De kern van het klimaatprobleem, deel 3: de huidige staat, en potentie van kernenergie

Ja, [het bombardement van Hiroshima en Nagasaki] was het einde van de illusie. Maar, zie je, er was nog steeds een verschil tussen het gebruik van brandbommen en het gebruik van de nieuwe natuurkracht met vernietiging als doel. Er werd hier nog een verdere stap gezet – atoomenergie was iets nieuws.

Ik dacht dat het erg slecht zou zijn om een precedent te zetten voor het gebruik van atoomenergie met vernietiging als doel. En ik denk dat we zodoende een grote invloed hebben uitgeoefend op de naoorlogse geschiedenis.

Dit zegt Szilard eerder in datzelfde interview met U.S. News & World Report, zijn voorspellingen blijken zo’n 75 jaar nadat de eerste atoombom ter ontploffing kwam nog steeds waar. Kernwapens en kernenergie zijn zowel in het maatschappelijk debat als in technologische ontwikkeling nog sterk met elkaar verbonden. Echter, tot op welke hoogte is deze link fundamenteel, en welk effect heeft deze militaire link op andere factoren zoals veiligheid? Dat gaan we in dit deel verder uitzoeken.

Het werkende principe van kernenergie is vrij simpel. Je begint met een relatief zwaar atoom, schiet er een neutron op, waardoor het in twee of meer stukken uiteen valt. Bij dit proces komt heel veel energie vrij, in de vorm van een aantal neutronen en vooral veel warmte. Deze warmte gebruik je vervolgens om een turbine aan te drijven die elektriciteit genereert, net zoals elke andere op warmte gebaseerde elektriciteitscentrale.

Hierbij zijn een aantal dingen belangrijk. Ten eerste moet er voor elk neutron dat geabsorbeerd wordt om de splijtingsreactie te starten ook weer minimaal een neutron vrij komen na de splijting. Immers dooft de kettingreactie anders uit. Ten tweede wil je ook weer niet te veel neutronen, als elke reactie namelijk meer dan een nieuwe reactie start dan groeit de hoeveelheid reacties exponentieel. Omdat bij elke reactie warmte vrijkomt, loopt de temperatuur van je reactor dan dus snel op wanneer deze warmte niet in een adequaat tempo kan worden afgevoerd. Grijp je niet op tijd in, dan wordt je reactor te warm, afhankelijk van het type reactor kan dit leiden tot: meltdown!

Thorium, uranium en plutonium

Dit brengt ons tot een eerste ontwerpkeuze waar kernenergie en kernwapens in conflict komen: de brandstof. In principe zijn vrijwel alle isotopen van de zogeheten actinide met een oneven hoeveelheid neutronen direct geschikt voor kernsplijtingskettingreacties. De actinide zijn de elementen in de onderste rij van het periodiek systeem. De isotopen van die elementen zijn de verschillende varianten van dat element met een verschillende hoeveelheid neutronen erin. Bijvoorbeeld, actinium, de eerste actinide, bestaat uit 89 protonen. En komt voor in de vorm van 3 verschillende isotopen: Actinium-225, Actinium-226, en Actinium-227. Het nummer na het element refereert hier naar de hoeveelheid protonen en neutronen samen. Actinium bestaat dus uit, 89 protonen en 225-89=136, 226-89=137 of 227-89=138 neutronen.

Van deze actinide komen er maar twee in significante hoeveelheden voor op aarde: thorium en uranium. uranium bestaat voornamelijk uit een mix van 99.27% Uranium-238 en 0.72% uranium-235, terwijl het iets lichter thorium bestaat uit 99.98% thorium-232 en 4 keer zoveel voorkomt op aarde. Van deze drie isotopen heeft Uranium-235 als enige een oneven hoeveelheid neutronen, en is daarom direct splijtbaar en dus de voor de hand liggende kandidaat voor een kernreactor.

