Is kernenergie zonder radioactief afval mogelijk?

9 minuten leestijd

© Wikimedia / Bob Mumgaard

Is kernenergie zonder radioactief afval mogelijk?

Groen

Je leest nu

Is kernenergie zonder radioactief afval mogelijk?

    • Deel op

    • Gekopieerd
  • 27
  • 12838

Bij schone energie denken we meestal aan zon en wind, niet aan kerncentrales. Toch werken wetenschappers aan nieuwe vormen van kernenergie die minder afval opleveren dan de huidige kerncentrales, zoals kernfusie en reactors die draaien op thorium. Zijn die nieuwe vormen van kernenergie haalbaar? En waarom praten we al tientallen jaren over kernfusie zonder dat dit concrete resultaten oplevert?

Samengesteld door Willemien Groot - Focus

Tv-programma Focus besteedde uitgebreid aandacht aan kernfusie en thorium. Bekijk de hele uitzending op NPO Start.

Waarom is kernenergie (nog) geen alternatieve energiebron?

Kernenergie stoot geen CO2 uit, zoals steenkool- of gascentrales. Door maatregelen tegen klimaatverandering staat kernenergie sinds begin deze eeuw weer in de belangstelling als schone energiebron. Toch  is kernenergie omstreden. Dit komt omdat een kerncentrale hoogradioactief afval produceert, dat duizenden jaren moet worden opgeslagen. In Nederland gebeurt dat in speciale loodsen boven de grond bij de Centrale Organisatie Voor Radioactief Afval (COVRA) in Vlissingen. Hier kan het honderd jaar blijven staan. Daarna is het materiaal minder radioactief, maar nog steeds gevaarlijk. Er is een permanente opslag nodig. Die opslagplaatsen zijn bijvoorbeeld zoutkoepels, verlaten mijnen of kleilagen diep in de Nederlandse bodem. We weten nog niet wat de veiligste oplossing is.

COVRA, de Centrale Organisatie Voor Radioactief Afval, draagt zorg voor het opslaan van het afval van de kerncentrale.

Dan vindt in 2011 de ramp plaats met de kerncentrale in de Japanse kuststad Fukushima. Na een aardbeving ontstaat een vloedgolf die de centrale beschadigt. Er komt veel radioactiviteit vrij en 160.000 mensen moeten hun huizen verlaten.

Deel alinea

België en Duitsland besluiten al hun kerncentrales te sluiten. In Duitsland gebeurt dat al in 2022. Bij onze zuiderburen gaat de laatste centrale dicht in 2025. Ook in Zwitserland en Italië staat kernenergie ter discussie. Frankrijk, Groot-Brittannië en Finland gaan wel door.

De hele aflevering zien? Kijk op NPO Start.

Vanwege het afval en de veiligheid zoeken wetenschappers naar schonere vormen van kernenergie. Kernfusiereactoren en thoriumreactoren produceren geen broeikasgassen. Ze produceren bovendien minder tot geen radioactief afval.

Een kerncentrale in de buurt van Antwerpen

Wat is kernfusie?

Bij kernfusie, de naam zegt het al, worden atoomkernen samengevoegd om energie op te wekken. Het bekendste voorbeeld van zo'n energieproducent is onze zon. In de zon versmelten atomen van waterstof (het lichtste element met atoomnummer 1) samen tot helium (met atoomnummer 2). Daarvoor is een hoge temperatuur nodig. Die is in de kern van de zon zo'n 15 miljoen graden Celsius. De Nederlandse astronaut André Kuipers legt in het programma Ontdek de ruimte uit hoe dat in zijn werk gaat.

De zon produceert elke seconde evenveel energie als een miljard atoombommen.

Een kernfusiereactor heet ook wel 'de zon op aarde'. Op aarde hebben we een probleem: kernfusie is alleen mogelijk bij hele hoge druk, zo hoog dat we die op aarde niet kunnen nabootsen. Dat lossen wetenschappers op door varianten van waterstof te gebruiken. Die zogenoemde isotopen zijn deuterium en tritiumGewoon waterstof is het kleinste en lichtste element in het periodiek systeem. Waterstof (H) bevat één proton in de kern. De kern van deuterium bevat een proton en een neutron. Daarom wordt deuterium ook wel 'zwaar waterstof' genoemd. Tritium heeft een kern van een proton en twee neutronen. Dit isotoop is radio-actief. . Deuterium heet ook wel 'zwaar water' en zit onder meer in zeewater. Tritium komt in de natuur nauwelijks voor, omdat het radio-actief is met een korte vervaltijd. Tritium ontstaat uit lithium, en moet in de fusiereactor zelf worden gemaakt. Deuterium en tritium smelten wel samen.

