De Wiki Blog - Waarom is de chemie van een thoriumreactor uitdagend?

Page / - laatst gewijzigd door Gijs Zwartsenberg op 2021/05/04 14:42

Waarom is de chemie van een thoriumreactor uitdagend?

laatst gewijzigd door Gijs Zwartsenberg

op 2021/05/04 14:42

Inhoudsopgave

Auteur: Gijs Zwartsenberg

Terwijl de hype rond 'thorium' een beetje geluwd lijkt, gaan de ontwikkelingen voort. Investeerders zien kansen, maar willen vooral ook begrijpen waarin ze investeren.

We kregen de vraag wat het bouwen van een thoriumreactor chemisch gesproken nu eigenlijk zo ingewikkeld maakt. Best een goeie vraag eigenlijk. Om hem te beantwoorden moeten we naar de basics van de kernreactie.

Inhoudsopgave:

De stukjes van de puzzel

Chemische eigenschappen én 'neutronische eigenschappen'

De puzzel: een gunstige neutroneneconomie

Snelle en langzame neutronen

Neutronengif

Meer over moderatie

Startlading

Dan maar direct snelle reactoren?

Conclusie: geen gemakkelijke, wel een oplosbare puzzel

Referenties:

De stukjes van de puzzel

Of je nu energie opwekt in de kerncentrale van Borssele of dat straks doet in een gesmoltenzoutreactor, de kernsplijtingsreactie is waar alles om draait. Wat je daarvoor nodig hebt is een splijtbare kern (hier uranium 235, wat ze in bv Borssele gebruiken) en een vrij neutron (het kleine blauwe balletje bovenaan in de tekening). Na een korte tussenstap (hier uranium 236) vliegt de instabiel geworden kern uit elkaar in twee ongelijke brokstukken (getekend staan krypton 92 en barium 141). De laatste zijn voorbeelden van wat er kan ontstaan, het kan ook een ander duo van elementen zijn. Daar komen we zo op terug. Eerst nog even kijken wat onderaan gebeurt: daar vliegen 3 neutronen weg: die kunnen nu de volgende reactie op gang brengen. Maar we moeten ook nog even stilstaan bij het flitsje tussen die brokstukken. Dat is de energie die vrijkomt. Daar is het bij een kernreactor allemaal om begonnen. Dat flitsje staat voor een kolossale hoeveelheid energie: ongeveer een miljoen keer meer dan er vrijkomt bij bijvoorbeeld de verbranding van een molecuul aardgas (CH4).

Als we het bovenstaande plaatje algemener maken heb je dus nodig: een splijtbare kern en een neutron. En je moet overhouden: neutronen om de volgende splijting te veroorzaken. Het bovenste deel van deze afbeelding geeft dat algemenere plaatje. Hier komt het neutron van links en de tussenstap is weggelaten. De zware kern heet hier gewoon U. De brokstukken heten 'Fp' - wat staat voor 'fission product' ofwel splijtingsproduct: dit zijn letterlijk de producten van een splijting. Brokstukken en fission products zijn hier namen voor hetzelfde. Voor we verder gaan eerst nog even kijken naar het onderste plaatje. Dat kan namelijk óók gebeuren: dat een zware kern wel een neutron 'vangt', maar vervolgens niet splijt. Dan houd je een iets zwaardere kern over (U+n). Het wel of niet splijten van een kern hangt van veel dingen af, in de eerste plaats van wat voor kern het was. Maar er speelt ook een toevalsfactor een rol: per kern verschilt de kans op wat er precies gebeurt. Maar onthoud dat er twee dingen kunnen gebeuren: de kern kan splijten of één neutron zwaarder worden.

Chemische eigenschappen én 'neutronische eigenschappen'

Welke brokstukken er precies ontstaan, is ook een kwestie van toeval. Sommige brokstukken ontstaan heel vaak, andere heel zelden. Dat betekent dat bij iedere kernsplijting een hele reeks verschillende chemische elementen kan ontstaan. Ze hebben met elkaar gemeen dat het allemaal instabiele versies zijn van bekende chemische elementen. Dat ze instabiel zijn, betekent dat ze vervallen tot andere elementen. Het betekent ook dat ze radioactief zijn. Een belangrijk kenmerk van die twee brokstukken is dat ze verschillend van gewicht zijn. Er is inmiddels goed bekend welke brokstukken het vaakst ontstaan, en in welke verhoudingen. Het maakt niet veel uit met welke splijtbare kern je begon: vrijwel dezelfde stoffen ontstaan, in iets gewijzigde verhoudingen.

