 zijn gedaald tot onder het niveau van uraniumerts. Het verschil tussen de twee brandstofcycli zal in één van de andere secties van deze website verder worden uitgelegd.
Brandstofgebruik in Lichtwaterreactoren (LWR)
Het meest voorkomende reactortype dat wereldwijd in bedrijf is, wordt de lichtwaterreactor (LWR) genoemd. Het uranium dat in lichtwaterreactoren wordt gebruikt is verrijkt, wat betekent dat het ongeveer 4% 235U en 96% 238U bevat. Het grootste deel van deze 238U kan niet worden gebruikt door de lichtwaterreactor en blijft over nadat de brandstof is verbruikt. Een klein percentage van de 238U wordt omgezet in splijtbaar plutonium, en hoewel het percentage klein is, levert dit kleine percentage na een bedrijfscyclus van 3 jaar ongeveer 30% van de splijtingskracht. 238U bevat in principe ongeveer dezelfde hoeveelheid energie als 235U, maar de energie-inhoud van 238U kan alleen worden gebruikt met een ander type reactor, de zogenaamde “snelle reactor”, een technologie die in de westerse wereld over het algemeen onvoldoende beleidsondersteuning heeft . Het gebruik van een lichtwaterreactor, zonder de beschikbaarheid van snelle reactoren, impliceert echter dat de huidige nucleaire technologie slechts een fractie van de energie-inhoud van het natuurlijke uranium gebruikt en dat de splijtstofkringloop niet gesloten is.
Een reactor met gesmolten thoriumzout daarentegen gebruikt alle energie-inhoud van het natuurlijke thorium. Dit houdt in dat thorium gesmoltenzoutreactoren in staat zijn om een gesloten splijtstofcyclus te creëren, met reactoren die in het thermische neutronen spectrum werken.
Een andere reden waarom de op vaste brandstof gebaseerde technologie van lichtwaterreactoren niet optimaal geschikt is om alle brandstof te verbranden, is de ophoping van contraproductieve splijtingsbijproducten in de brandstofstaaf, zoals het gas xenon. Xenon-135 heeft een grote neiging om vrije neutronen te absorberen, wat de kettingreactie van het splijtingsproces verstoort omdat geabsorbeerde neutronen de kernen van andere atomen niet zullen raken om de nucleaire kettingreactie in stand te houden. Onderstaande afbeelding (gebruikt met toestemming van Flibe Energy) toont de samenstelling van gebruikte kernbrandstof (Spent Nuclear Fuel SNF) aan het einde van de splijtstofcyclus van ongeveer 3 jaar in een lichtwaterreactor.
Gebruikte splijtstofstaven bestaan voor het grootste deel uit onveranderd uranium (95%), de rest bestaat uit een mengsel van splijtingsproducten en transuranen zoals plutonium, americium, neptunium en curium, die zich in de splijtstofstaven hebben gevormd. Na opwerking, waarbij de U en Pu worden geëxtraheerd, moet de rest tienduizenden jaren veilig worden bewaard (Hargraves & Moir, 2010, p. 305).
Gesmoltenzoutreactoren
Terwijl vaste brandstofstaven moeten worden verwijderd vanwege stralingsschade lang voordat alle brandstof is gebruikt, heeft het vloeibare fluoride van een MSR hier geen last van. Hierdoor kan de brandstof in de reactor blijven totdat al het splijtbare materiaal is opgebruikt. De splijtingsproducten die gemakkelijk fluoriden vormen, kunnen in de brandstof achterblijven, met name jodium, cesium en strontium. Een fractie van de edele metalen kan apart worden afgevangen en afgevoerd. Transuranen die worden gevormd, kunnen ook in de reactor blijven totdat ook zij splijten en worden verbrand. Gasvormige splijtingsproducten kunnen tijdens bedrijf relatief eenvoudig worden verwijderd. Xenon, een gas dat de efficiëntie van de kernreactie vermindert (omdat het neutronen absorbeert die anders de kettingreactie in stand houden), borrelt bijvoorbeeld gewoon uit de vloeibare brandstofoplossing, waarna het veilig kan worden opgevangen totdat het vergaat (LeBlanc, 2009, p. 1645), (Hargraves & Moir, 2010, p. 308), (Hart, 2011, p. 17).
Conversiesnelheid
Gesmolten zoutreactoren zijn veel efficiënter in het omzetten van brandstof in energie dan traditionele reactoren. In tegenstelling tot een LWR verbrandt een thorium MSR al zijn brandstof. Hetzelfde kan gezegd worden over snelle reactoren die gebruikmaken van de U-Pu-brandstofcyclus, maar MSR’s bereiken hetzelfde brandstofrendement in het thermische spectrum. De tweede reden voor de hogere brandstofconversie-efficiëntie is de hoge bedrijfstemperatuur van de MSR, die een omzettingspercentage van thermische naar elektrische energie van 45-50% mogelijk maakt in plaats van de 30-35% van de huidige LWR’s. De hoge temperaturen openen ook nieuwe mogelijkheden voor industriële warmtetoepassingen.
Onderstaande figuur geeft een vergelijking tussen de jaarlijkse hoeveelheid benodigde grondstof en afvalproductie voor de traditionele uranium/Licht Water Reactor (LWR) brandstofcyclus en de thorium/LFTR brandstofcyclus om dezelfde hoeveelheid energie te produceren.
De typische uranium/LWR-brandstofcyclus begint met 250 ton natuurlijk uranium per jaar voor de productie van een GigaWatt-jaar elektriciteit. Hieruit wordt 35 ton verrijkt uranium gewonnen met daarin 1,15 ton bruikbare 235U. Wat er na gebruik in de reactor uitkomt, is 35 ton verbruikte splijtstof (SNF). Deze 35 ton bevat 33,4 ton of 238U, 0,3 ton 235U, 1 ton splijtingsbijproducten en 0,3 ton of 300 kg plutonium. Afhankelijk van het land kan de SNF opnieuw worden verwerkt en de U en Pu worden opgehaald. De resterende fractie bestaat uit splijtingsproducten en actiniden – dit is de fractie die wordt verglaasd en voor lange termijn moet worden bewaard. In de thoriumbrandstofcyclus wordt 1 ton thorium in zijn geheel gebruikt en wat er na gebruik in de reactor uitkomt, is een ton splijtingsproducten, waarvan 83% stabiel is in slechts 10 jaar, de andere 17% in ongeveer 300 jaar . De hoeveelheid plutonium in dit afval wordt geschat op 0,01% of 0,0001 ton of 100 gram per GigaWatt-jaar (Juhasz, et al., 2009) (Hargraves & Moir, 2010) (World Nuclear Association, 2012).