Thorium - Hoofdinhoud

Alsof de tijd heeft stilgestaan. Zo weinig beweging zit er in de mening van de Nederlandse samenleving over kernenergie. Helaas worden in de Nederlandse energiediscussie vooral achterhaalde concepten als toonaangevend beschouwd. Geen wonder, als die toon gezet wordt door belanghebbenden en lobbyisten, zonder tegenspel vanuit de volksvertegenwoordiging waar natuurwetenschappelijke kennis een schaars goed is. Senator Kees de Lange, politicus en fysicus, bespreekt een nieuwe veelbelovende ontwikkeling, namelijk kernenergie op basis van thorium.

U kent de mantra’s. Kernenergie is verwerpelijk. Kernenergie is gevaarlijk. Kernenergie is politiek incorrect. Kernenergie leidt tot kernwapens. Door kernongelukken zijn tienduizenden mensen om het leven gekomen. Het voorvoegsel kern-, of het Engelse nuclear, dient tot elke prijs vermeden te worden als je jezelf niet onmogelijk wil maken, commercieel of politiek. Niettemin tijd voor een nuchtere analyse.

Atomen en kernen, weinig kennis veel emotie

Elk atoom bezit een kern en elk molecuul bestaat uit atomen. In de natuurwetenschappen is het daarom domweg onmogelijk om niet regelmatig over atomen en hun kernen te praten. Zo bestaat er de techniek van kernmagnetische resonantie (Nuclear Magnetic Resonance, NMR). Die techniek, ontwikkeld in 1945, is uitgegroeid tot een enorm belangrijk en onmisbaar analytisch hulpmiddel in de chemie, de fysica, en de biologie en heeft ten grondslag gelegen aan de beeldvormingsmethoden die tegenwoordig in elk ziekenhuis van enige betekenis aanwezig zijn. Die techniek werd aanvankelijk Nuclear Magnetic Resonance Imaging NMRI) genoemd. Logisch, want er werd gebruik gemaakt van de magnetische eigenschappen van de kernen van waterstofatomen die voorkomen in vrijwel alle moleculen in ons lichaam. Al heel snel werd duidelijk dat het voorvoegsel Nuclear aanleiding gaf tot een angstreactie bij het publiek. Tegenwoordig spreken we dan ook van Magnetic Resonance Imaging (MRI) zonder het vermaledijde Nuclear, en kennelijk voelt men zich daar beter bij. Ondanks dat MRI met kernsplitsing of kernfusie of gevaarlijke straling helemaal niks te maken heeft.

Kernenergie is gebaseerd op de inzichten die Albert Einstein omstreeks 1915 in zijn beroemde relativiteitstheorie ontwikkeld heeft, en die geleid hebben tot de fameuze relatie E=mc2. De essentie van deze formule is dat energie (E) en massa (m) in elkaar omgezet kunnen worden. Atoomkernen zijn opgebouwd uit positief geladen protonen en ongeladen neutronen. De meest stabiele kern is Fe56, de meest voorkomende kern van het element ijzer met 26 protonen en 30 neutronen. We kunnen energie produceren door kernen van elementen zwaarder dan ijzer (b.v. uranium) te splitsen in een proces van kernsplijting, of kernen lichter dan ijzer samen te smelten in een proces van kernfusie. Tot nu toe is alleen het kernsplijtingsproces op basis van uranium praktisch toepasbaar. Aan kernfusie wordt veel onderzoek gedaan, met name in het ITER project in Cadarache, Frankrijk, maar echte toepassingen lijken nog ver weg. Tot op heden is praktische kernsplijting dus altijd gebaseerd op de uraniumcyclus. Waarom is daarvoor indertijd gekozen?

