Het kerntijdperk begon zestig jaar geleden in Chicago. De Amerikaanse kerngeleerde Enrico Fermi slaagde er in om met uranium een beheersbare nucleaire kettingreactie op gang te brengen. Ook thorium bleek hiervoor geschikt.

Toch kozen de grootmachten destijds voor ‘uraniumgestookte’ centrales, omdat met het radioactief afval uitstekend kernbommen konden worden gemaakt. Op dit moment breekt echter het inzicht door dat thorium substantieel kan bijdragen aan een duurzame opwekking van elektrische energie.

Na de Tweede Wereldoorlog doet Alvin Weinberg, leider van het Oak Ridge National Laboratory in het Amerikaanse Tennessee, onderzoek met thorium. Hij bouwt een experimentele kerncentrale met vloeibare thoriumzout als splijtstof. Deze ”Molten Salt Reactor” –zo genoemd omdat thoriumfluoride bij 600 tot 700 graden Celsius smelt– levert vier jaar lang een bescheiden vermogen van maximaal 7,5 megawatt, evenveel als twee windmolens samen.

Ondanks de bewezen voordelen qua veiligheid en afvalproductie besluit president Nixon in 1976 verder onderzoek naar thorium als kernbrandstof definitief te stoppen. Amerika is dan volop verwikkeld in de Koude Oorlog en stampt 41 uraniumcentrales uit de grond; het vrijkomende plutonium is uitstekend te gebruiken voor de productie van kern­wapens.

Weinberg blijft benadrukken dat thorium een veel veiliger en milieuvriendelijker alternatief is als kernbrandstof. Zijn voortdurend hameren op thorium irriteert de leidinggevenden van het militair-industriële complex mateloos en Weinberg wordt ontslagen. Het veelbelovende idee raakt in het vergeetboek.

In het afgelopen decennium is de belangstelling voor thorium weer opgeleefd. Dat is niet verwonderlijk, gezien de nadelen van uranium als kernbrandstof. De Amerikaanse raketingenieur Kirk Sorensen komt op een gegeven moment het dikke naslagwerk ”Fluid Fuel Reactors” op het spoor. Dat verandert zijn visie op energieopwekking volledig. „Na het ontslag van Weinberg ebde de thoriumexpertise snel weg. In moderne leerboeken kun je er niets meer over lezen. Juist door dat stoffige boek ontdekte ik dat thoriumreactoren mogelijkheden bieden om de mondiale energieproblematiek op te lossen.”

Enthousiast als hij is, meet Sorensen de voordelen breed uit. Als uitgangspunt neemt hij de vloeibaarthoriumfluoridereactor (LFTR, zie kader), die thorium in vloeibare vorm gebruikt.

„De LFTR heeft veel voor op conventionele uraniumreactoren, waar stoom onder zeer hoge druk wordt toegepast. De thoriumreactor werkt weliswaar bij hoge temperatuur, maar onder normale atmosferische druk. En dat is belangrijk voor de veiligheid. De reactor schakelt zichzelf bovendien uit als de temperatuur te hoog oploopt of als de netspanning wegvalt. Een meltdown kan zich daarom in zo’n reactor niet voordoen.”

Interessant is ook het hogere rendement, vervolgt de Amerikaan. „Is bij een conventionele reactor minder dan 1 procent van het uranium bruikbaar voor energiewinning, bij thorium ligt dit op bijna 100 procent. Zo produceert 1 ton thorium evenveel energie als 100 ton uranium of 3,5 miljoen ton steenkool; 1 gram thorium produceert meer energie dan 28.000 liter benzine”, rekent hij voor.

Hoewel er dus veel minder thorium nodig is, komt het element drie keer zo veel op aarde voor als uranium. Een thoriumreactor zal verder veel minder radioactief afval produceren dan een traditionele kerncentrale. Door het snellere radioactief verval is een bewaartijd van ongeveer 300 jaar voldoende, in plaats van opslag voor meer dan 100.000 jaar.

Sorensen is overtuigd van de voordelen en richtte zijn eigen onderneming op. „Doel is om al in 2016 een werkend prototype van een LFTR-reactor te hebben en over tien jaar een grote gigawatt-variant.” Over de toekomst is hij positief: „Ik verwacht dat op termijn thoriumreactoren in de mondiale energiebehoefte zullen kunnen voorzien.”

Wat dat betreft drukt Jan Leen Kloosterman zich voorzichtiger uit. De kernfysicus, die zich bij het Reactor Instituut van de Technische Universiteit Delft bezighoudt met innovaties op het gebied van kernenergie, zet de ontwikkelingen in een breder verband. „De vierde generatie uraniumkerncentrales, die met zeer hoge temperaturen werkt en over een jaar of tien marktrijp is, scoort ook hoog qua veiligheid en rendement. Meltdowns kunnen worden voorkomen. Wat echter wel blijft, is het grote afvalprobleem.”

Kloosterman, die de voordelen van thorium ook onderkent, neemt bij het Reactor Instituut Delft deel aan een internationaal onderzoek naar de mogelijkheden van de LFTR. „Belangrijk zijn de corrosieproblemen van de LFTR bij zeer hoge bedrijfstemperaturen. Daar gaan we stevig op studeren.”