Deel alinea

In de fusiereactor heerst een extreem hoge temperatuur: zo'n 150 miljoen graden Celsius of hoger. Het tienvoudige van de zon. Deze animatie uit NOS Laat uit 1991 laat zien hoe het proces werkt:

Deuterium, de grondstof voor kernfusie, zit in gewoon oceaanwater. 

Bij kernfusie in een reactor worden gasvormig deuterium en tritium onder stroom gezet. Bij die hitte ontstaat een elektrisch geladen gas, dat we plasma noemen. Plasma ontstaat als een deeltje in gasvorm een elektron kwijtraakt. Het atoom ioniseertMaterie kan in verschillende fasen voorkomen: vast, vloeibaar, gas en plasma. In de gasfase heeft een atoom evenveel positief als negatief geladen deeltjes. De atoomkern bestaat uit positief geladen deeltjes en de negatief geladen elektronen draaien om die kern heen. Onder invloed van extreme hitte kunnen sommige elektronen zich uit hun baan om de atoomkern losmaken. Ze bewegen zich vrij. De kern met de overgebleven elektronen is dan geïoniseerd. Als er heel veel atomen ioniseren, spreken we niet meer van gas maar van plasma. . Als de temperaturen in het plasma hoog genoeg oplopen, fuseren de deeltjes. Daarbij komt een enorme hoeveelheid energie vrij. Die kunnen we gebruiken voor de stoomturbines die elektriciteit opwekken.

In de zon vindt constant kernfusie plaats.

Hoe ziet die zon op aarde eruit?

Kernfusie vindt plaats in een donutvormig reactorvat, ook wel torus genoemd. Daarin heersen temperaturen van 150 miljoen graden Celsius of meer. Dat zijn de temperaturen die het elektrisch geladen gas, het plasma, bereikt. Het plasma mag de wanden van het vat, de mantel, uiteraard niet raken. Dan smelt niet alleen het vat, het is ook niet goed voor het plasma zelf. Daarom wordt het in bedwang gehouden met behulp van grote magneten. Die opgewekte magneetvelden duwen het elektrisch geladen gas weg van de wand. 

Plasmafysicus Willem Haverkort van de TU Eindhoven legt met een proefje uit hoe magneten plasma beïnvloeden.

Om ieder contact tussen plasma en reactorwand te voorkomen, heeft het reactorvat zijn bijzondere donutvorm gekregen. Het succesvolste reactorconcept met torus en magneten heet tokamak. Die naam is afkomstig uit het Russisch en betekent: “een kamer met de vorm van een torus met magnetische spoelen”.

Deel alinea

Al in 1958 bouwen Britse wetenschappers de eerste versie van een kernfusiereactor. Het ZETA-onderzoeksprogramma (Zero Energy Thermonuclear Assembly) mislukt, maar zet kernfusie wel op de kaart.

De eerste kernfusiereactor werd al in 1958 gebouwd.

Ondanks de hoge temperaturen is kernfusie veilig. Het fusieproces stopt zodra er geen brandstof meer is. Anders dan bij een gewone kerncentrale is er geen kettingreactie die uit de hand kan lopen. Het radioactieve tritium blijft in de reactor.

Wat is een thorium-reactor?

Thorium is een element uit het periodiek systeem. Het is een zilverwit metaal dat veel voorkomt op aarde. Het proces om thorium te gebruiken als brandstof in kernreactoren is al in de jaren zestig bedacht door de Amerikaanse kerngeleerde Alvin Weinberg. De brandstof is in oneindige hoeveelheden op aarde aanwezig, vertelt hoogleraar Jan Leen Kloosterman van de TU Delft in een reportage in EenVandaag.

Thorium is nu een afvalproduct, maar we zouden er enorme hoeveelheden energie mee kunnen produceren.

Het bekendste type reactor draait op gesmolten zout waarin thoriumfluoride is opgelost en een klein beetje uranium-233. Thorium is van zichzelf namelijk niet splijtbaar en heeft een beetje hulp nodig. Het uranium zorgt ervoor dat de kernsplitsing op gang komt. 

Deel alinea

Daarna draait de reactor volledig op thorium. Die zogenoemde thorium gesmolten-zoutreactor heet in het Engels Molten Salt Reactor, vandaar de afkorting MSR.

De hele aflevering zien? Kijk op NPO Start.

