Wat is een gesmoltenzoutreactor?

In essentie is een gesmoltenzoutreactor (MSR) een vat heet, vloeibaar zout waarin een kernreactie plaatsvindt. Het zout bevat de kernbrandstof, plus een aantal andere componenten die de reactie optimaliseren, het warmtetransport verzorgen en het zout stabiel houden. Het zoutmengsel is dus tegelijkertijd brandstof en koelmiddel. Hierdoor is een zeer hoge warmteproductie mogelijk. Anders dan in lichtwaterreactoren, het type dat gangbaar is in kerncentrales, kan het vloeibare brandstofmengsel te allen tijde in optimale conditie worden gehouden. (Hargraves & Moir, 2010, pp. 307,308)(Leblanc, 2009, pp. 1644,1645)(Hart, 2011, p. 17)(Serp, et al., 2014).

In detail: de LFTR >>

 

Geschiedenis

De technologie van de gesmoltenzoutreactor is in het midden van de twintigste eeuw ontwikkeld in de VS, bij het Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Dit onderzoeksprogramma mondde uit in het  Molten Salt Reactor Experiment (MSRE) waarbij gedurende zo’n vier jaar een proefreactor heeft gedraaid. Ondanks de veelbelovende resultaten besloot de politiek destijds het experiment niet voort te zetten met de bouw van de eerste grootschalige gesmoltenzoutreactor. Gekozen werd voor het concurrerende programma van de natriumgekoelde snelle kweekreactoren. Er zijn uiteenlopende redenen gegeven voor deze keuze, een aspect waarop de leidinggevende van het programma, Alvin Weinberg, uitgebreid ingaat in zijn autobiografie. De belangrijkste lijkt te zijn geweest dat de wereld op dat moment al de keuze had gemaakt voor de lichtwaterreactor – het type dat tegenwoordig nog steeds de standaard is. Daarmee had de wereld gekozen voor de uranium/plutonium-brandstofcyclus. De natriumgekoelde snelle kweekreactoren pasten in die cyclus, en de heersende overtuiging was destijds dat dit type reactoren vrijwel marktrijp waren. Overschakelen op gesmoltenzoutreactoren zou niet alleen de keuze betekenen voor een andere reactor, maar een andere brandstofcyclus. (MacPherson, 1985).


 

Volop energie

ORNL directeur Alvin Weinberg noteert 6000 uur vol vermogen voor de MSRE proefreactor, in de jaren zestig een record voor welk type kernreactor dan ook. Niet gek voor een eerste proefreactor.

Een 1000MW kerncentrale (plm twee keer ‘Borssele’) zet per dag zo’n 3,2 kilogram splijtstof om in energie. Bij een gewone kerncentale (LWR) moet hiervoor gemiddeld per dag zo’n 680 kilo natuurlijk uranium uit de grond worden gehaald, maar alle energie komt uit die 3,2 kilo splijtstof. Voor een thorium MSR volstaat het winnen van 3,2 kilogram thorium per dag om dezelfde hoeveelheid energie te produceren, om de eenvoudige reden dat thorium volledig in splijtstof kan worden omgezet. (Hargraves & Moir, 2010).

Dit betekent dat 1000 kilogram natuurlijk thorium volstaat om een middelgrote moderne stad een jaar lang van elektriciteit te voorzien. Een hoeveelheid die je kunt vervoeren met een bestelbusje. We hebben het dan over 1 gigawattjaar aan elektriciteit, meer dan het jaarlijkse gebruik van Amsterdam (zo’n 0,6 gigawattjaar). Om diezelfde hoeveelheid elektriciteit te produceren met een kolencentrale zijn 3,3 miljoen ton kolen nodig, een trein vol kolen met een lengte van 570 kilometer.

Hoge efficiency

Er zijn meerdere redenen voor de superieure prestaties die we van thorium-MSR’s verwachten.

Allereerst de uitstekende warmtegeleiding van het gesmolten zout. Hierdoor kun je enorm veel energie snel uit een relatief klein reactorvat afvoeren.

De tweede reden is dat een vloeibaar medium zuiveren mogelijk maakt. Hierdoor kan het brandstofmengsel te allen tijde in optimale conditie worden gehouden. In reactoren met vaste splijtstofstaven kan de brandstof maar ten dele worden benut omdat afvalproducten zich opbouwen in het materiaal. Door deze te verwijderen kan het mengsel ‘schoon opbranden’. 