De nadelen van de uraniumcyclus

Uranium is een chemisch element waarbij het aantal protonen in de kern altijd 92 is, maar het aantal neutronen kan variëren. De verschillende kernen die op die manier gevormd worden, heten isotopen. De meeste voorkomende isotoop (99.3%) van uranium is het U238 met 92 protonen en 146 neutronen, daarnaast bestaat er het voor 0.7% voorkomende U235 (92 protonen, 143 neutronen), en nog sporadisch voorkomende andere isotopen. U238 kan met een halfwaardetijd van 4.5 miljard jaar als stabiel beschouwd worden, terwijl U235 met een halfwaardetijd van 704 miljoen jaar nu ook niet bepaald instabiel genoemd kan worden. U235 heeft de bijzondere eigenschap dat het onder bombardement met neutronen kernsplijting kan ondergaan waarbij gigantisch veel energie vrijkomt. U238 kan ook neutronen absorberen, maar dan wordt voornamelijk een isotoop van plutonium, Pu239 gevormd met een halfwaardetijd van ruim 24 000 jaar. Onder geschikte omstandigheden kan plutonium kernsplijting ondergaan waarbij ook enorm veel energie vrijkomt. Als we dus een kernreactor willen bouwen, of een kernbom willen construeren, zijn U235 en Pu239 de ideale ‘brandstoffen’. Hoe komen we aan die uitgangsproducten, die vervolgens gebruikt worden in de vorm van vaste brandstofelementen die het risico van een kernsmeltongeval met zich dragen?

Lange tijd is gedacht dat uranium schaars was. En als uranium schaars is, is U235 nog veel schaarser. En daarin schuilt een belangrijke reden waarom gekozen is voor kernsplijting op basis van de uraniumcyclus. In een kernreactor die gebaseerd is op deze cyclus kan heel efficiënt Pu239 gemaakt worden, en dat is een ideaal uitgangsproduct voor kernsplijting. We spreken dan van een ‘breeder reactor’ of kweekreactor. En inderdaad, de goede lezer heeft het begrepen, datzelfde plutonium is het ideale uitgangsmateriaal voor kernwapens. En dat feit, maar nu op militaire gronden, was helaas een belangrijke reden om voor de uraniumcyclus te kiezen. Het recept is dus duidelijk. We moeten beginnen met het schaarse U235 te scheiden van het overvloedige U238, het zogenaamde verrijkingsproces, en daarna kunnen we van start met kernsplijting. Dat verrijken is overigens geen sinecure. De Nederlander Jaap Kistemaker heeft daarvoor een ultracentrifugemethode ontwikkeld, die uitermate succesvol is. Dat deze methode door de Pakistaanse natuurkundige Abdul Qadir Khan vervolgens ontvreemd en naar onvriendelijke regimes geëxporteerd is, heeft het probleem van proliferatie nadrukkelijk op de kaart gezet. Ook in het controversiële Iranese verrijkingsprogramma wordt dezelfde ultracentrifugemethode uitgebreid benut.

Het benutten van de uraniumcyclus voor energieopwekking is niet zonder problemen. Allereerst komen er radioactieve afvalproducten vrij die deels een zeer lang gevaarlijk blijven, in de orde van 250 000 jaar. Ook korter levende radioactieve isotopen maken deel van de afvalstroom uit. Er is veel geïnvesteerd in het ontwerpen van zo veilig mogelijke reactoren, en niet zonder succes. De kans op ernstige ongelukken is daardoor klein, maar omdat de potentiële gevolgen groot zijn, dient naar het product van beide factoren gekeken te worden. En inderdaad, een reactorongeluk door terroristische activiteit, of het ontvreemden van radioactief materiaal door terroristen is voor velen een schrikbeeld. Als voorbeelden van ernstige kernongelukken worden altijd drie gevallen geciteerd. Allereerst Harrisburg, de Three Mile Island reactor in Pennsylvania, USA in 1979. Bij dit reactorincident vielen geen slachtoffers te betreuren. Zorgelijker waren de incidenten in Tsjernobyl in 1986 en Fukushima in 2011. In beide gevallen kwam ioniserende straling vrij die zich over een groot gebied kon verspreiden. Tsjernobyl veroorzaakte minder dan 100 directe slachtoffers. Maar in Fukushima waren geen stralingsslachtoffers, en zelfs niemand houdt blijvende schade over aan de bestraling.

