In depth: Geschiedenis

Waarom zijn er nog geen thorium-MSRs?

Een terechte vraag die vaak opkomt bij discussies over gesmoltenzoutreactoren is ‘als deze technologie zo veelbelovend is, waarom is deze in het verleden dan niet ontwikkeld?’ Vaak volgt dan het antwoord dat uranium-233 minder geschikt is voor wapenproductie, maar tot dusverre is voor deze stelling geen historisch bewijs aangedragen. Hargraves (2012) en Macpherson (1985) stellen dat het gesmoltenzoutreactor-programma van Oak Ridge gestopt werd door de Amerikaanse Atomic Energy Commission (AEC) ten gunste van de ontwikkeling van het programma van gesmolten-metaal-gekoelde snelle kweekreactoren (LMFBR, voor Liquid Metal Fast Breeder Reactors). Van deze technologie werd destijds verwacht dat ze in staat zou zijn een gesloten brandstofcyclus op basis van uranium en plutonium tot stand zou kunnen brengen. Destijds ging men er van uit dat deze technologie veel dichter bij marktintroductie was dan de veel onbekendere technologie van gesmoltenzoutreactoren. Die laatste was eigenlijk alleen bij Oak Ridge National Laboratory goed bekend en zou een heel nieuwe brandstofcyclus betekenen. Zowel de thorium-MSR als de LMFBR zijn kweekreactoren, dat wil zeggen: ze produceren hun eigen brandstof. Wat technischer geformuleerd: deze reactoren hebben een positieve neutroneneconomie, waardoor ze in staat zijn meer splijtbaar materiaal te produceren dan ze verbruiken: in een kweekreactor moet de brandstof minimaal 2 neutronen per splijting produceren om én de volgende splijting te genereren, én nieuwe brandstof te kweken. Kweekreactoren op basis van plutonium zijn hier beter in omdat ze meer neutronen produceren. Aan de andere kant hoeft dat niet altijd een voordeel te zijn. Voor MSRs zijn ook ontwerpen voorgesteld die precies evenveel brandstof produceren als gebruiken.

De LMFBR werd destijds ook gezien als een systeem dat complementair zou zijn voor de lichtwaterreactor, de eerste reactor die verder was gekomen dan de laboratoria. De eerste lichtwaterreactor werd gebouw voor de kernonderzeeër Nautilus, midden jaren-50. Twintig jaar later was de lichtwaterreactor met veel succes geïntroduceerd voor civiele stroomproductie, in een wereld die graag kernenergie wilde. De lichtwaterreactor was hard op weg de wereldwijde standaard te worden. Een technologie die eenmaal is geaccepteerd, is moeilijk te wijzigen. Immers, een hele bedrijfstak wordt gebouwd rond een dergelijke technologie. Dit geldt eens te meer voor kernenergie, waar de kosten van verandering hoog zijn, omdat nucleaire research altijd een kostbare zaak is.

Toch zijn er veel commentatoren geweest, waaronder de uitvinder van de lichtwaterreactor Alvin Weinberg, die de LWR beschouwde als de eerste poging van de mensheid om gebruik te maken van kernenergie, ‘onze eerste poging’. Er zijn in het verleden al diverse pogingen ondernomen om de LWR achter ons te laten – velen zijn van mening dat de keuze voor de LWR meer te verklaren is uit historische omstandigheden dan dat de technologie nu zo optimaal geschikt is voor het doel van civiele stroomproductie. Frankrijk heeft bijvoorbeeld lang gewerkt aan de Hoge Temperatuur Reactor (HTR) die gasgekoeld is. Het HTR-concept is later nog door Duitsland uitgeprobeerd en thans is China volop bezig met de ontwikkeling hiervan.

Met uitzondering van Frankrijk heeft de westerse wereld de ontwikkeling van LMFBR-type reactoren opgegeven. De reden die de aanzet was tot het ontwikkelen van de LMFBR is echter nog even actueel als altijd: het implementeren van een technologie waarmee het mogelijk is de nucleaire brandstofcyclus te sluiten, ofwel een cyclus te realiseren die geen langlevende actiniden oplevert, maar uitsluitend veel korter levende splijtingsproducten. Thorium-MSR’s bieden deze mogelijkheid op basis van een thermische reactor, waardoor de noodzaak vervalt om de aanzienlijke hobbel te nemen van het bouwen van grote en veilige snelle reactoren.