Figuur 5: Periodiek Systeem der elementen: wikimedia commons

Echter, zoals gezegd bestaat het natuurlijk voorkomend uranium voor slechts een klein deel uit uranium-235. Om dit uranium bruikbaar te maken dient daarom eerst de concentratie uranium-235 verhoogt te worden, in een proces genaamd verrijking. De hoeveelheid verrijking die nodig is hangt af van de toepassing, voor bommen geldt dat hoe hoger de concentratie uranium-235 is, hoe lichter je de bom kan maken. Voor de productie van energie daarentegen zijn de hoge concentraties van dit soort weapons-grade uranium (meer dan 85%) overbodig, en is laag-verrijkt (minder dan 20%) voldoende.

Figuur 6: vervalreacties voor het gebruik van thorium-232 en voor de productie van plutonium-239

Een kernreactor op basis van uranium-235 mag dan wel de voor de hand liggende optie zijn, het is niet de enige optie! Via neutronenvangst en daaropvolgend verval kunnen namelijk ook de andere eerder genoemde isotopen gebruikt worden voor kernenergie. Nadat thorium-232 namelijk een neutron vangt, wordt het thorium-233 een vrij onstabiel isotoop dat vrij snel vervalt tot Protactinium-233 wat op zijn beurt weer vervalt tot uranium-233. Het is dit uranium-233 dat vervolgens de energie-producerende splijtingsreactie ondergaat wanneer er een neutron tegenaan botst.

Een vergelijkbaar proces vindt plaats als uranium-238 een neutron vangt, het wordt uranium-239 wat vervalt tot neptunium-239, wat vervolgens vervalt tot plutonium-239. Dit plutonium-239 is vervolgens splijtbaar. Omdat verrijkt uranium nog altijd een vrij groot deel uranium-238 bevat, produceren kernreactoren op basis van uranium-235 dus altijd een beetje plutonium-239 als bijproduct. Dit is op zich niet erg, omdat plutonium-239 ook splijtbaar is en dus ook energie produceert, echter is het plutonium dat, terecht, berucht is voor zijn applicaties in kernwapens.

Plutonium-239: Het perfecte isotoop om dingen op te blazen

De drie actieve brandstoffen in kernreactoren, uranium-233 (van thorium-232), uranium-235 (van verrijkt natuurlijk uranium) en plutonium-239 (van uranium-238) zijn in theorie alle drie ook geschikt voor het maken van kernbommen. In de praktijk is echter de actieve stof in kernbommen vrijwel altijd plutonium-239. Dit omdat de kritieke massa van plutonium-239 ongeveer 5 keer zo klein is als die van uranium-235, dit betekent dat de minimale massa die je nodig hebt om een zichzelf instandhoudende kettingreactie te creëren 5 keer zo laag is. Oftewel een plutonium-239 bom is een stuk lichter dan een uranium-235 bom, en een stuk makkelijker te maken simpelweg omdat je minder materiaal nodig hebt. Daarnaast is het scheiden van plutonium-239 van het uranium dat het produceerde een stuk sneller en eenvoudiger dan het verrijken van uranium tot de weapons-grade concentraties die nodig zijn voor bommen.

Het derde isotoop, uranium-233 is qua kritieke massa vergelijkbaar met plutonium-239, echter vereist een bom van uranium-233 een puurheid die 1300 keer zo groot is als een bom op basis van plutonium-239. Bij de productie van uranium-233 ontstaat namelijk ook een beetje uranium-232, een voor bom-toepassingen ongewenst bijproduct. Dit uranium-232 zendt namelijk zeer hoogenergetische (gamma)straling uit, dat interfereert met elektronica en daardoor de toepassing in kleine apparaten zoals bommen significant limiteert. Ook bij de productie van plutonium-239 vormt er een bijproduct: plutonium-240. Dit plutonium-240 is ongewenst omdat het de neiging heeft om relatief snel uit zichzelf al te splijten voordat dit de bedoeling is echter is plutonium-240 in een plutonium-239 bom dus in 1300 keer hogere concentraties toelaatbaar dan dat uranium-232 in een uranium-233 bom is.

