Inleiding en de betrokkenheid van Brabant
In Noord-Brabant (waarover ik bij voorkeur schrijf) is beleid in procedure voor de energiehuishouding na 2030 (in welk jaar op dit moment veel beleid stopt). In dat beleid krijgt kernenergie, naast andere CO2 – arme bronnen, mogelijk een rol toebedeeld in de vorm van Small Modular Reactors Ik heb daar op deze site over geschreven op brabant-komt-met-energieperspectief-2050-inclusief-small-modular-reactors-en-wat-ik-daarvan-vind/ . Mijn stelling was daarin dat ik geen kernenergie wil, small of niet, op basis van de ouderwetse, 2de generatie, uraniumtechnologie, en open sta voor een goed verhaal over SMR’s op basis van thorium. Er is een klein probleem: die dingen bestaan nog niet.
Kort na dit artikel verscheen er een persbericht van de Nederlands-Franse private scale up-onderneming Thorizon (niet beursgenoteerd), waarin een Memorandum of Understanding (MoU) bekend gemaakt werd tussen Thorizon enerzijds en
- de provincies Zeeland en Noord-Holland en hun regionale ontwikkelingsbedrijven,
- Invest-NL (een verzelfstandigd bestuursorgaan waarvan de aandelen bij het ministerie van Financiën liggen)
- EPZ, de exploitant van de kerncentrale in Borssele
- NRG PALLAS, de exploitant van de kerncentrale in Petten
De provincie NBrabant is geen partij in het MoU, maar heeft wel al eerder subsidie toegekend aan Thorizon.
Rond dit raamwerk hangen onderwijsinstellingen als de TU Delft, de TU Eindhoven (het programma Differ), De Zeeuwse HBO- en MBO-opleidingen, en ook onderzoeksinrichtingen als TNO en een ingenieuersbureau als Demeco (Zeeuws), en maakbedrijven als het Zeeuwse Schelde Exotech en de vanoorsprong Brabantse VDL-groep.
Het persbericht is te vinden op thorizon-epz-nrg-pallas-provinces-and-investors-sign-mou-to-build-europes-first-commercial-molten-salt-reactor-in-the-netherlands .
Voor een wat leesbaarder artikel in Change, in het Nederlands zie dit-zijn-3-troeven-waarmee-de-gesmoltenzoutreactor-van-thorizon-zich-gaat-onderscheiden .
In het Memorandum wordt de intentie uitgesproken dat er in 2027 een, nog niet nucleaire, testfaciliteit gebouwd wordt op het terrein van Borssele; dat er in 2028 een wel-nucleaire demonstratieopstelling komt op het terrein van Petten; en dat er in 2034 een werkende thoriumcentrale opgeleverd wordt op het terrein van Borssele.
Die centrale moet 250MW warmte gaan leveren, die omgezet gaat worden in 100MW stroom (en 150MWrestwarmte, waarover niets gemeld wordt).
De reactorkern en een afzonderlijke cartridge, zoals Thorizon zich dat voorstelt
Van atoomonderzeeër tot LFTR
Vooraf enkele mogelijke misverstanden wegwerken.
Er lopen vaak drie begrippen door elkaar.
- Een SMR is een Small Modular Reactor. Dat betekent niet meer dan dat de term letterlijk zegt: ‘Small’ betekent <300MW stroom (dat is overigens niet zo klein) en ‘Modular’ betekent dat er een bouwstroom is die in meerdere identieke inrichtingen voorziet die je kunt combineren. Verder betekent het niets. Een SMR kan op allerlei ’brandstoffen’ en technieken gebaseerd zijn.
- Een Molten Salt Reactor (MSR) zegt ook niet meer dan de term aanduidt: het koelmiddel is gesmolten zout. Ook een MSR kan op allerlei ‘brandstoffen’ en technieken gebaseerd zijn.
