Nr 6 THORIUM CENTRALE 19 februari 2016

THORIUM voor KERNERGIE?  Nr. 6   19 februari 2016

Elektriciteitsopwekking is volop in het nieuws, vooral doordat men wil dat ze opgewekt wordt door wind en zon. Onze splinternieuwe kolencentrales moeten dicht en ook de enige kerncentrale wil men sluiten. Kolen geven te veel CO2 uitstoot en kernenergie is te gevaarlijk. Hoe begon men ooit met kernenergie? Eigenlijk door de geleerden: Hendrik Lorentz en Albert Einstein.

Begin twintigste eeuw begon men na te denken over een methode om materie om te zetten in energie. Volgens Einsteins beroemde formule E = MC² zou dat mogelijk moeten zijn, maar helaas bleek dat niet eenvoudig. In het heelal komt dit volop voor, maar omzetting van materie in energie gebeurt op aarde alleen bij radioactieve elementen. Die vervallen in de loop van de tijd tot lichtere elementen waarbij energie vrijkomt. Einstein raadde de wetenschap dan ook aan in die richting te gaan zoeken.

In 1938 werd in Duitsland, door Otto Hahn, de kernsplijting bij het radioactieve element Uranium ontdekt. Daarbij bleek veel energie vrij te komen door massaverlies.

Hitler was intussen aan de macht, zag de potentie ervan en gaf opdracht met deze vinding een atoombom te ontwikkelen. Dit was in 1939 aanleiding voor Einstein om een brief aan President Roosevelt te schrijven over het gevaar dat Hitler een atoombom in handen zou krijgen, maar gelukkig lukte het de Duitsers niet om snel een atoombom te produceren. Roosevelt besloot ook wat te doen en gaf in 1941  Robbert Oppenheimer opdracht om een atoombom te ontwikkelen. Dit werd het “Manhattanproject”. Allerlei geleerden deden mee: Enrico Fermi, Richard Feynman, Niels Bohr, Leo Szilard en andere. (Einstein was hierbij trouwens niet rechtstreeks betrokken.) Het lukte hun wél, men wist twee bommen te maken: een Uranium en een Plutonium bom, die in 1945 op Japan afgeworpen werden en de oorlog daar beëindigden.

De oorlog met Duitsland was toen al voorbij. Duitsland verloor de race om de bom, maar intussen wist ook Rusland atoombommen te maken (en later de waterstofbom).

Met kerncentrales begon men pas in de vijftiger jaren. Met de kennis en het materiaal dat men verzameld had om atoombommen  te maken, was de volgende stap: elektriciteit opwekken. De ervaring die men had met Uranium en Plutonium, was de reden waarom er toen voor gekozen is om kerncentrales met een Uraniumcyclus te gaan bouwen, Thorium was niet in beeld.

De eerste kerncentrales werden in Rusland, Engeland en de USA  gebouwd en deze werkten (en werken) alle met kernsplitsing van Uranium, waar men door de ontwikkeling van kernwapens veel van wist. Thorium kwam (nog) niet aan bod hoewel dat volgens sommige veel geschikter voor een kerncentrale zou zijn dan Uranium.

-URANIUM:

Eerst wat over Uranium. Het is een licht radioactief element met atoomnummer 92, wat betekent dat de atoomkern 92 protonen bevat. Het Uranium dat in de natuur gevonden wordt bestaat voor ruim 99 % uit U238, ongeschikt voor kernenergie, want het is niet splijtbaar. De resterende één procent bestaat uit de isotopen U233, U234 en  U235, waarvan alleen de laatste (0,6%) bruikbaar is, want de atoomkernen daarvan zijn splijtbaar. Ook U233 is splijtbaar maar komt nauwelijks voor in natuurlijk Uranium.

Voor kernenergie moet het U235 percentage wel flink omhoog. Dit bereikt men door “verrijking” van Uranium, waarvoor in Almelo het bedrijf Urenco is opgericht, dat werkt met ultracentrifuges (Nederlandse uitvinding). Voor gebruik in kerncentrales moet het percentage U235 minimaal 3 à 4 % procent bedragen, voor kernwapens zelfs 80 à 90 %.