Daar kun je een mooie grafiek van maken, een grafiek die twee bulten heeft. Deze geeft de waarschijnlijkheid aan van het ontstaan van een bepaald element. We zien dus elementen ontstaan met een atoomgewicht van zo'n beetje tussen de 80 en de 150, en de pieken zitten zo'n beetje bij krypton (de eerste piek) en barium (de tweede piek). Het is dus niet overdreven om te zeggen dat na verloop van tijd 'het halve periodieke systeem in je reactor zit', zoals Jan Leen Kloosterman het eens formuleerde. Het zijn allemaal instabiele elementen, maar zo lang ze bestaan hebben ze de chemische eigenschappen van het element in kwestie. Maar ze hebben óók zogeheten 'neutronische eigenschappen'. Dat wil zeggen: ze beïnvloeden óók de kernreactie. Hetzelfde geldt trouwens voor die niet-splijtende kernen. En sommige elementen hebben daar een onverwacht grote invloed op. En dat is van belang voor de beantwoording van de vraag waarom thoriumreactoren chemisch ingewikkeld zijn.

Goed, thorium. Waarom kunnen we thorium niet gewoon in een reactor stoppen en direct beginnen energie te produceren? Dat komt omdat thorium van zichzelf niet splijtbaar is. Thorium is niet splijtbaar, maar je kunt er splijtstof van maken. Daar heb je een neutron voor nodig. In het plaatje begint dit proces onderaan waar thorium 232 (dat is het van nature voorkomende thorium) een neutron vangt. Het verandert dan in thorium 233, dat vrij snel vervalt tot protactinium 233. Dat protactinium 233 doet er vervolgens wat langer over om te vervallen tot uranium 233. En presto, uranium 233 is splijtbaar! Dus je krijgt voor je neutron uiteindelijk een splijtbare isotoop terug.

De puzzel: een gunstige neutroneneconomie

Hier aangekomen moeten we een begrip introduceren dat essentieel is voor een goed werkende reactor: de neutron-economie. Dat is namelijk de vraag waar alles om draait bij reactorontwerp: hoe slaag ik er in de reactie op gang te brengen en op gang te houden. Hoe beter de economie van de neutronen is, hoe beter je daarin slaagt. De 'heilige graal' is om je splijtbare materiaal helemaal 'op' te maken, dat wil zeggen helemaal om te zetten in energie. Een dubbele bonus heb je als je er in slaagt niet alleen je splijtbare materiaal helemaal op te maken, maar ook je 'kweekbare' materiaal helemaal om te zetten in splijtstof. Dat is de heilige graal voor thoriumreactoren.

Wie naar het plaatje hier boven kijkt, begrijpt dat voor het produceren van één splijtbare kern uranium 233 één neutron nodig is. Geen probleem zou je denken, bij de U233 zien we nog 'twee of drie' neutronen wegvliegen, dus je zou zeggen dat je genoeg neutronen overhoudt om het proces voort te zetten. Maar helaas is het ingewikkelder dan dat. Even terug naar het begin van de cyclus. Eén neutron heb je nodig om thorium om te zetten in uranium 233. Het tweede neutron heb je nodig om het uranium te splijten. Je hebt er dus sowieso minimaal twee nodig, als die twee stappen honderd procent efficiënt zouden verlopen. Maar die stappen zijn niet honderd procent efficiënt. En daar begint het ingewikkeld te worden.

Gelukkig komen er per splijtende uranium 233-kern soms ook drie in plaats van twee neutronen vrij. Gemiddeld zijn het er 2,48 per splijting. Maar de neutronen die vrijkomen, kunnen allerlei hinder ondervinden, waardoor ze niet voor bovenstaande reacties beschikbaar zijn. Ze kunnen bijvoorbeeld buiten het reactie-gebied terechtkomen. Of een zware kern kan ze opnemen, zonder dat er splijting volgt. Ze kunnen ook worden opgenomen door veel andere materialen die zich in de kern bevinden, zoals de splijtingsproducten waarover we spraken.