Wil je dus bommen maken dan is het isotoop dat je kiest plutonium-239, en als je dat niet hebt wijk je uit naar uranium-235. Vandaar dan ook dat de eerste grootschalige kernreactoren zijn gebouwd met als doel om plutonium te produceren. Deze reactoren produceerde geen energie voor het energienet, hiervoor waren ze immers ook niet ontworpen. De productie van plutonium-239 vereist namelijk dat je het uranium zeer frequent vervangt om de opbouw van plutonium-240 te beperken, en om te voorkomen dat teveel van je plutonium-239 al in de productie reactor splijt. Dit is iets wat je in een reactor ontworpen voor energieproductie niet doet, hier wil je juist dat ook het plutonium-239 in je reactor splijt en dus energie oplevert en is ook de opbouw van plutonium-240 niet een probleem, dus vervang je de brandstof veel minder vaak.

Nadat de eerste plutonium productie reactor opende in 1943 opende (Hanford, US), duurder het nog 11 jaar voordat de eerste elektriciteit producerende reactor operationeel werd (1954, Obninsk, Sovjet Unie). En veel van de vroege elektriciteit producerende reactoren, hadden elektriciteitsproductie slechts als secundair doel, het primaire doel was alsnog de productie van plutonium. Kernreactoren als energiebron zijn dus historisch gezien een bijproduct van de productie van plutonium voor bommen. Het is dus niet gek dat veel van de techniek voor elektriciteitsproductie nog steeds gebaseerd is op de eerder plutonium productie reactoren, vooral de keuze van uranium (waar je dus plutonium uit kunt winnen) boven thorium is hier een overduidelijk overblijfsel van.

De Hammer van Thor: een veiligere maar onbenutte kracht

Weinberg realiseerde zich dat je thorium zou kunnen gebruiken in een compleet nieuwe soort reactor, een die nul-risico had op een meltdown. … zijn team bouwde een werkende reactor …. en hij spendeerde de rest van zijn 18-jarige ambtstermijn met het proberen om thorium het hart van de [Amerikaanse] kernenergie inspanningen te maken. Hij faalde. Uraniumreactoren waren reeds gevestigd, en Hyman Rickover, het de facto hoofd van het Amerikaanse nucleaire programma, wilde het plutonium van de door uranium aangedreven kerncentrales om bommen te maken. Weinberg werd steeds meer terzijde geschoven en werd uiteindelijk gedwongen ontslagen in 1973.

Dit schrijft wetenschapsschrijver Richard Martin over natuurkundige Alvin Weinberg. Alvin Weinberg is samen met Eugene Wigner patenthouder op licht water reactoren, nog steeds het meest voorkomende type kernreactor. Weinberg stelde vraagtekens bij het als maar opschalen van zijn reactor ontwerp. Deze licht water reactoren gebruiken regulier water zowel als moderator(=neutronenremmer) als als koelvloeistof. Het gebruik van normaal water, wat meer neutronen absorbeert dan zwaar water, maakt het noodzakelijk dat de uranium brandstof eerst licht verrijkt wordt.

Weinberg begreep heel goed wat de zwakte in zijn ontwerp was. In het geval dat er iets mis gaat en de koeling om wat voor een reden dan ook inadequaat is, zou de warmte die de uranium brandstof genereerde voldoende zijn om de brandstof te doen smelten, een Meltdown dus! Voor toepassingen in de marine was dit niet zo zeer een probleem doordat daar altijd voldoende water is, echter was Weinberg niet een voorstander van het grootschalig toepassen van zijn ontwerp op het land. Het uiten van deze zorgen kostte hem zijn baan als directeur van het Oak Ridge Nationaal Laboratorium, Weinberg zelf schrijft hierover:

[Congreslid] Chet Holifield [hoofd van JAEC, het gemengd comité voor atoomenergie, wat de AEC, het VS Atoom Energie Agentschap, overziet] was duidelijk geërgerd met mij, en uiteindelijk flapte hij eruit, “Alvin, als jij je zorgen maakt over de veiligheid van reactoren, dan denk ik dat het misschien tijd is voor jouw om [het vakgebied van] kernenergie te verlaten.” Ik was sprakeloos. Maar het was me duidelijk dat mijn stijl, mijn houding en mijn perceptie van de toekomst niet meer in lijn waren met de machthebbende in de AEC.

