Thorium als energiebron

Het element thorium staat momenteel in de belangstelling als brandstof voor kernreactoren. Er zijn twee hoofdvormen van kernenergie, namelijk kernsplijting en kernfusie. Elders op de site staat een artikel over kernfusie. Hier gaan we het hebben over kernsplijting en dan specifiek die van thorium in vergelijking met het veel gebruikte uranium. Hoewel thorium al vele jaren bekend is als mogelijke brandstof wordt het daarvoor nog niet gebruikt.

Bij kernenergie gebruiken we de energie die opgeslagen zit in atoomkernen om elektriciteit op te wekken. Kernsplijting als energiebron heeft veel aspecten. Bijvoorbeeld hoe een reactor technisch gezien werkt of welk afval er ontstaat en hoe we dat kunnen verwerken of opslaan. Maar om elektriciteit op te kunnen wekken is het allereerst van belang om te begrijpen waar de energie überhaupt vandaan komt. Daar gaan we in dit artikel op in.

Kettingreactie

Het begint allemaal met een neutron. Kernen van zeer zware elementen kunnen instabiel worden als ze een neutron invangen. Instabiel betekent dat deze kernen uit elkaar vallen, waarbij energie (warmte) vrijkomt.

Als bij deze kernreactie neutronen ontstaan, kunnen die weer ingevangen worden door andere aanwezig kernen. Er ontstaat dan een kettingreactie. Het ont­stane neutron veroorzaakt zelf weer een nieuwe reactie, zodat er een zich in standhoudende keten ontstaat. Omdat iedere splijtingsreactie energie oplevert, zal er energie vrijkomen in deze kettingreactie.

Twee belangrijke elementen waarbij zo’n kettingreactie ontstaat, zijn uranium en thorium.

Het neutron dat de kettingreactie opstart, kan een thermisch neutron zijn. Dit is een neutron dat relatief langzaam beweegt, ongeveer even snel als de omliggende atomen trillen. Hierdoor kan het neutron ingevangen worden en kan het de kettingreactie opstarten. Er bestaan ook snelle reactoren waarbij de neutronen een hogere energie hebben.

Hieronder leggen we uit wat er gebeurt bij kernsplijting van de elementen Uranium en Thorium.

Uranium

In 1789 werd een nieuw zwaar element gevonden. Omdat acht jaar eerder de planeet Uranus ontdekt was, werd het uranium genoemd. Uranium is het zwaarste element dat van nature voorkomt, het bestaat in verschillende vormen, zogenaamde isotopen (kernen met gelijk aantal protonen, maar verschillend aantal neutronen). Informatie over isotopen en de notatie vind je hier. Van uranium kennen we onder meer de isotopen met 233, 235 en 238 nucleonen. Uranium-235 is de bekendste brandstof voor splijtingsreactoren, kernen hiervan noemt men ‘fissile’ (splijtbaar). Een kern van 235U vangt een neutron in en splijt daarna via onder meer deze reacties:

In figuur 1 is te zien dat bij de splijting middelzware elementen ontstaan en neutronen vrijkomen. Die laatste kunnen weer ingevangen worden door een U235 kern en zo ontstaat de genoemde kettingreactie.

Uranium-235 komt van nature weinig voor, het meeste uranium op aarde komt voor als de isotoop U238. Minder dan 1% van het uranium op aarde is 235U. Via de speciale techniek van een ultracentrifuge  kan het percentage 235U in uranium vergroot worden tot enkele procenten. Dit verrijkte uranium kan dan als brandstof in een kernreactor gebruikt worden. Hoewel er in het verrijkte uranium (iets) meer 235U aanwezig is, betekent dit wel dat 238U nog steeds ruim aanwezig is tijdens de splijtingsreactie van 235U. Uranium-238 zal dan ook neutronen invangen, maar anders dan 235U kan 238U met thermische neutronen geen kettingreactie in stand houden. Verderop wordt duidelijk waarom het wel van belang is te weten wat 238U doet.