Heeft men de juiste hoeveelheid van dit “verrijkte” Uranium (“kritische massa”) dan kan een kettingreactie in gang gebracht worden. Dit gebeurt door met “langzame” neutronen de U235 atoomkernen te splijten, waarbij steeds weer nieuwe neutronen vrijkomen, die weer andere kernen kunnen splijten. Hierbij heeft enig massa verlies plaats, die in veel energie omgezet wordt. Met de vrijkomende energie wordt stoom geproduceerd waarmee  turbogeneratoren aangedreven kunnen worden.

Duitsland had indertijd moeite om langzame elektronen te produceren, men probeerde met “zwaar water” de neutronen af te remmen, maar dat lukte niet erg. In de USA deed men dit met grafiet dat veel beter werkte. Snelle neutronen zijn namelijk ongeschikt, vliegen overal dwars doorheen en splijten geen kernen.

-PLUTONIUM:

Tijden de kettingreactie, waar bij door het splijtproces steeds nieuwe vrije neutronen ontstaan, raken deze ook de niet splijtbare U238 atomen. Door het invangen van neutronen in de U238 kernen,  neemt het aantal protonen daarin met één toe en ontstaat er Plutonium 239, dat wél splijtbaar is en dus ook energie oplevert.

Plutonium is een radioactief element met atoomnummer 93 dat nauwelijks in de natuur voorkomt en eigenlijk een kustmatig element is. Dit Plutonium is zeer geschikt voor kernwapens en er liggen thans vele tonnen Plutonium opgeslagen in allerlei kernwapens, wat geen prettig idee is. Maar Plutonium kan dus ook als kernbrandstof gebruikt worden. Men noemt het wel de “gevaarlijkste stof op aarde”.

-THORIUM:

Nu Thorium, dat is een zwak radioactief element, met atoomnummer 90, niet helemaal ongevaarlijk: het geeft alfastraling (heliumkernen) af en vervalt langzaam tot het giftige Radon Rn220 gas en dat moet je beter niet inademen. Thorium is ruim voorradig op aarde, veel ruimer dan Uranium, het is niet splijtbaar en komt het meest voor als Th232 (90 protonen en 142 neutronen in de kern).

Echter, als een Thoriumkern een neutron invangt, ontstaat de isotoop Th 233 die na 22 minuten vervalt tot Protactinium: Pa 233, onder uitzending van elektronen (bètastraling). Dit Protactinium vervalt na 27 dagen tot Uranium U233 en dát is wel splijtbaar en dus geschikt voor kernenergie!

Worden U233 kernen met langzame neutronen gespleten, dan ontstaan ook weer nieuwe vrije elektronen, zodat bij voldoende U233 ook een kettingreactie in gang gezet kan worden waarbij door massaverlies energie wordt opgewekt.

Men denkt een Thoriumcentrale te ontwikkelen door het op te lossen in gesmolten fluoridezout (voor de koeling), maar er bestaat nog geen enkele kernreactor die zo werkt.

Wat zijn nu die voordelen van Thorium?

-De kernreactie zou veiliger verlopen.

-Al het Thorium wordt verbruikt (bij Uranium slechts 0,6%).

-Er ontstaat veel minder radioactief afval en dit heeft een veel kortere half waarde (300 jaar) . Het kernafval hoeft dus veel korter opgeslagen te worden dan het kernafval van Uranium centrales (25.000 jaar).

-Verrijking van Thorium en opwerking van het uitgewerkte materiaal is niet nodig.

Er zijn ook nadelen:

-Gesmolten zout is zeer agressief en zou de levensduur van de reactor kunnen bekorten.

-Optredende gammastraling kan materiaal ongunstig beïnvloeden.

-Met U233 kan men ook atoombommen maken.

-Misschien heeft men nog wel 20 jaar ontwikkeling nodig hoewel het volgens sommige in vijf jaar kan.

De voordelen van Thorium: beschikbaarheid en weinig afval zijn zó belangrijk dat men in landen als China en de USA er toch mee bezig is.