Positieve aspecten van lage doses radioactieve straling?

Door het vrijkomen van ioniserende straling ontvangen grote groepen mensen ongevraagd een extra stralingsbelasting die uitstijgt boven de natuurlijke achtergrondstraling. De mogelijk kwalijke gevolgen hiervan hangen nauw samen met de intensiteit van de radioactieve straling. En daar wordt het lastig, omdat we bij een schatting van de gevolgen in onzeker vaarwater komen. Het probleem is de zogenaamde dosis-effect relatie, die overigens niet alleen van belang is bij radioactieve straling, maar die op dezelfde manier speelt bij vragen over gezondheidsrisco’s bij blootstelling aan kleine concentraties chemische stoffen. Het idee is simpel. Bij een bepaald stralingsniveau hoort een bepaalde hoeveelheid mogelijke gezondheidsschade ten gevolge van stralingsbeschadiging. Als we het stralingsniveau met de helft reduceren, neemt ook de schade met een factor twee af. Op een bepaald moment wordt het stralingsniveau zo laag dat we de eventuele gevolgen voor de gezondheid niet langer kunnen meten. Als we dan aannemen dat ook onmeetbaar lage niveaus schadelijk zijn, en zeer veel mensen aan dat zeer lage niveau worden blootgesteld, komen we tot een hoog aantal potentiële slachtoffers. De schattingen bij het Tsjernobyl ongeluk over de jaren lopen dan ook uiteen van enige tientallen tot bijna een miljoen. Bij het Fukushima ongeluk is geen reden om indirecte slachtoffers te verwachten.

In het korte bestek van deze column is het onmogelijk om het pleit te beslechten, en ik zal dat ook niet proberen. Echter, beseft moet worden dat een dosis-effect relatie die ook tot zeer lage stralingsniveaus lineair geëxtrapoleerd kan worden, op serieuze wetenschappelijke gronden betwijfeld wordt. Hierbij dienen ook talrijke onbetwiste wetenschappelijke onderzoeken genoemd te worden die aangeven dat zeer lage stralingsdoses zelfs een gunstig immuniserend effect hebben, een verschijnsel dat ‘hormese’ wordt genoemd.

Hoewel de stralingshormese wetenschappelijk geaccepteerd is, zal de overheid nog niet overgaan tot het verhogen van de omgevingsstraling uit hoofde van de volksgezondheid. Wel wordt vanwege hormese alle straling onder de 100 millisievert in ieder geval niet meer aangemerkt als schadelijk. Daardoor zal het slachtofferaantal van Tsjernobyl volgens de beste schattingen beperkt blijven tot 1000 à 5000 personen.

De biologie kan alleen succesvol zijn als er met een zekere waarschijnlijkheid mutaties kunnen optreden. Zonder mutaties is biologische weerbaarheid tegen een voortdurend veranderende omgeving onmogelijk. Feit is dat de natuurlijk aanwezige achtergrondstraling van plaats tot plaats sterk kan verschillen en groter kan zijn dan het niveau ten gevolge van kernongelukken. Curieus in dit verband is de rol van het radioactieve edelgas radon, Rn222, dat in gesteenten voorkomt en in slecht geventileerde huizen vrij hoge concentraties kan bereiken. Omdat over de gevolgen van ioniserende straling met lage intensiteit nog veel onzekerheid bestaat, dient men naar mijn mening terughoudend te zijn met het noemen van grote aantallen individuele slachtoffers. Zoals gezegd, een column is niet de plaats om dit belangrijke onderwerp naar behoren uit te diepen.