Voor elektriciteit producerende toepassingen op het land stelde Weinberg een ander ontwerp voor, een zonder water, op basis van thorium in plaats van uranium, een die inherent veilig was. Dit ontwerp was gebaseerd op eerdere ontwerpen voor de luchtmacht, en hoewel het van een nucleair aangedreven vliegtuig nooit is gekomen, is het concept zelf wel succesvol toegepast op het land. De test reactor van het Oak Ridge Nationaal Laboratorium, gebruikte uranium-233, gemaakt van thorium-232, opgelost in een fluoride zout als brandstof. Deze vloeibaar fluoride thorium reactor draaide succesvol van 1965 tot 1969, en demonstreerde daarmee de haalbaarheid van het ontwerp.

Zo’n vloeibaar fluoride thorium reactor heeft een flink aantal voordelen. Ten eerste wordt er geen water gebruikt. Het gebruik van water, zoals in de conventionele licht water reactoren, maar ook in de minder conventionele zwaar water reactoren, is op zijn zachts gezegd onverstandig. Het risico bestaat namelijk dat het water uit je reactor in het ecosysteem terecht komt als er iets mis gaat, met alle gevolgen van dien. Daarnaast heeft water een heel laag kookpunt, dit leidt tot problemen als je reactor om wat voor een reden dan ook te warm wordt. Wanneer water verdampt neemt de druk namelijk flink toe, dus er kan vrij snel een flinke stoomwolk onder hoge druk in je reactor ontstaan, met als potentieel gevolg een explosie waarbij veel radioactief materiaal in de lucht terecht komt.

Ten tweede, is er geen enkel risico op een meltdown. De brandstof is immers opgelost in het fluoride zout. Vloeibaar is dus de normale en veilige toestand van het systeem. Daarnaast is het ontwerp voorzien van een plug gemaakt van datzelfde zout, wordt de reactor te warm dan smelt de plug en stroomt de inhoud van de reactor vanzelf in een aantal grote opslagtanks. Eenmaal buiten de reactor stopt de reactie vanzelf, en laat de grotere inhoud van de opslagtanks de vloeistof expanderen en afkoelen.

Verder, wordt er in dit type reactor vrijwel geen plutonium geproduceerd. De kans dat een uranium-233 atoom namelijk voldoende neutronen vangt om uiteindelijk uranium-238 te worden en daarna te vervallen tot plutonium-239 is namelijk erg klein. De vangst-splijting verhouding is namelijk erg laag vergeleken met uranium-235, deze verhouding bepaalt de kans dat een isotoop een neutron  vangt in plaats van splijt. En zelfs in het relatief zeldzame geval dat uranium-233 het neutron vangt zonder te splijten, dan is de kans vrij groot dat deze alsnog splijt wanneer deze uranium-235 bereikt.

Daarnaast, produceren kernreactoren op basis van, het vier keer zoveel voorkomende, thorium veel minder radioactief afval vergeleken met uranium. Thorium is namelijk lichter dan uranium, en produceert in de reactie dus ook veel minder actinide die zwaarder zijn dan plutonium. Van het afval dat het produceert heeft 83% een halfwaardetijd van enkele uren tot dagen, de resterende 17% hoeft slechts 300 jaar, in plaats van tienduizenden jaren, te worden opgeslagen. Vergeleken met uranium is de radiotoxiciteit van het afval van de thoriumcyclus 10.000 keer lager.