- Een ‘Thoriumreactor’ betekent niet meer dan dat er (in hoofdzaak) thorium ingaat. Ook dat kan op allerlei technieken gebaseerd zijn. De ‘brandstof’ kan bijvoorbeeld in vaste of in vloeibare vorm aanwezig zijn.
Deze concepten komen in allerlei combinaties en in meerdere fabricagelanden voor, waardoor een wirwar aan reactortypes ontstaan is. Alleen daarom al is het lastig om tot een gestandaardiseerde bouwstroom te komen die mogelijk tot goedkopere reactoren zou kunnen leiden.
Het gros van de heden ten dage werkende reactoren is niet ‘small’, werkt met gewoon water onder hoge druk als koelmiddel (Pressured Water Reactor, PWR), en werkt op uranium in vaste vorm. Deze generatie-2 sector is de gevestigde macht met grote financiële belangen.
Het is een systeem met belangrijke nadelen. Desondanks is er, rond 1970, definitief voor gekozen. Wat een rol speelde was opgedane ervaring bij de eerste VS-kernonderzeeërs (zie wikipedia.org/wiki/Hyman_G._Rickover ), waar het type goed tot zijn recht kwam, en dat het relatief eenvoudig was om er bommen mee te maken.
Nadelen zijn (naast de bommen) bijvoorbeeld dat een PWR niet inherent veilig is. Mede daardoor zijn er enkele grote, bekende ongelukken gebeurd die de aanvaardbaarheid van kernenergie bij het publiek drastisch aangetast hebben. Andere nadelen zijn dat het radioactief afvel honderdduizenden jaren weggestopt moet blijven en dat maar een klein deel van de energie in het uranium gebruikt wordt.
MSR-testopstelling Oak Ridge 1965-1969, waarvoor uiteindelijk niet gekozen is
De categorie waar rond 1970 niet voor gekozen is (ondanks positieve testresultaten) is die welke wij nu noemen Molten Salt Reactor. Daardoor is het concept een kleine 50 jaar op de plank blijven liggen.
Een aantal ontwikkelingen heeft eraan bijgedragen het concept weer van de plank af te krijgen.. De noodzaak van broeikasgasloze energie werd nijpend, er is discussie over of men met zon en wind kan leveren wat nodig is en vervolgens of men dat ook wil, er is een heftige strijd om de ruimte in Nederland, bij bepaalde toepassingen in de zware industrie ligt het moeilijk, er is geopolitiek rond olie en gas, en mogelijk kon seriebouw van reactoren goedkoper zijn?
Er is hier geen plek om deze discussie nog eens dunnetjes over te doen. Ik beschouw de toegenomen belangstelling voor relatief kleine en (verondersteld) goedkope kerncentrales in dit artikel als een gegeven feit, en redeneer in dit kader. Ik ben principieel niet bij voorbaat tegen welke energievorm dan ook.
De teksten van Thorizon zijn meer wervend dan informatief ( https://www.thorizon.com/ , de website van b ijvoorbeeld een Europese concurrent als copenhagenatomics vind ik beter), maar wat er wel gezegd wordt past bij een categorie die het MSR- en het thoriumconcept combineert. In het jargon heet dat een Liquid Fluoride Thorium Reactor (LFTR, in de volksmond ‘lifter’). Thorizon zegt van zichzelf niet dat het een ‘lifter’ is, maar ik doe hier alsof Thorizon in die categorie valt..
Over LFTR-en bestaat heel veel literatuur, veel meer dan een niet-vakman als ik kan lezen. Ik hen een goed lemma van Wikipedia gevonden dat ik als onderlegger gebruik, namelijk Liquid_fluoride_thorium_reactor .
Kenmerken, plussen en minnen van een LFTR
Thorium (de T in LFTR) komt in de natuur alleen voor als de zwak radioactieve isotoop Th-232 (90 protonen, 142 neutronen). De stof is een stuk minder zeldzaam dan uranium en makkelijker winbaar. Soms zie je, na heftige storm, thoriumhoudend zwart zand ten noorden van Ameland. En bij de winning van zeldzame aarde-metalen komt vaak thoriumerts vrij als, tot nu toe, ongewenste bijmenging.