China opent al heel lang enkele kolencentrales per week, maar vanwege smog en de CO2 problematiek voelt men dat dat eigenlijk niet langer kan. Men heeft nu dan ook plannen om enkele tientallen kerncentrales te bouwen om aan de enorme energie behoefte te voldoen.

Alternatieve energie van zon en wind? Voorziet tot nu slechts in één procent van de wereld energiebehoefte.

Thoriumcentrales zouden er dus toch nog kunnen komen.

Nr.5 KOLENCENTRALES

Nr 5  KOLENCENTRALES  7 Februari 2016

De laatste maanden zijn de kolencentrales in Nederland nogal eens in het nieuws, vooral negatief. Ze zouden veel meer CO2 uitstoten dan andere centrales terwijl de totale CO2 uitstoot van Nederland juist omlaag moet, zoals afgesproken in Parijs.

Er staan 11 kolencentrales in Nederland, enkele gaan sluiten, twee zijn in aanbouw.

Ooit (een jaar of 10 geleden) bezocht ik de kolencentrale bij Nijmegen en dat was zeer indrukwekkend. Wat mij vooral opviel was het kolenverbruik: 1500 ton kolen per dag. Die worden iedere dag met duwbakken aangevoerd.

Bij verbranding van kolen komen o.a. vliegas en zwavel vrij. Die vliegas worden opgevangen en verzameld en daarvan kan bouwmateriaal gemaakt worden. De rookgassen laat men door kalkwater kopen waardoor de zwavel wordt gebonden tot gips (CaSO4), ook een prima bouwmateriaal. Is dat handel, kan men het gratis ophalen? Nee, bepaalde bedrijven willen het wel ophalen, maar alleen TEGEN BETALING! . 

Waarom is men zo negatief over kolencentrales? Kolencentrales stoten veel CO2 (kooldioxide) uit, maar bij de nieuw te bouwen kolencentrales zou men die afvangen. Ook de stikstof(oxide) is een probleem en daar zou men ook wat aan doen.

Een “centrale” zet brandstof om in elektriciteit en het is dus die brandstof waar het om gaat, want kolen stoten bij verbranding veel meer CO2 uit dan bijvoorbeeld aardgas. In kolencentrales kan wel “biomassa” verbrand worden, maar die speelt nog geen rol van betekenis en of die rol ooit belangrijker wordt betwijfel ik.

Er bestaan ook centrales die stookolie, dieselolie en (aard)gas  verstoken.

Dan hebben we nog Uranium als “brandstof” voor kernenergie, maar ondanks de voordelen daarvan zijn kerncentrales niet populair. Men is bang voor vrijkomende radioactiviteit en het radioactieve afval is een probleem. We hebben in Nederland één kerncentrale, die staat in Borssele en bij die ene is het gebleven. Het grote voordeel van een  kerncentrale is: geen CO2 uitstoot. Men vindt de veiligheid echter belangrijker! Jammer want Borssele levert meer stroom dan alle windmolens van Nederland bij elkaar.

Veel minder gevaarlijk zou een “Thorium” centrale zijn, maar er zijn nog steeds geen kerncentrales die met Thorium werken. Ook heel jammer want zo’n centrale zou vele voordelen hebben: veel veiliger, zeer weinig kernafval. Dat afval behoeft bovendien veel korter opgeslagen te worden dan kernafval van een Uranium centrale. Verder is er volop Thorium beschikbaar, men heeft er weinig van nodig en het is minder gevaarlijk dan Uranium en ook een Thoriumcentrale heeft geen CO2 uitstoot.

Nu in 2016 is de goedkoopste brandstof steenkool en in Nederland hebben we daarom een aantal kolencentrales, die zeer goedkoop grote hoeveelheden stroom produceren. Steenkool bestaat hoofdzakelijk uit C (koolstof) waardoor veel CO2 ontstaat. Nog een ander nadeel: een kolencentrale is niet erg flexibel, pieken en dalen in het stroomverbruik kunnen moeilijk opgevangen worden. Daarvoor moeten er “piek” centrales aanwezig zijn. Die werken meestal met gas waarmee gasturbines aangedreven worden. Gasturbines kunnen (op afstand) snel af- en aangezet worden, zijn relatief schoon, produceren weinig CO2, maar de stroom  is veel duurder dan steenkool. Er zijn thans wel vijftig centrales aanwezig in Nederland, die met gas werken.