Snelle en langzame neutronen

We voegen nog een element aan onze puzzel toe, en dat is de snelheid van de neutronen. Bij het vrijkomen uit de splijtingsreactie zijn neutronen enorm snel: een flink deel van de lichtsnelheid. Het gekke van neutronen is dat ze beter een splijtingsreactie teweeg brengen als ze langzaam gaan. Om ze af te remmen worden speciale materialen in de reactor gebruikt: moderatoren. Bij gesmoltenzoutreactoren die werken met langzame neutronen is dat met name grafiet: van dit materiaal moet veel in de kern aanwezig zijn om de neutronen voldoende af te remmen. Maar andere stoffen in de kern hebben ook zo'n afremmend effect. Lichte atomen zoals van beryllium of lithium zijn hiervoor geschikt. Deze zijn vaak onderdeel van het zoutmengsel.

Nog een element om aan onze puzzel toe te voegen is de snelheid waarmee kweekstof wordt omgezet in spijtstof, de zogenaamde 'conversie ratio'. Je kunt wel nagaan dat als je met een hoeveelheid splijtbaar materiaal de reactie op gang brengt (de zogenaamde 'startbelading', waarover zo meer), dat je eigenlijk wilt dat er uit de reactie een beetje meer uranium 233 ontstaat dan je direct gebruikt. Hoeveel meer uranium 233 ontstaat wordt uitgedrukt in de zogenaamde 'verdubbelingstijd': hoe veel tijd kost het om in je reactor de hoeveelheid splijtbaar materiaal te laten verdubbelen. Dat is dan uiteindelijk een maat voor de neutroneneconomie in een thoriumreactor: hou beter je neutroneneconomie, hoe korter je verdubbelingstijd.

Nu is het helaas zo dat de thoriumcyclus zelf een fikse uitdaging veroorzaakt voor de neutroneneconomie, namelijk door protactinium 233 te produceren. Dat heeft een enorm absorptievermogen voor neutronen. Het liefste zorg je er dus voor dat het protactinium uit de buurt van de neutronen blijft, of vice versa. Dit is één van de redenen waarom reactorontwerpers reinigings-units aan hun ontwerpen voor gesmoltenzoutreactoren toevoegen. Ook hier gaat het dus weer om die neutroneneconomie.

Neutronengif

Dergelijke verstoorders van de neutroneconomie worden ook wel 'neutrongif' genoemd. Er zijn ook diverse splijtingsproducten die die naam verdienen. Voorbeelden zijn cesium 133, ruthenium 101, rodium 103 en technetium 99. Voor elk van deze elementen kunnen afwegingen worden gemaakt: is het mogelijk ze uit het mengsel te verwijderen? Wat levert dat neutronisch gesproken op? En creëert het verwijderen misschien nieuwe problemen? Zo kan het verwijderen van protactinium een proliferatierisico opleveren: als het mogelijk zou zijn protactinium ongemerkt te verwijderen, zou wellicht een mogelijkheid opleveren aan uranium met een hoog percentage 233 te komen, wat onwenselijk is.

Gelukkig zijn sommige neutrongiffen juist relatief gemakkelijk uit het gesmolten zout te verwijderen. Een voorbeeld daarvan is xenon 135, een vervalproduct dat ontstaat na kernsplijting. Xenon is een edelgas, en het zoutmengsel kan daarvan worden ontdaan door heliumbelletjes door het mengsel te laten bubbelen - het xenon komt dan vanzelf mee en kan worden afgevoerd. Sommige reactorontwerpers denken dat je wellicht meer gebruik zou kunnen maken van het reinigen door middel van helium. Het is namelijk zo dat de meeste splijtingsproducten in hun vervalproces op enig moment een edelgas zijn, en je ze op dat moment gemakkelijk kunt verwijderen. Echter, omdat het moment waarop een splijtingsproduct een edelgas is soms maar kort duurt, moet het spoelen met helium intensief gebeuren. Om deze reden willen ze, in plaats van belletjes helium door het zout te bubbelen, het gesmolten zout in een stroom helium verstuiven - waardoor de geringe concentraties edelgas toch worden afgevoerd.

Het moge inmiddels duidelijk worden dat het optimaliseren van de neutroneconomie DE grote puzzel is die reactorontwerpers hebben op te lossen. Naast de al genoemde willen we nog twee andere mogelijkheden naar voren brengen waarmee ze de uitkomst kunnen beïnvloeden. Dat zijn de mate waarin neutronen in de reactor worden afgeremd, ofwel de moderatie, en de configuratie van de reactor.