Juist door die vorige eigenschap, het schoonmaken van het zout, wordt het gebruik van thorium zo interessant. Het thorium moet eerst worden geactiveerd, waardoor uranium 233 ontstaat, een bijzonder goede reactorbrandstof. De MSR verschaft ons toegang tot een overvloedige energiebron, zonder dat daar een probleem van langlevend afval ontstaat. Er ontstaat zo een gesloten brandstofcyclus. En hoewel thorium ook in reactoren met vaste brandstof in een gewone kerncentrale kan worden gebruikt, worden in dat geval deze voordelen niet gehaald.

Een ander belangrijk voordeel van gesmoltenzoutreactoren is dat ze een hoge werktemperatuur hebben, 500 tot 700 graden Celcius. Dat kan voor een veel hogere efficiency zorgen in de elektriciteitsproductie. Ook maakt het nieuw industriële processen mogelijk, bijvoorbeeld goedkopere manieren om waterstof te maken. (Juhasz, et al., 2009, p. 4)(Hargraves & Moir, 2010, p. 311).


 

Inherent veilig

Drie grote historische nucleaire ongelukken (Harrisburg, Tsjernobyl, Fukushima) hebben laten zien dat de belangrijkste zorg de verspreiding betreft van radioactief jodium, cesium en strontium. Deze componenten zijn het product van de nucleaire reactie en worden gevormd in elke reactor, thorium MSR incluis. Andere elementen worden ook gevormd, waaronder molybdeen, ruthenium, krypton en xenon, maar met name jodium, cesium en strontium zijn in staat om zich via de lucht te verspreiden en worden opgenomen door planten, dieren en mensen, waar ze schade kunnen aanrichten.

In gewone kernreactoren zijn deze elementen in normaal bedrijf veilig opgesloten in de splijtstofstaven in het reactorvat. Maar bij een ongeluk kunnen ze vrijkomen.

In gesmoltenzoutreactoren zijn jodium, cesium en strontium – en andere splijtingsproducten – ionisch gebonden in het zoutmengsel. Deze ionische binding is enorm sterk. Het is de reden dat u veilig keukenzout kunt gebruiken. Want al bestaat ongeveer de helft van uw keukenzout uit chloor, en de rest uit het al even onaangename natrium, de ionische binding zorgt er voor dat u het veilig over uw eitje kunt strooien.

In gesmoltenzoutreactoren zorgt deze ionische binding er voor dat alle radioactieve compenten die een gevaar kunnen vormen, veilig in het zout blijven zitten en zich niet door de lucht verspreiden.

MSR veiligheid: de vriesplug

In tegenstelling tot de meeste hedendaagse reactoren staan gesmoltenzoutreactoren niet onder druk en ze bevatten geen water: er is niets aanwezig dat een explosie zou kunnen veroorzaken. De reactor heeft ook geen ander ‘verspreidingsmechanisme’ voor de radioactieve componenten. Uiteraard heeft een gesmoltenzoutreactor wel adequate afscherming nodig, ook om hem tegen impact van buitenaf te beschermen. Een adequaat ontwerp zal met deze aspecten rekening moeten houden.

Het gevaar van een meltdown, het smelten van de kern, is niet aanwezig in gesmoltenzoutreactoren. Om de eenvoudige reden dat de kern al vloeibaar is. De hele structuur is ingericht om deze vloeibare kern veilig te laten circuleren, terwijl deze energie produceert, warmte uitwisselt en in goede conditie wordt gehouden.

Een volgend veiligheidsaspect zit in het gedrag van het zout zelf. Als er via de warmtewisselaar aan de reactor warmte wordt onttrokken, daalt de temperatuur van het zout. Daardoor neemt de dichtheid van het zout toe, waardoor de nucleaire reactie intenser wordt. Is er geen warmtevraag, dan gebeurt het omgekeerde: de temperatuur stijgt, en daardoor neemt de nucleaire reactie af. Dit ‘vraagvolgende’ gedrag is buitengewoon handig als je de reactor in combinatie met wisselende andere bronnen gebruikt, zoals zon en wind. Dit gedrag zorgt ook voor extra veiligheid: stel dat een pomp uitvalt, waardoor de koeling stopt, dan stijgt de temperatuur. Echter maar tot een berekende waarde, omdat dan de reactie stopt.