In Duitsland is besloten dat alle kerncentrales op termijn worden gesloten. Men gaat voor wind- en zonne-energie, maar er wordt ook nog steeds veel bruinkool verstookt, daarvan hebben ze zeer veel in eigen land. Helaas,  bruinkool centrales zijn zeer vervuilend en stoten veel ongewenst spul uit.

Zijn er geen andere, schonere manieren om stroom op te wekken?  Jazeker. Er bestaan centrales die waterkracht m.b.v. stuwmeren gebruiken (in Noorwegen, Zwitserland etc.) of getijde werking toepassen (zou in Nederland kunnen). Ook wordt o.a. in IJsland en Nieuw Zeeland gebruik gemaakt van stoom, die uit de grond komt, om de turbogeneratoren aan te drijven.

Hoe wekt men stroom op in een kolencentrale? Met turbogeneratoren (stoomturbines die generatoren aandrijven). De daarvoor benodigde stoom wordt door ketels geleverd, die met steenkool gestookt worden.

Ketels kunnen ook met andere brandstof, zoals stookolie of biomassa, gestookt worden, maar steenkool is het goedkoopst.

Het verstoken van “biomassa” heeft voordelen, het zou “CO2 neutraal” zijn, maar er is niet genoeg van en dat CO2 neutraal is twijfelachtig. Thans zijn er ook vuilverbrandingsinstallaties gebouwd die eveneens stroom produceren. Ook afval is brandstof!

Alle centrales die (fossiele) brandstof verstoken hebben één ding gemeen: ze stoten, behalve CO2, nog allerlei andere troep uit. Die CO2  zou je in ieder geval op moeten vangen, maar …. waar laat je de opgevangen CO2? Ondergrondse opslag stuit op weerstand (remember Barendrecht). In oude gasputten onderzees misschien?

In Nederland zijn de laatste tijd nieuwe, moderne kolencentrales gebouwd of in aanbouw, die “schoon” zouden zijn. Men beloofde de CO2 (gedeeltelijk) op te vangen, maar daar is tot nu toe niets van terecht gekomen! Sluiten dus maar, zegt de milieubeweging, alle elektriciteit moet CO2 vrij met wind, zon en dergelijke opgewekt worden. En die enige kerncentrale die we hebben? Die zou men, net als in Duitsland, het liefst willen sluiten.

Helaas, de alternatieve energie: wind, zon, geothermisch, waterkracht, getijden centrales etc. leveren nog steeds slechts een fractie van de vraag naar elektriciteit. Wind en zonne-energie worden wel steeds belangrijker, maar hebben een groot nadeel: de levering is onbetrouwbaar. Geen of te veel wind, geen stroom. Weinig zon, weinig stroom, ’s nachts: geen stroom. Bovendien hebben deze alternatieve energiebronnen de stroomvoorziening danig in de war gebracht. Er is soms veel te veel en dan weer te weinig “groene” stroom en omdat stroom nog steeds niet (grootschalig) opgeslagen kan worden is die fluctuerende stroomopwekking problematisch, want de opgewekte stroom moet meteen verbruikt worden!

Het wordt dus tijd dat er een doorbraak op accugebied komt. Tesla is weliswaar bezig met een accu  voor huishoudens, de “Powerwall”,  maar die is nogal prijzig.

Wat zou er toch moeten gebeuren? Behalve wind en zon toch maar naar de kernenergie? Behalve kernenergie m.b.v. Uranium is er dus  Thorium. En ook is er nog kernfusie. Bij kernfusie wordt waterstof gefuseerd tot Helium, waarbij zeer veel energie vrij komt. Ook onze  zon werkt hiermee. Kernfusie zou volop schone energie leveren maar helaas denkt men nog tientallen jaren nodig te hebben voor een werkende kernfusie centrale.

Een centrale die werkt met Thorium zou sneller ontwikkeld kunnen worden: 5 tot 10 jaar, maar dan moet men wel willen!

Ik wacht af.