Thorium is zelf niet splijtbaar, maar kan een neutron invangen, waarna twee vervolgstappen komen, waarvan enkele varianten bestaan, die meestal leiden tot U-233 (92 protonen, 141 neutronen) en af en toe tot U-232.
Bij een splijting komen ook weer enkele neutronen vrij, waarvan een deel erin slaagt opnieuw een Th-232 kern om te zetten. Als dat per splijting er één is, houdt de reactor zichzelf op gang. Dat is niet vanzelfsprekend, want neutronen kunnen ook te hard gaan of in het verkeerde atoom terecht komen. Een ontwerp moet dus zuinig omgaan met neutronen. Dat stelt eisen aan de samenstelling van het koelmiddel en de vormgeving van het reactorvat.
Bij elke splijting komt, zoals bedoeld, warmte vrij. Die moet afgevoerd worden met het koelmiddel. De mogelijkheden om dat met water te doen zijn begrensd omdat steeds hogere drukken nodig zijn om steeds hogere temperaturen te bereiken. Dat kan tot stoomexplosies leiden. (Kerncentrales werken vaak met stoom van rond de 80 atmosfeer en 300oC.)
Hogere temperaturen echter bevorderen het rendement. Vandaar dat men er bij LFTR-en voor gekozen heeft voor een koelvloeistof die meestal bestaat uit een mengsel van gesmolten lithium- en berylliumfluoride (afgekort FLiBe, wikipedia.org/wiki/FLiBe ) dat, bij een druk die niet ver boven de atmosferische ligt en bij een optimale mengverhouding, een smeltpunt heeft van 459˚ C. Een reactor moet daar een eind boven zitten (bij Thorizon 550˚.C).
Gezuiverd FLiBe (ten tijde van Oak Ridge).
By Bckelleher – Own work, CC BY-SA 3.0,
Het mengsel is corrosief, Het stelt eisen aan de samenstelling van de leidingen. Thorizon wil dit eenvoudiger maken door hun cartridges om de 5 a 10l jaar te verwisselen.
De L van het Liquid in LFTR staat voor het gesmolten zout en de F voor Fluoride.
In een gangbare reactor, met een vaste kern, werken de splijtingsproducten gaandeweg hun oorzaak tegen. Daarom wordt in deze centrales slechts een klein deel (paar procent) van de aanwezige energie nuttig gebruikt. Daarna moet de door eigen toedoen vergiftigde splijtstofstaaf, met de meeste energie er nog in, uit de reactor, en staat hij jaren voor nop te koelen in een soort zwembad.
In een LFTR is ervoor gekozen om ook de ingaande Thorium en de gevormde uranium in de gesmolten fluoridevorm aanwezig te laten zijn. Hoe dat gerealiseerd wordt, kan van machine tot machine verschillen (voor zover dat nu al beoordeelbaar is). Ook dan vergiftigt de reactie zichzelf, maar omdat de vloeistof kan stromen, kan het vergif er buiten het reactorvat worden uitgehaald – zoiets als nierdialyse, maar dan een beetje ingewikkelder. Er is dus een chemische installatie aan de LFTR gekoppeld.
Op deze manier wordt een zeer hoog splijtingsrendement bereikt (bijvoorbeeld 98% van het inkomende thorium wordt nuttig verwerkt).
Het is denkbaar dat sommige van de verwijderde splijtingsproducten nut kunnen hebben (bijvoorbeeld als medische isotoop), maar dat is nog erg speculatief.
Een gebruiksklare LFTR heeft wel een starter nodig die de eerste neutronen levert. Dat moet iets zijn wat van zichzelf splijt, want dan neutronen. Bijvoorbeeld opgespaard U-233 of uranium of plutonium uit afgedankte atoombommen.
Als er veel LTFR-en zijn, kan dat mogelijk een probleem worden, maar zover is het nu nog niet.