Als om wat voor reden dan ook de temperatuur verder op zou lopen, treedt een ander, al even basaal veiligheidmechanisme in werking. Dit betreft de zogenaamde ‘vriesplug’, een prop gestold zout dat de afvoerleiding van het reactorvat dichthoudt. Stijgt de temperatuur, dan smelt de plug en loopt het zout veilig in speciale opslagtanks waar de reactie direct stopt. Daar hoeft geen operator aan te pas te komen. De opslagtanks zijn zo ontworpen dat de vervalwarmte gemakkelijk weg kan.

Dit is een belangrijk verschil met bestaande reactoren. Waar bij bestaande reactoren noodstroom noodzakelijk is om een veilige noodstop maken, verloopt de noodstop bij een gesmoltenzoutreactor zonder menselijke tussenkomst. Deze procedure werkte in de jaren 60 zo goed dat het de standaardmanier was om de reactor uit te zetten voor een weekend waarin alle operators afwezig waren.

De hier beschreven eigenschappen maken de gesmoltenzoutreactor inherent veilig: hun veiligheid hangt niet af van toegevoegde mechanismen die adequaat bediend moeten worden om goed te functioneren. Ze zijn daarom ook wel ‘walk away safe’ genoemd: zonder operator sluit de reactor zichzelf veilig af.

Tot slot: door hun kleine voetafdruk kunnen gesmoltenzoutreactoren desgewenst onder de grond worden gebouwd. Hoewel dit optioneel is, biedt ondergrondse bouw extra bescherming tegen impact van buitenaf. (Hargraves & Moir, 2010, p. 310)(Leblanc, 2009, p. 1645)(Juhasz, et al., 2009, p. 4)(Kloosterman, 2016).


 

Een schoon alternatief

Een thorium-MSR produceert zeer weinig nucleair afval. De betere benutting van de brandstof vertaalt zich in nog geringere afvalstromen, die gemakkelijker te managen zijn.

Er zijn belangrijk verschillen tussen de afvalstromen uit een LWR en die uit een MSR. In reactoren met vaste brandstof ontstaat geleidelijk een mengsel van splijtstoffen, actinides en ongebruikte brandstof, waardoor de reactorstaven na verloop van tijd niet meer bruikbaar zijn. Een deel van het materiaal kan nog enkele malen worden hergebruikt, maar uiteindelijk belandt het grotendeels toch in de afvalopslag. De componenten in dit afval hebben heel verschillende profielen voor wat betreft hun stralingsafgifte of ‘radiotoxiciteit’.

Kenmerkend voor afval van een goed ontworpen thorium-MSR is dat deze vrijwel geen ‘actinides’ bevat (bovenste rode lijn). Dat komt omdat in een gesmoltenzoutreactor alle actinides in het zout blijven en daar uiteindelijk wel een keer splijten. Wat overblijft bestaat dan vrijwel geheel uit splijtingsproducten (blauwe lijn). Deze zijn voordat ze de opslag in gaan heel radioactief, maar deze activiteit loopt heel snel terug: na zo’n driehonderd jaar duikt deze al onder de lijn van uraniumerts (gele stippellijn). Dit hele proces is goed voorspelbaar en hanteerbaar.

Simpel gezegd: een gesmoltenzoutreactor is veel beter in staat zijn brandstof helemaal op te gebruiken. Dat levert veel meer energie per kilo materiaal op, en veel minder afval. Daarmee doet de MSR in feite een nieuw maatschappelijk voostel.

Radiotoxiciteit van het afval uit  een LFTR (een bepaald type thorium-MSR) en een PWR (Pressurizede Water Reactor, een variant van de lichtwaterreactor)

Van het afval van een MSR is 99,99 procent stabiel in zo’n 300 jaar, een heel ander uitgangspunt dan de tienduizenden jaren die staan voor afval van conventionele reactoren. Het zeer kleine restant (0,01%) heeft geen significant effect op de radiotoxiciteit. (Hargraves & Moir, 2010, p. 308)(Hart, 2011, p. 17).