Meer over moderatie

De moderatie van neutronen, het afremmen er van, is een belangrijk gegeven. Al eerder is gezegd dat de interactie van langzame neutronen met de kernen die ze tegenkomen, heel anders is dan die van de snelle neutronen die vrijkomen bij de splijting. Over het algemeen kun je zeggen dat langzame of 'thermische' neutronen efficiënter zijn te gebruiken dan snelle neutronen: ze leveren vaker nuttige botsingen op. Je kunt dus met minder neutronen toe in je reactor. Om die moderatie tot stand te brengen in een gesmoltenzoutreactor is grafiet het aangewezen materiaal. Er is heel wat grafiet voor nodig om dat goed te doen, daarom bestaat de reactorkern van een gesmoltenzoutreactor voor meer dan 80% uit grafiet. Maar omdat de marges van de neutroneneconomie zo dun zijn, is ook de keuze van andere materialen van belang voor de moderatie in de reactor. Dit is bijvoorbeeld de reden van de keuze voor beryllium als onderdeel van het zout. Het is ook de reden van de keuze voor lithium in het zout. Met lithium haal je dan weer een nieuw probleem in je reactor, natuurlijk lithium bestaat uit voor een klein deel uit lithium 6. Om het geschikt voor gebruik in de reactor te maken moet het lithium 7 gehalte worden opgehoogd, ofwel 'verrijkt', tot bijna 100 procent.

De configuratie tenslotte gaat over hoe de reactor ruimtelijk in elkaar steekt. De beste vorm voor een reactor, als het alleen om de neutronen zou gaan, is een bolvorm, omdat er dan zo min mogelijk oppervlak is waar doorheen neutronen kunnen weglekken. Dit is de reden dat experimentele reactoren in de jaren veertig, vijftig en zestig van de vorige eeuw, vaak de bolvorm hadden of benaderden. In moderne reactoren zien we dat die bolvorm is opgevolgd door de cilindervorm, dat is bijvoorbeeld te zien in de wijze waarop splijtstofbundels in bestaande reactoren zijn gerangschikt. Heel praktisch, omdat je een cilinder van boven- en onderaf gemakkelijk kunt benaderen.

Startlading

In het bovenstaande verhaal is er steeds van uit gegaan dat er neutronen zijn om het proces te starten. Maar wil je thorium gebruiken, dan kun je daar dus niet mee beginnen, want thorium splijt niet spontaan, er dus thorium levert niet de neutronen om mee te werken. De natuur levert ons slechts één isotoop die wel een enkele keer spontaan splijt, en dat is uranium 235. Dat is dan ook een kandidaat voor de zogenaamde 'startlading', waarmee we een thoriumcyclus op gang zouden kunnen brengen. Een nadeel daarvan is dat je daarmee ook altijd een deel uranium 238 in de reactor brengt, wat verderop in het proces voor extra complicaties kan zorgen.

Een heel interessante mogelijke kandidaat als startlading voor gesmoltenzoutreactoren is dan ook het plutonium dat als onvermijdelijk bijproduct wordt geproduceerd in bestaande reactoren. In landen zoals Frankrijk, die dergelijk plutonium uit de afgewerkte kernbrandstof halen en apart opslaan, is hiervan een aanzienlijke voorraad beschikbaar, die inzetbaar is als startlading voor gesmoltenzoutreactoren. In landen zoals Frankrijk is in feite zelfs een overvloed aan plutonium aanwezig die voor dit doel kan worden ingezet. Dat betekent dat er voor het lastige probleem van de 'verdubbelingstijd' een relatief eenvoudige oplossing bestaat: gebruik maken van voldoende aanwezig splijtbaar materiaal. Het lijkt namelijk wel goed mogelijk om te 'isobreeden', wat betekent dat je net zoveel splijtbaar materiaal in je reactor produceert als je gebruikt.

Uiteraard is het ook mogelijk de reactor te bedrijven met 'gewoon' verrijkt uranium. Dat lijkt vooralsnog de eenvoudigste manier om de eerste werkende gesmoltenzoutreactor te bouwen.

Dan maar direct snelle reactoren?