Een LFTR produceert zelf nauwelijks of geen langlevend afval omdat het proces niet of nauwelijks boven de U-233 uitkomt (dat splijt bijna volledig). 83% van het radioactieve afval moet dan 10 jaar opgeslagen worden, en de rest 300 jaar. Dan is alles terug, of onder, het oorspronkelijke radioactieve niveau. Het is een politiek standpunt wat men van die resterende opslagtermijn vindt. Ik vind het persoonlijk te overzien.
Lange halfwaardetijden ontstaan in een gangbare reactor die op U-235 werkt en een energetische ballast heeft van heel veel U-238. De 238-isotoop kan neutronen invangen waardoor zwaardere elementen ontstaan (de transuranen), waarvan plutonium (bommateriaal) de bekendste is. Die U-238 en de transuranen kunnen hele lange halfwaardeijden hebben die tot de beruchte opslagtermijnen leiden van honderdduizenden jaren.
In principe kan er aan de gesmolten zoutmassa van een draaiende LFTR langlevend kernafval van elders worden toegevoegd, als dat kan splijten en zodoende neutronen levert. De reactor vernietigt dan dat reeds bestaande afval (waar, zoals gezegd, nog heel veel energie in zit). Dus als de LFTR naast de kerncentrale n Borssele komt te staan, zou het afval van de een de brandstof van de ander kunnen worden. Er is dan weinig gesjouw met radioactief materiaal nodig.
Dit alles idealiter. Men komt hierover optimistische bespiegelingen tegen, maar ik heb nog geen cijfers kunnen vinden.
De omvangrijke nijverheid die kernwapens produceert doet dat op basis van sterk verrijkt U-235 of op basis van Plutonium-239. Dat werkt ‘goed’.
Het is mogelijk kernwapens te maken op basis van het U-233 dat in thoriumcentrales ontstaat (het is gebeurd), maar het is niet praktisch vanwege de bijmenging van U-232. Beide zijn splijtbaar, maar U-232 gammastraalt als een gek en is dus impopulair in de omgang. Bijvoorbeeld omdat de elektronica van de bom er niet tegen kan. Landen die bereid en in staat zijn om atoombommen te maken hebben aan de gevestigde procedé’s rond U-235 en plutonium genoeg.
Een goed ontworpen LFTR stabiliseert zichzelf. Als er energie aan onttrokken wordt, koelt het systeem af en gaat het vanzelf harder werken (de vloeistof krimpt, de deeltjes komen dichter op elkaar en de reacties gaan sneller). Idem omgekeerd als het systeem warmer wordt.
Het systeem kan dus, tot op zekere hoogte, bijvoorbeeld de wisselende opbrengst van zonnepanelen compenseren.
Onduidelijk is, tot nu toe, tot op welke hoogte. Dit soort beweringen zijn nog niet praktijkgetest.
LFTR-en zijn inherent (zonder continu menselijk toezicht) veilig. In het laagste punt van de inrichting zit een prop die kan smelten. Als de zelfregulerende mechanismes falen en de temperatuur te hoog oploopt, of als de stroom uitvalt die de prop koelt, loopt het mengsel weg in een afvalbak en stopt de reactie. Voor de restwarmte is natuurlijke circulatie genoeg.
Er zijn nog een heleboel technische kwesties (plus en min), en er is nog heel wat R&D nodig, maar dat is te specialistisch voor deze kolommen.
Blijkbaar vertrouwt Thorizon voldoende op de eigen R&D tot nu toe, en daarmee op het eigen product. De praktijk van de komende jaren zal leren hoe gerechtvaardigd dit is.
RWE-centrale in het Duitse Hamm-üntrup. In de jaren ’80 heeft men hier geëxperimenteerd met een bepaald type thoriumreactor. Dat was geen succes. Foto zelf gemaakt in 2019. Zie https://de.wikipedia.org/wiki/Kernkraftwerk_THTR-300
Een politieke afsluiting
Deze weblog gaat mede over politiek. Wat vind ik hiervan?