Thorium

Het element genoemd naar Thor, de god van de donder, is thorium. Van belang voor energieopwekking is het isotoop Thorium-232. Dit isotoop is niet fissile, dat wil zeggen dat het niet direct splijt na invangen van één thermisch neutron. Het is echter wel ‘fertile’, wat betekent dat het na de vangst van één neutron wel splijtbare (fissile) elementen vormt.

Thorium-232 komt zuiver voor op aarde, dit in tegenstelling tot 235U. Het heeft een lange halfwaardetijd en is zoals eerder genoemd zelf niet splijtbaar. Door invangen van een neutron ontstaat 233Th. Dat isotoop is instabiel, het vervalt eerst naar 233Pa en vervolgens naar 233U, met respectievelijke halfwaardetijden van 22,2 min en 27,0 dagen. Uranium-233 is wel fissile en is het begin van een kettingreactie. Na invangst van een neutron ontstaan vele kernreacties met zeer veel splijtingsproducten (bijna het hele periodiek systeem). Nu van belang zijn deze:

De bovenste reactie zorgt voor de kettingreactie, daar ontstaan neutronen die weer ingevangen kunnen worden door andere 233U-kernen.

Opvallend is dus dat bij energieopwekking met kettingreacties van thermische neutronen, het zowel bij uranium als bij thorium een uraniumisotoop is dat splijt en dus voor de energie zorgt.

Splijtingsproducten

Bij de splijting van 235U en 233U ontstaan middelzware kernen, zoals jodium, cesium, strontium, xenon en barium. Deze hebben halfwaardetijden die variëren van jaren tot dagen. Uiteindelijk blijven vooral Cesium-137 en Strontium-90 over met een halfwaardetijd van rond de 30 jaar. Dit noem je middellang levende splijtingsproducten. Het zijn dan ook deze laatste twee isotopen die de radioactiviteit van alle ontstane splijtingsproducten bepalen.

Actiniden

Dat is echter niet het hele verhaal van radioactiviteit bij kernenergie. Vooral bij de energieopwekking gebaseerd op splijting van 235U is er een vervelende complicatie. Hier komt de radioactiviteit niet alleen van de splijtingsproducten, maar ook van zware isotopen, zogenoemde actiniden. Hier komt 238U weer in het spel.

Deze actiniden ontstaan op de volgende manier: zware elementen zijn van zichzelf instabiel, wat betekent dat ze vervallen en dus radioactief zijn. Zo is 238U, dat het grootste deel uitmaakt van de uraniumbrandstof, van zichzelf radioactief, met een halfwaardetijd van miljarden jaren. Maar door invangst van neutronen en daaropvolgende kernreacties ontstaan zwaardere elementen, de actiniden. Het bekendste voorbeeld is plutonium-239, dat ontstaat uit U238, (door invangst van een neutron en vervolgens twee keer bètaverval). Deze actiniden zijn allemaal lang tot zeer lang levende splijtingsproducten wat betekent dat ze halfwaardetijden hebben van tienduizenden tot miljarden jaren.

Als je alleen iets lichtere isotopen (dan uranium) zou gebruiken voor energieopwekking, ontstaan er minder actiniden, omdat er invangst van meer neutronen nodig is en de kans daarop is kleiner. Bij de energieopwekking met thorium bijvoorbeeld ontstaat de actinide 234U met een halfwaardetijd van tienduizenden jaren. Dit is ook een nadeel, maar veel kleiner dan dat bij de opwekking met uranium, want bijna al het thorium wordt gebruikt voor energieopwekking en slechts een relatief klein deel leidt tot de actinide 234U. Als je echter met uranium begint als brandstof, zal een groot deel van de brandstof (het 238U) niet bijdragen aan de energieproductie, maar wel aan het ontstaan van de langlevende actiniden. Daarom leidt energieopwekking met thorium tot minder zeer langlevende radioactieve splijtingsproducten.