Oververhitting en droogkoken van de reactorkern, zoals in de kerncentrale van Fukushima, is in een thoriumreactor niet mogelijk. Daarvoor zorgt het gesmolten zout. Het zout heeft een temperatuur van zo'n 700 tot 800 graden Celsius. Ondanks die hoge temperatuur werkt het vloeibare zout als koelvloeistof. Het grote nadeel is dat het gesmolten zout regelmatig moet worden schoongemaakt. Het afval is radio-actief, maar veel minder lang dan het afval van traditionele kerncentrales. Dit afval blijft 100.000 jaar gevaarlijk. Het afval uit een thorium-MSR is na ongeveer 300 jaar onschadelijk. Bovendien levert een thoriumcentrale geen bijproduct als plutonium. Aantrekkelijk is ook dat de grondstof in grote hoeveelheden voorkomt.

In Frankrijk wordt de experimentele kernfusiereactor ITER gebouwd.

Hoe haalbaar zijn kernfusie en thorium-reactoren?

Thoriumreactoren en kernfusie hebben een lange geschiedenis achter de rug. Thorium verliest het in de jaren zeventig van uranium, en de verdere ontwikkeling van thoriumreactoren komt volledig stil te liggen. In 2015 is kernfysicus Wim Turkenburg daarom voorzichtig over een snelle introductie als energiebron. "Als thoriumcentrales een echte optie zullen blijken te zijn, zal het nog steeds heel lang duren voordat ze er werkelijk staan, nog zeker 30 tot 40 jaar", zegt hij in een interview met de NOS. Jan Leen Kloosterman van TU Delft is optimistischer, vooral vanwege de inspanningen van China. "Er werken daar honderden wetenschappers aan mee. China verwacht binnen 10 jaar een thorium demonstratiereactor te hebben."

De Nederlandse Nuclear Research and Consulting Group (NRG) doet in de onderzoeksreactor bij Petten onderzoek naar de thorium gesmolten-zoutreactor (MSR). NRG wil onder meer weten hoe stabiel gesmolten zout is, en hoe materialen reageren op de hete vloeistof.  Het is voor het eerst in vijftig jaar dat hiermee in Nederland weer experimenten plaatsvinden. “Dus daarin zijn we uniek”, zegt Sander de Groot van NRG.

Komen er in de toekomst thoriumcentrales in Nederland?

Het onderzoek naar kernfusie duurt al ruim zestig jaar. Het grootste probleem bij kernfusie is dat het voorlopig meer energie kost dan oplevert. Daarnaast blijkt het lastig om plasma stabiel te krijgen. Tot nu toe is het niet gelukt het fusieproces langer dan 6 minuten en 30 seconden te laten duren. Daarom verwachten onderzoekers veel van de nieuwe, experimentele fusiereactor ITER in Frankrijk die in 2025 gaat draaien. 

Deel alinea

ITER is, als alles goed gaat, de laatste stap voor de bouw van een commerciële reactor. Bij dit project zijn onder meer de Universiteit Twente en het Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) betrokken.

Hoe realistisch is het dat we in de toekomst echt elektriciteit opwekken met kernfusie? De hele aflevering zien? Kijk op NPO Start

Wetenschappers zijn ervan overtuigd dat beide energiebronnen een toekomst hebben. Bij zowel kernfusie als bij thoriumreactoren komt geen CO2 vrij. De hoeveelheid radio-actief afval is minimaal. Om de gevolgen van klimaatverandering te beperken, is die schone energie hard nodig.

In het kort

  • Kernfusie is het samensmelten van deuterium en tritium bij hoge temperaturen van 150 miljoen graden. Bij het samensmelten komt heel veel energie vrij waarmee we stroom kunnen opwekken.

  • Het hart van de kernfusiecentrale is een ringvormige kamer, de donut of torus. Die bevat elektrisch geladen gas, of plasma. Dit is zo heet dat kernfusie ontstaat.

  • Een thoriumreactor draait op thorium, een zilver-wit metaal dat veel voorkomt. De kettingreactie in de reactor wordt in toom gehouden door gesmolten zout. Daarom luidt de officiële naam: thorium gesmolten-zoutreactor.

  • In de zoektocht naar schone energiebronnen in plaats van fossiele brandstoffen neemt de belangstelling voor kernfusie en thoriumreactoren toe. Beide energiebronnen stoten geen CO2 uit. De hoeveelheid radioactief afval is minimaal.

Deel dit venster

collection

Is kernenergie een optie?

In Nederland komt geen nieuwe kerncentrale, in Duitsland gaan de bestaande kerncentrales dicht. Waarom zijn we zo bang voor kernenergie?