Bovendien, opereren vloeibaar fluoride thorium reactoren onder lage druk, en zelfs als de reactor een aantal honderden graden te veel opwarmt dan neemt de druk niet significant toe. Deze lage druk neemt het risico op explosies weg, en maakt lekkages minder gevaarlijk. Daarnaast stroomt de vloeistof bij een goed ontworpen reactor in het geval van een lekkage sowieso gewoon in de afvoertanks. Tot slot, hoeft de reactor niet stil gezet te worden om de brandstof te vervangen, deze is immers vloeibaar en kan eenvoudig aangevuld of afgetapt worden.

Helaas kreeg op thorium gebaseerde kernenergie nooit de kans om door te breken als energiebron. Zoals we eerder hebben gezien is thorium niet de keus die je maakt als je bommen wilt maken. En vanwege de koude oorlog, was de techniek voor uranium kernreactoren al dusdanig opgeschaald en ontwikkeld, dat men liever daar meer geld in stak dan in iets wat relatief minder ver ontwikkeld was, dus trok de VS in 1973 de stekker uit het thorium onderzoek.

Kernfusie-energie: de energiebron van de toekomst?

In de volksmond wordt met kernenergie vrijwel altijd kernsplijtingsenergie bedoelt, een conventie die ik in dit artikel vaak ook hanteer, simpelweg omdat dit de vorm van kernenergie is die het meest relevant is. Echter zou geen analyse van kernwetenschap en kernenergie compleet zijn zonder het over het jongere broertje van kernsplijtingsenergie te hebben, namelijk kernfusie-energie.

Figuur 7: Bindingsenergie als functie van de grootte van de kern

Hele zware atoomkernen produceren energie wanneer ze splijten, het tegenovergestelde geldt juist voor hele lichte atoomkernen die produceren juist energie als ze fuseren. Het midden tussen deze twee uiterste zit bij Ijzer-56, deze atoomkern heeft de hoogste bindingsenergie, wat betekent dat Ijzer-56 de meeste energie kost om volledig uit elkaar te halen. Atoomkernen die lichter zijn dan Ijzer-56 produceren energie als ze fuseren, atoomkernen die zwaarder zijn produceren energie als ze splijten. Ijzer-56 is daarmee de meest stabiele atoomkern.

Het is precies dit kernfusieproces dat de energiebron is van de zon, waterstof fuseert hier onder hoge druk en temperatuur tot helium waarbij gigantisch veel energie vrij komt. Het nabootsen van dit proces zou, in theorie, ook een bron van elektriciteit kunnen zijn, een bron vrijwel zonder radioactiviteit of kernafval. In de praktijk zijn de gigantisch hoge temperaturen van miljoenen graden Celsius een significant obstakel.

Wederom een explosieve geschiedenis

De geschiedenis van de ontwikkelingen kernfusie-energie vindt helaas ook zijn oorsprong in militaire toepassingen. In 1933 creëerde Mark Oliphant met behulp van een proton-versneller door middel van fusie Helium-3. En alsof de misbruik en corruptie van kernsplijtingsenergie nog niet voldoende was, leidde ook deze ontdekking tot een nieuw vernietigingswapen. De eerste Sovjet atoombom in augustus 1949 kwam namelijk eerder dan de Amerikanen hadden verwacht, en dit zette de Amerikanen aan om het broeikas project te starten, met als doel de ontwikkeling van een  nieuw soort nog destructievere bom.

Op 25 mei 1951 vond op een eiland midden in de Stille Oceaan de eerste test van dit nieuwe type bom plaats, die twee keer zo destructief was als daarvoor. Deze bom bevatten naast hoogverrijkt uranium ook een gas dat bestond uit de twee zwaardere isotopen van waterstof: deuterium en tritium (d.w.z. waterstof-2 en waterstof-3). De gigantisch hoge temperaturen die ontstonden door de detonatie van het uranium gedeelte van de bom waren voldoende om fusie te induceren in dit gas, waardoor nog meer neutronen vrij kwamen en dus nog meer uranium splijten, met als resultaat een versterkte kernsplijtingsbom, het eerste door de mens gemaakt kernfusie apparaat.