Ik ben dit artikel begonnen met een verwijzing naar het Noord-Brabantse Energieperspectief 2050, waarin het denken over Small Modular Reactors een p[laats heeft. Ongetwijfeld lopen in andere provincies vergelijkbare gesprekken. Gegeven de omvang van de SMR-en is het logisch dat provincies ernaar kijken. Dat vraagt om een serieus politiek antwoord.
Over het Energieperspectief 2050 van de provincie N Brabant vond ik dat ik geen kernenergie wil, small of niet, op basis van de ouderwetse, 2de generatie, uraniumtechnologie, en open sta voor een goed verhaal over SMR’s op basis van thorium. Toen was Thorizon nog niet in beeld. Ik heb dit artikel met deze stelling geopend.
Nu Thorizon sindsdien wel in beeld is gekomen, heb ik uiteindelijk nog steeds dezelfde mening. Ik twijfel er alleen heel sterk aan of het verhaal goed is.
Een eerste overweging, en niet eens de belangrijkste, is het geld. Thorizon noemt geen bedrag, maar n Change wordt ‘ruim € 1 miljard’ genoemd, waarvan ruim 40 miljoen binnen is. Dat valt nog niet eens tegen, als het dat inderdaad zou worden.
Een tweede, zwaardere, overweging is dat ik geen fluit van het tijdschema geloof, en dat op basis van een analyse van prof. Wim Turkenburg ( https://midossier-hoe-snel-dragen-nieuwe-kleine-kerncentrales-smrs-commercieel-bij-aan-de-energievoorziening/ ).
Turkenburg werkt met het puntensysteem van het NEA SMR Dashboard (NEA = Nuclear Energy Agency). Een ontwerp kan voor een aantal tussenstappen punten krijgen en bij 30 punten is er sprake van een opgeleverde, commercieel werkende centrale. Bij Turkenburg staat een groot aantal SMR-ontwerpen in een diagram (jaar sinds de start versus het aantal punten)
Thorizon (startjaar 2018) zit na zes jaar op 3 punten. Een oplevering in 2034, zoals beloofd, zou betekenen dat na 16 jaar (sinds 2018) de Thorizon ONE op 30 punten zou moeten zitten. Dat lijkt er niet op.
Waarna als derde vraag rijst hoe Thorizon ONE zich tot het grotere geheel van de broeikasgasloze nieuwe energie verhoudt. Als het een op zichzelf staand project wordt dat blijkt uit te lopen en meer kost dan begroot, is er geen man overboord want dat is men bij de overheid wel gewend. En op zich mag research en industriepolitiek geld kosten.
Maar als een rechtse meerderheid Thorizon ONE zou gebruiken als kapstok om met alle wind- en zonneparken te stoppen, hebben we een groot probleem. Dan hebben we vele jaren noch het een noch het ander. Met andere woorden: een Thorizon ONE die aanvullend op zon en wind enzovoort is, kan (het ontwerp leent zich er tot op zekere hoogte voor). Een Thorizon ONE die in plaats komt van wind en zon enzovoort zou een ramp zijn.
Het N Brabantse Energieperspectief 2050 definieert naast SMR-en goed pakket aan zon en wind en warmte (enzovoort), en vertrouwt kwantitatief nog niet op die SMR-en. Dat is verstandig.
Er moet (ten vierde) naar keteneffecten gekeken gaan worden (hoe kom je aan de thorium en wat doe je met het afval, ook al is dat veel minder en leeft het veel korter dan bij uraniumafval). Het is begrijpelijk dat dat niet nu al gebeurt, maar vroeg of laat zal het moeten.
Tenslotte: ik vind dat de energieproductie in overheidshanden moet zijn, zeker als het om kernenergie gaat. Wat niet failliet mag, hoort niet op de markt thuis. De zeggenschapsverhoudingen bij de deelnemende partijen zijn niet altijd duidelijk.