Om deze getallen voorstelbaar te maken: om de totale energiebehoefte van de gemiddelde Nederlander te dekken, heb je gemiddeld per jaar zo’n 2,3 gram thorium nodig. Die wordt in de thoriumcentrale omgezet in energie en 2,3 gram splijtstof. Van die 2,3 gram zou iets meer dan 3/4 zo’n tien jaar moeten worden opgeslagen, de rest zo’n driehonderd jaar. Daarna is het stralingsniveau teruggezakt tot onder het niveau van uraniumerts.


 

Geen extra proliferatierisico

Bij nucleaire technologie wordt zorgvuldig toegezien op het zogeheten proliferatierisico, het risico van het verspreiden van nucleaire wapentechnologie. Op het internet wordt veel gespeculeerd over de vraag of gesmoltenzoutreactoren nu wel of niet een extra proliferatierisico vormen. In de debatten worden allerlei ingewikkelde ‘routes’ besproken, met een veelheid aan technische details. Deze debatten zeggen weinig over het proliferatierisico van toekomstige reactoren.

Alvorens we op enkele van de bekendste verhalen ingaan, is het goed om iets te begrijpen van hoe het toezicht werkt op nucleaire technologie. De autoriteiten die hiervoor verantwoordelijk zijn, nemen hun taak uiterst serieus. Als zij niet overtuigd zijn van de proliferatiebestendigheid van een bepaald ontwerp, dan komt er geen vergunning. 

Een belangrijk criterium voor toelating is of een technologie risico toevoegt. Landen die de kennis en infrastructuur hebben voor het ontwikkelen van MSR-technologie, zijn landen die op dit moment al de uraniumcyclus beheersen. Deze landen hebben in principe de technische kennis om wapenmateriaal te produceren, en een MSR voegt geen risico toe.

In het verleden zijn er MSR-ontwerpen ontwikkeld die gericht waren op zo groot mogelijke proliferatiebestendigheid, en waarschijnlijk zullen dergelijke ontwerpen het mogelijk maken reactoren te exporteren naar landen die momenteel niet-nucleair zijn. MSR-ontwerpers zullen soms nieuwe puzzels moeten oplossen om hun ontwerp proliferatiebestendig te maken – de MSR biedt ze ook nieuwe opties waaruit ze kunnen kiezen om hun doel te bereiken.

Er zijn bijvoorbeeld wel discussies gevoerd over de zogenaamde protactinium route, maar ook hier geldt dat MSR’s het risico niet doen toenemen. Voor een bekende beschreven ‘route’ is zelfs helemaal geen MSR nodig.

Wel is het zo dat de thoriumcyclus bepaalde beschermingsmechanismen biedt waarvan ontwerpers gebruik kunnen maken. Bekend is dat in de thoriumcyclus ook uranium 232 geproduceerd wordt, die een harde gammastraling produceert die schadelijk is voor zowel personen als elektronica. In normaal bedrijf in de reactor is dit geen enkel probleem, omdat er in het ontwerp rekening mee wordt gehouden. Maar deze straling maakt onbevoegd gebruik van de splijtstof vrijwel onmogelijk.

Een ander mogelijk beschermingsmechanisme heeft te maken met de geringe hoeveelheid nucleaire brandstof in de reactor. Het verwijderen van een kleine hoeveelheid splijtstof is direct zichtbaar in de reactiviteit van de reactor. Een laatste mogelijkheid die we hier noemen is het achter de hand houden van een lading ‘fuel poison’, die de splijtstof direct onbruikbaar maakt en die desgewenst door een operator op afstand kan worden toegevoegd. (Leblanc, 2009)(Hargraves & Moir, 2010).


 

MSR werkt prima samen met zon en wind

In het verleden werden kerncentrales vaak ontworpen om voor het elektriciteitsnet basislast te produceren, meestal ´baseload´ genoemd: het soort centrales dat altijd aan staat. Andere zijn ontworpen om de vraag te volgen, die in Borssele is hiervan een voorbeeld. Dus dat MSR’s dit ook kunnen is niet nieuw, maar ze voegen wel een aspect toe: MSR’s zijn vraagvolgend vanuit hun inherente eigenschappen, die hierboven bij ‘veiligheid’ al zijn beschreven. Dit maakt het mogelijk om heel soepel samen te werken met wisselende bronnen zoals energie uit zon en wind. Dit betekent dat MSR een dringend obstakel kunnen opruimen in de energietransitie: het feit dat de zon niet altijd schijnt en de wind niet altijd waait. De dalende of stijgende vraag volgen kan een MSR zelfs zonder tussenkomst van een operator. Of deze diensten economisch rendabel geleverd kunnen worden, zal afhangen van hoe de marktregels zijn.