Figuur 8: Vuurbal van de tsar bom

Niet veel later, op 1 november 1952, explodeerde de eerste Amerikaanse echte waterstof of thermonucleaire bom. Deze bom was 450 keer zo destructief als de bom die zeven jaar eerder op Nagasaki was laten vallen. Maar verbleekt echter vergeleken met de bom die de Sovjet Unie later maakte. Deze thermonucleaire tsar bom werd op 30 oktober 1961 door de Sovjet Unie tot ontploffing gebracht boven Nova Zembla, en was nogmaals 5 keer zo krachtig als de eerder genoemde Amerikaanse thermonucleaire bom. De resulterende vuurbal was ruim 8 kilometer breed, en de daaropvolgende paddenstoelenwolk was, met 67 kilometer, 7 keer zo hoog als de Mount Everest. De hitte van de explosie was op een afstand van 270 kilometer nog steeds voelbaar, en ramen sneuvelden zo ver als Finland en Noorwegen. Tot op heden is dit nog steeds de meest krachtige door de mens gemaakte explosie ooit. Een ooggetuige beschrijft de explosie:

De wolken onder het vliegtuig en in de verte werden verlicht door de krachtige flits. De zee van licht verspreidde zich onder het luik en zelfs wolken begonnen te gloeien en werden transparant. Op dat moment, kwam ons vliegtuig tussen twee wolkenlagen uit en daarbeneden in de opening verrees een enorm heldere oranje bal. De bal was krachtig en arrogant zoals Jupiter. Langzaam en geruisloos kroop het omhoog…. Na door de dikke laag van wolken te zijn gebroken bleef het groeien. Het leek de hele aarde in zich op te zuigen. Het spektakel was fantastisch, onwerkelijk, bovennatuurlijk.

Toekomstvisie?

Ondanks dat de kennis van kernfusie in het verleden misbruikt is voor sinistere doeleinde, is er net zoals bij kernsplijting een parallelle onderzoeksrichting ontstaan naar het gebruik van kernfusie voor de productie van elektriciteit. En net zoals we voor kernsplijting hebben gezien, is het niet per se zo dat de technieken voor de productie van kernfusie wapens en die voor de opwekking van elektriciteit hetzelfde zijn. Er zijn heel veel verschillende ontwerpen, elk met hun eigen voordelen en nadelen, ik verwijs de geïnteresseerde lezer door naar de vele linkjes in dit artikel voor meer details over de verschillende mogelijkheden.

Wat ze allen gemeen hebben is dat ze nog niet in de praktijk voor lange termijn energie hebben kunnen opleveren. Het kost namelijk eerst energie om de benodigde omstandigheden van kernfusie te bereiken, en het is uiteraard alleen rendabel als je er meer elektriciteit uit haalt dan dat je erin stopt. Het wereld record werd behaald door de Gezamenlijke Europese Torus vlakbij Oxford in het VK. Deze reactor runde in 1997 voor minder dan een seconden en verbruikte daarbij 700 megawatt aan elektriciteit en produceerde 16 megawatt aan warmte, nog lang niet voldoende om gelijk te spelen dus. Als vervolg hierop werd in 2007 gestart met de bouw van de internationale thermonucleaire experimentele reactor in het zuiden van Frankrijk. De verwachting is dat deze reactor in 2035 ongeveer een seconden zal runnen, waarbij zo’n 300 megawatt aan elektriciteit verbruikt zal worden, en hopelijk 500 megawatt aan warmte geproduceerd.

Kernfusiereactoren kunnen wellicht ver in de toekomst een rol spelen in de elektriciteitsproductie. Echter zal kernfusie geen rol kunnen spelen in de energietransitie, simpelweg omdat de techniek nog niet ver genoeg is. Rendabele experimentele kernfusiereactoren bestaan nog niet, ondanks vele stappen en successen in de goede richting, en het ziet er voorlopig dus ook niet naar uit dat we kernfusie daadwerkelijk als bron van elektriciteit kunnen toepassen.

Waardeer je dit gratis artikel? Steun me met een eenmalige donatie of abonneer je zodat je alle content ziet. Dankjewel!