Bij het hele verhaal zoals we het tot nu toe verteld hebben, zijn we uitgegaan van het bouwen van een reactorsysteem met langzame of 'thermische' neutronen. Reactorbouwers noemen dat daarom thermische reactoren. Het voordeel daarvan is dat je met relatief weinig neutronen toe kunt. Maar het is ook mogelijk om een reactor te bouwen die wél met snelle neutronen uit de voeten kan. Dat heeft grote voordelen. Om te beginnen hoef je geen moderator in te bouwen. Dat lost direct aantal problemen op. Ook is je reactor veel minder kieskeurig welke zouten je gebruikt in het reactorvat. Bij een snel reactorsysteem kun je zelfs gewoon keukenzout daarvoor gebruiken. Dus waarom niet al die problemen opzij schuiven en direct een snelle reactor bouwen?

U zult inmiddels al vermoeden: als het zo eenvoudig was, was het al lang gedaan. Met het ontwerpen van een snelle gesmoltenzoutreactor introduceert de ontwerper namelijk een nieuwe set problemen. Die echter nog lastiger uit te leggen zijn. Het eerste is nog vrij eenvoudig. Doordat snelle neutronen minder efficiënt zijn, heb je er meer van nodig om de reactor op gang te brengen, en te houden. Daarom heb je een aanzienlijk hogere brandstofdichtheid nodig dan in een thermische reactor. Experts schatten een factor drie tot zes. Dat hoeft geen probleem te zijn, maar je moet wel zeker weten dat je de opgewekte warmte altijd voldoende kunt afvoeren.

Bij de volgende reden wordt het direct al ingewikkelder. Die heeft ermee te maken dat bij de kernreactie in een thermische reactor niet alle neutronen in één keer vrijkomen. Een aantal doet dat met vertraging, en dat maakt het gemakkelijker om het systeem te allen tijde stabiel te houden. Vice versa zorgt het lagere aandeel 'vertraagde neutronen' ervoor dat het lastiger is om een reactor te ontwerpen die onder alle omstandigheden stabiel reageert. In de praktijk zal dat waarschijnlijk betekenen dat snelle gesmoltenzoutreactoren, zeker ook door de hogere brandstofdichtheid die we hierboven beschreven, waarschijnlijk in wat geringere vermogens gebouwd zullen worden. Overigens hoeft dat laatste geen nadeel te zijn: de verschuiving die we ook bij 'gewone' lichtwaterreactoren zien van zeer grote naar veel kleinere reactoren, de zogenaamde Small Modular Reactors, zal waarschijnlijk ook voor gesmoltenzoutreactoren gaan gelden.

Conclusie: geen gemakkelijke, wel een oplosbare puzzel

De oorspronkelijke vraag waarop dit artikel in wilde gaan was waarom het ontwikkelen van een gesmoltenzoutreactor die op thorium draait een ingewikkelde chemische puzzel is. Het artikel heeft hopelijk iets duidelijk gemaakt over hoe complex het is de neutronische puzzel op te lossen. Daarbij zijn nog lang niet alle puzzels aan de orde geweest. Immers, de oplossing van de neutronische puzzel zal ook nog eens moeten plaatsvinden binnen alle beperkingen die de vereiste veiligheidseisen stellen. Alle aspecten van de reactor, en het bedrijven ervan, zullen moeten voldoen aan de zeer hoge veiligheidseisen die de internationale gemeenschap daar geheel terecht aan stelt.

Dat we toch optimistisch zijn over de haalbaarheid van de oplossing is gebaseerd op de goede vorderingen die het onderzoek inmiddels maakt, óók in Nederland. Puzzels zijn er, showstoppers zijn nog niet gesignaleerd. Er zal waarschijnlijk eerst een gesmoltenzoutreactor worden gebouwd die niet op thorium draait. Daarmee kan veel praktische ervaring worden opgedaan. De chemische fabriek waarmee je de neutron-absorbers uit het zout zuivert, en het optimaliseren van de geometrie, zullen ons dan nog wel even bezighouden.

Referenties:

Goed overzichtsartikel van het Molten Salt Reactor Experiment (MSRE), eind jaren zestig in Oak Ridge: https://en.wikipedia.org/wiki/Molten-Salt_Reactor_Experiment

Neutron poison: https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_poison

Over o.a. conversie ratio: https://indico.cern.ch/event/222140/contributions/1528898/attachments/363090/505441/Daniel_Mathers_v2_ThEC13.pdf

Geplaatst door Jan Rhebergen · Permalink