MSR’s zullen daarnaast uitstekend geschikt zijn voor waterstofproductie. Door hun hoge temperatuur kunnen MSR’s waarschijnlijk op veel goedkopere wijze waterstof produceren dan nu mogelijk is. De basis hiervoor is High Temperature Steam Electrolysis (HTSE). Bij deze productiewijze wordt stoom tot hoge temperatuur gebracht, waardoor de electrolyse per kg waterstof aanmerklijk minder elektriciteit vergt. In combinatie met de lage elektriciteitskosten van MSR’s ontstaan hieruit nieuwe mogelijkheden voor optimalisatie van een duurzaam elektriciteitssysteem. Ook kan dit de basis vormen voor economisch haalbare productie van synthetische CO2-vrije vloeibare brandstoffen.

Solar power intermittency

Door hun inherente veiligheid zullen ze dichter bij bevolkte gebieden gebouwd kunnen worden dan de huidige centrales. Door het extreem lage materiaalgebruik van MSR’s kan het hoge materiaalgebruik per kWh van zon- en windenergie gecompenseerd worden, en ontstaat een zeer duurzame energievoorziening. (Hargraves & Moir, 2010).

MSR’s kunnen warmte leveren voor toepassingen die moeilijk te ontkolen zijn

Onderstaand diagram van het Amerikaans Lawrence Livermore National Laboratory laat zien hoeveel groter het energiesysteem is dan alleen ‘elektriciteit’. Het laat ook zien dat hele sectoren nog maar nauwelijks geraakt worden door ‘hernieuwbaren’. Hoewel de maat hier ‘quads’ is, kun je het ook lezen als procenten. Dan zijn de cijfers vergelijkbaar met het Europese energiesysteem.

De primaire energie van een MSR is de hitte die het gesmolten zout afgeeft bij een temperatuur van 550 tot 700 graden Celcius. Met deze temperatuur kan op een aanzienlijk efficientere manier elektriciteit worden gemaakt dan bij de huidige turbines mogelijk is. Warmte-kracht-koppeling behoort eveneens tot de mogelijkheden, net als stadsverwarming – waarbij de temperatuur via warmtewisselaars uiteraard op een lager niveau kan worden gebracht.

De hoge temperatuur kan ook rechtstreeks worden gebruikt voor industriële toepassingen. Door de hoge temperatuur komt een groot deel van de toepassingen waarnaar het roze vlak verwijst waarin ‘24.5’ staat, binnen bereik. Meer hierover in ‘Schone Industriele warmte’ onder de link.


 

Kosten

Er zijn veel redenen om aan te nemen dat thoriumcentrales aanzienlijk goedkoper elektriciteit kunnen produceren dan tegenwoordige reactoren. Factoren die daaraan bijdragen zijn de compactere en in veel opzichten eenvoudiger constructie, minder kostbare veiligheidssystemen, modulaire constructie, eenvoudiger behandeling van brandstof, geringere afvalstromen, en het grote potentieel aan afzetmogelijkheden voor hoge kwaliteit warmte. Het naar verhouding zeer compacte reactorvat maakt bovendien fabrieksmatige serieproductie mogelijk. In principe kan dit op termijn een voor een sterke kostendaling zorgen.

Dat neemt niet weg dat de ontwikkelingskosten van deze nieuwe nucleaire technologie, inclusief het ontwikkelen van een adequaat toelatingskader, aanzienlijk zullen zijn. (Moir, 2001, p. 94)(Leblanc, 2009)(Hargraves & Moir, 2010).