Uit het bovenstaande zou afgeleid kunnen worden dat het voor alle zekerheid maar beter is het boek van de kernenergie definitief dicht te slaan. Dat lijkt me wat voorbarig, allereerst omdat andere manieren van energieopwekking zo hun eigen problemen hebben, en bovendien omdat er een andere energiecyclus mogelijk is die de bezwaren van de uraniumcyclus vrijwel volledig ondervangt. Dat het gebruik van fossiele brandstoffen letterlijk in slechte reuk staat, zal niemand ontgaan zijn. De winning en het gebruik ervan veroorzaken in veel landen nog steeds enorme milieuproblemen, en de efficiency waarmee ze gebruikt worden is vaak ten hemel schreiend. De afhankelijkheid van dikwijls buitengewoon onsmakelijke regimes, en de productie van CO2 die aan de basis van de huidige klimaatdiscussie staat, versterkt voor velen de neiging om afscheid te willen nemen van deze energiebron. Windenergie of zonne-energie dan? Niet alleen kunnen deze vormen van energieopwekking maar een klein deel van de vraag naar energie dekken, ook de prijs van windenergie, met name voor de kleinverbruiker die het voorrecht heeft de grootverbruiker te mogen subsidiëren, is wel erg hoog. Bovendien is de technologie wel zo’n beetje uitontwikkeld en is een doorbraak niet meer te verwachten. Over zonne-energie kan men op termijn iets optimistischer zijn, maar het helpt dan wel om in een land te wonen waar de zon wat vaker schijnt dan in Nederland. Alweer, het is hier niet de plaats om deze onderwerpen uitputtend te behandelen, maar dat er veel vragen overblijven is wel duidelijk voor iedereen die de moeite neemt het maatschappelijk energiedebat te volgen. Kan het allemaal beter?

Het kan veel beter: de thoriumcyclus

Eigenlijk weten we al lang dat het allemaal beter kan, en wel op basis van thorium. Als je wel eens rondvraagt wat thorium is, is een blik van totaal onbegrip meestal je beloning. Sommigen denken dat het om een nieuwe Scandinavische rockband gaat, en slechts weinigen beseffen dat thorium een metallisch element is. Maar waarom zou je überhaupt over thorium willen praten? Even geduld, daar gaan we. De meest voorkomende isotoop van thorium is Th232, met 90 protonen en 142 neutronen in de kern. Th232 zelf is niet splijtbaar, maar wordt door neutronenabsorptie in een paar stappen omgezet in U233 en dat is het wel. Het U233 ondergaat kernsplijting waarbij weer enorm veel energie geleverd wordt, en waarbij neutronen vrijkomen om de noodzakelijke kettingreactie te onderhouden. Los van alle andere voordelen waarover ik zal komen te spreken, is thorium niet schaars. Het wordt ook gevonden in landen met redelijk fatsoenlijke regimes. Bovendien is, in tegenstelling tot uranium, vrijwel alle thorium bruikbaar in de thoriumcyclus.

Het gebruiken van de thoriumcyclus heeft een aantal enorme voordelen. Ten eerste kan thorium benut worden in een zogenaamde gesmolten-zout-reactor, of Molten Salt Reactor (MSR). Dat het MSR principe werkt, is overigens al in de jaren 1965-1970 overtuigend gedemonstreerd in een proefreactor op Oak Ridge National Laboratory, in Tennessee, USA. Dat dit proefproject beëindigd is, heeft veel te maken met de industriële lobby die veel geïnvesteerd had in reactorontwerp ten behoeve van de uraniumcyclus en er niet op zat te wachten die investeringen af te moeten schrijven. Daarmee rijst de vraag of het wel een goed idee is om onze toekomstige energievoorziening afhankelijk te maken van een industrie die vooral de eigen winstgevendheid op korte termijn als prioriteit heeft.