Inmiddels hebben meer landen thorium herontdekt. Kloosterman: „China, dat een sterk groeiende energiebehoefte heeft, besloot begin 2011 vol in te zetten op het LFTR-reactorconcept. De Chinese Academy of Science is ervan overtuigd dat de nieuwe benadering inherent veel veiliger is en schat het afvalprobleem 1000 keer kleiner in dan met uranium als brandstof.”

Kloosterman weet dat dit Chinese nucleaire onderzoeksproject wereldwijd de grootste onderzoeksinspanning is naar thorium; 300 academici, onder wie 150 promovendi, houden zich ermee bezig. Hun plan is om al in 2015 een kopie van de oude thoriumtestreactor van Weinberg in bedrijf te hebben, gevolgd door verdere opschaling tegen het einde van dit decennium.

China verwacht hiermee de goede weg te hebben ingeslagen om op een milieuvriendelijke en veilige manier te kunnen voorzien in zijn energiebehoefte. Wellicht krijgt een toekomstige ‘groene’ kerncentrale het label ”made in China”.

Hoe werkt een LFTR?

In de Liquid Fluoride Thorium Reactor (LFTR, uitgesproken als ”lifter”) wordt de kernbrandstof thorium-232 rondgepompt in de vorm van een vloeibaar fluoridezout. De kernreactie wordt op gang gebracht door thorium-232-neutronen te laten absorberen. Dat kan door een kleine hoeveelheid uranium-233 toe te voegen. Het thorium-232 wordt door de absorptie van een neutron omgezet in de splijtbare isotoop uranium-233, waarmee veel energie kan worden opgewekt. Via een chemisch proces worden de –relatief ongevaarlijke– afvalproducten uit de reactorvloeistof gefilterd.

Het beveiligen van een LFTR-reactor is relatief eenvoudig. Het reactorvat staat via een leiding in verbinding met een lager gelegen dumptank. Een deel van deze leiding wordt met een ventilator actief gekoeld, waardoor zout ter plekke stolt en wegvloeien wordt voorkomen. Wanneer echter de elektriciteit uitvalt, stopt ook de koeling van de leiding. De koude prop smelt en de reactorvloeistof loopt weg in de dumptank, waar deze stolt. In vaste vorm neemt de neutronenabsorptie van thorium-232 drastisch af en de kern­reactie dooft uit.

Metaal vernoemd naar een Noorse god

Thorium is een zacht, zilverwit metaal dat in 1828 werd ontdekt door de scheikundige Jöns Jakob Berzelius. De Zweed trof sporen van thorium aan in een fles mineraalwater die dominee Esmark hem gaf. De predikant meende dat er een verdachte substantie in zat. Berzelius vernoemde het metaal naar Thor, de Noorse god van de donder.

Thorium (symbool Th, atoomnummer 90) komt op aarde ongeveer driemaal zo veel voor als uranium. De beschikbaarheid ervan is vergelijkbaar met die van lood.

De eerste praktische toepassing van thorium, aan het einde van de negentiende eeuw, is in kousjes van gaslampen. Deze gaskousjes bevatten thoriumoxide dat bij verhitting een fel wit licht uitstraalt. Van alle oxiden heeft ThO2 het hoogste smeltpunt: 3300 graden Celsius. In de optica wordt thoriumoxide aan lenzen van hoge kwaliteit toegevoegd.

Thorium blijkt ook een geschikt element om nucleaire brandstof uit te produceren. Hoewel het zelf niet splijtbaar is, kan het na absorptie van langzame neutronen de uraniumisotoop U-233 vormen, die wel splijtbaar is. Hierbij ontstaat tot duizendmaal zo weinig radioactief afval als bij uraniumsplijting. De verwachting is dat er in de nabije toekomst met thorium schone en veilige kernenergie te leveren valt.

Engelse milieuactiviste omarmt thoriumkernenergie

De geharnaste Britse milieuactiviste barones Katherine Worthington was een hartstochtelijke tegenstander van kernenergie. Een lezing van Kirk Sorensen over thorium als schone nucleaire brandstof op een klimaatcongres in 2009 verandert haar visie volledig. Ze omarmt kernenergie met thorium en beschouwt dat als een duurzaam alternatief.

„De wereld heeft dringend behoefte aan duurzame, koolstofarme energiebronnen om klimaatverandering tegen te gaan en mensen te verlossen van hun armoede. Op vloeibaar thorium gebaseerde reactoren, ooit ontworpen door Alvin Weinberg, zullen de visie op kernenergie radicaal veranderen en brede invoering mogelijk maken”, aldus de barones.

Worthington voert als milieuactiviste onder meer campagne voor Friends of the Earth en is oprichter van Sandbag, een beweging die het publieke bewustzijn over de internationale handel in CO2-emissierechten wil vergroten.

De Britse activiste is tegenwoordig beschermvrouw van de Weinberg Foundation, een stichting die in 2011 werd opgericht ter ere van de in 2006 overleden kernfysicus Alvin Weinberg. De stichting bevordert ontwikkelingen die leiden tot schone, veilige en betaalbare vormen van energie en zet zich in voor de exploitatie van thoriumkernenergie.