Want hoewel de resultaten van de proefreactor van het Molten Salt Reactor Experiment de werking overtuigend aantoonden, volstaat het voor toezichthouders in onze tijd niet om eenvoudigweg te verwijzen naar de experimenten uit de jaren zestig – hoe gedetailleerd de bewaarde rapporten en verslagen ook mogen zijn. In onze tijd zullen nieuwe nucleaire materiaaltests nodig zijn, moet hands-on kennis opnieuw worden opgebouwd, en hoe overtuigend virtuele modellen er ook uit mogen zien, voor het valideren hiervan zijn nucleaire tests onmisbaar. Lage elektriciteitskosten dienen het doel te zijn van het uiteindelijke ontwerpproces: de operationele kosten van MSR’s zullen sterk dalen door modulaire, gestandaardiseerde ontwerpen die in een industrieel proces kunnen worden gebouwd.

 

Uitdagingen

Uit het Molten Salt Reactor Experiment (MSRE) kwamen geen fundamentele bezwaren naar voren die grootschalige uitrol in de weg zouden kunnen staan. De betrokken onderzoekers beschouwden de MSRE-reactor als een groot en overtuigend succes. Enkele materiaalkwesties kwamen na afloop van het langdurige experiment aan het licht, maar deze werden grotendeels opgelost gedurende en kort na het experiment. Maar het is evident dat er meer onderzoek nodig is. Allereerst is het uitgesloten dat toezichthouders genoegen zouden nemen met verwijzingen naar experimenten uit de jaren zestig. Alle materialen van de reactor zullen volgens de tegenwoordig geldende richtlijnen nucleair getest moeten worden onder representatieve condities. Wat ook heel logisch is, willen we een reactor kunnen bouwen waarvan we precies weten hoe lang die mee gaat.

Eén van de technische uitdagingen is het ontwikkelen van materialen en processen om het zout veilig te gebruiken en het schoon te kunnen maken. Ook zal nog goed gekeken moeten worden naar de structurele materialen, de bewerking ervan en dit alles geschikt te maken voor het langdurige gebruik in de extreme condities die heersen in het reactorvat. Andere uitdagingen zijn de beperkte levensduur van het grafiet, een belangrijk onderdeel van het reactorvat, en de beschikbaarheid van voldoende brandstof om een groter aantal MSR’s op te starten als de reactor eenmaal is ontwikkeld. De ontwikkeltijd valt eigenlijk niet in te schatten, maar zeker is dat als we niet beginnen, de reactor er niet komt. (Kasten, 1969, p. 1)(Macpherson 1985)(Le Blanc, 2009)(Delpech, et al., 2009)(Serp, et al., 2014)(Sietsma, 2015)(Kloosterman, 2016).

De grootste uitdaging is echter het ontbreken van een toelatingskader voor MSR-systemen. Dit kader zal vanaf de grond moeten worden opgebouwd, maar kan pas worden gecompleteerd op basis van finale ontwerpen. Die zijn er op dit moment nog niet. Deze hobbel kan wellicht genomen worden door het simultaan ontwikkelen van numerieke modellen, die gevalideerd dienen te worden door nucleaire tests van een werkend modelsysteem. Doel van het Nederlandse plan LUMOS is om een dergelijk modelsysteem te testen in de Hoge Flux Reactor in Petten. Een dergelijke test zou voor het internationele onderzoek naar gesmoltenzoutreactoren van doorslaggevende betekenis kunnen zijn.

 

DIMOS, het Nederlandse versnellingsplan

Nederland is één van de weinige landen die over een materiaaltestreactor beschikt met een aanzienlijk vermogen. De Hoge Flux Reactor (HFR) heeft daarbij ook nog eens een unieke faciliteit: een testplatform pal naast de reactorkern. Nederlandse onderzoekers hebben het plan ontwikkeld om hierop een soort mini-gesmoltenzoutreactor te plaatsen, waarin splijtstofzouten kunnen rondstromen in een stralingsveld. Hierdoor ontstaan dezelfde condities die zullen heersen in een gesmoltenzoutreactor. Door deze ‘LUMOS’ faciliteit vol te hangen met meetapparatuur kunnen de onderzoekers snel een grondig inzicht verwerven in de processen en het gedrag van de cruciale materialen.
Mogelijk is dit de enige manier om toezichthouders vooraf de zekerheid te geven dat gesmoltenzoutreactoren veilige en toekomstbestendige energiesystemen zullen zijn. Nederland heeft hiermee een unieke kans, en daarmee een verantwoordelijkheid naar een wereld die dringend behoefte heeft aan schone, veilige, betaalbare, CO2-vrije energie.