Een thorium MSR werkt bij een temperatuur van zo’n 700 0C en bij lage druk. Doordat de splijtstof is opgelost in het vloeibare zoutmengsel is er geen temperatuurverschil tussen splijtstof en koelmiddel en stopt de kernreactie vanzelf als de temperatuur te hoog wordt. Geen oververhitting, geen vorming van explosieve waterstof, geen kans op een kernsmeltongeval. Ook het onttrekken aan de reactor van splijtbaar materiaal voor de productie van kernwapens is vrijwel onmogelijk.

Een sterk in het oog springend voordeel is voorts dat de hoeveelheid langlevende radioactieve isotopen met een levensduur van zo’n 250 000 jaar (de zogenaamde actiniden), nog maar een zeer geringe fractie (ongeveer 1 promille) is van wat geproduceerd wordt in de uraniumcyclus. De radioactiviteit van het merendeel van het afval gevormd in de thoriumcyclus is al binnen 300 jaar verminderd tot een zeer laag niveau. Het hoeft geen betoog dat dit een gigantisch voordeel is. Bovendien kan het radioactieve afval uit de uraniumcyclus benut worden als ‘brandstof’’ voor gesmolten zout reactoren waardoor het huidige opslagprobleem van kernafval opgelost kan worden. De MSR maakt zo efficiënt gebruik van het afval als brandstof dat met de huidige bestaande voorraad kernafval de hele wereld voor 70 jaar van energie voorzien zou kunnen worden, inclusief verwarming en transport. Door de MSR is kernafval voortaan een waardevolle brandstof. Met recht kan kernenergie op basis van de thorium MSR veilig, schoon, duurzaam, klimaatbestendig, en naar verwachting goedkoop genoemd worden.

Waarom stappen we niet morgen over op de thoriumcyclus als de voordelen zo groot zijn? In landen als Japan, India maar vooral China is sprake van grote wetenschappelijk-technische programma’s om de thoriumcyclus te ontwikkelen tot HET vehikel voor de grootschalige en zeer goedkope energieproductie van de toekomst. Vooralsnog blijft het Westen, en dus ook Nederland, op grote achterstand in deze ontwikkeling. Dat bergt de nodige gevaren in zich omdat een grote voorspong van China op het gebied van goedkope energieproductie niet zonder geopolitieke gevolgen zal blijven.

Praktische belemmeringen

Wat zijn de factoren die de ontwikkeling van het thorium MSR proces tegenhouden? Zijn het de ontwikkelingskosten? Realistische schattingen geven aan dat met een investering van ongeveer een miljard euro binnen 10 jaar en wellicht sneller de nog noodzakelijke research voltooid kan worden, waarna een thorium MSR ontworpen en gebouwd zou kunnen worden. Als we beseffen dat de huidige Nederlandse regering er niet voor terugschrikt om 61 miljard euro in subsidie van onrendabele exploitatie van duurzaam geachte bronnen te steken, dan wordt het de hoogste tijd om onszelf eens achter de oren te krabben. Dit enorme bedrag is over 20 jaar opgebruikt en heeft geen enkele betekenis voor de toekomst. Het zou van grote politieke wijsheid getuigen om het oor wat minder te luisteren te leggen bij de energielobby met zijn enorme financiële belangen, maar om de aandacht te richten op de zich snel ontwikkelende wereld van de geavanceerde duurzame kernreactoren zoals de thorium MSR. Dat klinkt eenvoudiger dan het in de praktijk zal blijken te zijn. In de afgelopen vier jaar heb ik als zeldzame bèta in de politiek als geen ander geleerd dat waar de politiek spreekt de feiten doorgaans zwijgen. Om die realiteit te veranderen, zou een publiek debat, dit keer eens niet gedomineerd door belanghebbenden en onwetenden, maar door onafhankelijke mensen met verstand van zaken, pure winst zijn. Niet voor de aandeelhouders van onze energiebedrijven, wel voor de toekomst van onze kinderen, kleinkinderen en navolgende generaties.

3 Commentaar/in Column /door Medewerker