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 soort miniatuur-gesmoltenzoutreactor, genaamd LUMOS, die in het stralingsveld vlak naast de reactor wordt geplaatst.

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 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 het ontwerp en de bouw van een soort miniatuur-gesmoltenzoutreactor[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: het splijtstofzout in een ring van Hastelloy, en nikkellegering, daar omheen een laag staal, en de buitenste laag is aluminium. Dit 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 zorgen er voor dat in LUMOS de splijtingsreacties op gang komen. Zo kunnen op relatief eenvoudige wijze belangrijke experimenten worden uitgevoerd onder realistische condities. 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. De eerste resultaten hiervan worden in de loop van 2019 verwacht.

Het karige budget waarvan de onderzoekers op dit moment gebruik maken 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.