Het Molten Salt Reactor Experiment (MSRE) in Oak Ridge

Gesmoltenzoutreactoren werden voor het eerst voorgesteld in de jaren na de Tweede Wereldoorlog, als mogelijke krachtbron voor een vliegtuig. In 1959 beoordeelde de Atomic Energy Commission (AEC) in de VS verschillende reactorontwerpen voor civiel gebruik. Dit leidde uiteindelijk tot het beroemde Molten Salt Reactor Experiment (MSRE) waarin een werkende gesmoltenzoutreactor werd ontworpen, gebouwd en uiteindelijk ruim vier jaar draaide. Dit experiment vond plaats in Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en stond onder leiding van dr. Alvin Weinberg, de kernfysicus die óók de mede-uitvinder was van de lichtwaterreactor (LWR).

De ontwerpfase van de MSRE begon in 1960, en de bouw van de reactor in 1962. Halverwege 1965 starte de nucleaire splijtingsreactie in de reactor. In 1966 werd voor het eerst 30 dagen aan één stuk gedraaid, waarna nog 15 maanden volgden van allerlei experimenten. Tegen die tijd was voldoende 233U beschikbaar gekomen om de reactor hiermee te laten draaien in plaats van 235U – de eerste reactor ooit die draaide op deze op basis van thorium geproduceerde isotoop. De MSRE werd door de ontwikkelaars die eraan werkten gezien als uitermate succesvol, omdat er eigenlijk nauwelijks problemen waren. Een verbeterpunt dat door de ORNL-staf werd geconstateerd was het verharden van het Hastelloy-N-materiaal als gevolg van straling. Een ander punt was dat gevormd tritium de stoomturbine kon bereiken. Dit laatste probleem kon worden opgelost door in de secundaire koeling natriumfluoride en natriumfluorboraat op te nemen waarmee het tritium kon worden afgevangen. Tot slot werden kleine barstjes in de Hastelloy-N ontdekt die het gevolg waren van de vorming van telluur – een splijtingsproduct. Dit kon eenvoudig worden opgelost door het aanpassen van de chemische samenstelling van het zout, waarbij 2% van het uranium als UF3 in het zout werd gehouden in plaats van als UF4.

Ook moet gezegd worden dat er in die tijd commerciële belangstelling was voor het project en dat aanvullend onderzoek succesvol was.

De ondergang van het MSR experiment

Ondanks het succes van de tests en ondanks de verbeterde ontwerpen voor de MSRE werd het plan voor een tweede test in 1970 verworpen door de AEC (American Energy Agency) en opnieuw in 1972 om budgettaire redenen.

Er was geen technische reden waardoor de MSR werd gestopt en de reden was ook niet de vaak aangehaalde noodzaak om meer kernwapens te ontwikkelen waar grote hoeveelheden plutonium voor nodig waren. In plaats daarvan merkte de voormalige directeur van ORNL MacPherson in 1985 op:

1. Het politieke en technologische draagvlak voor het programma in de Verenigde Staten was geografisch gezien te mager. Binnen de VS werd eigenlijk alleen in Oak Ridge, Tennessee de technologie werkelijk begrepen en gewaardeerd.

2. Het MSR programma moest het opnemen tegen het snelle kweekreactor programma dat eerder was gestart en waaraan enorm veel overheidsgeld werd besteed op vele locaties in de VS. Tegen de tijd dat het MSR experimentele programma genoeg vooruitgang had geboekt om een veel uitgebreider programma te rechtvaardigen dat zou moeten leiden tot een commerciële ontwikkeling kon de AEC niet goed meer de bestedingen ombuigen van het budget dat al was toegekend aan de LMFBR (Liquid Metal Fast Breeder Reactor, een snelle kweekreactor met vloeibaar natrium koeling)

Alvin Weinberg zei later: “Het was een succesvolle technologische ontwikkeling die werd gestopt omdat het té verschillend was van wat men gewend was in de wereld van reactor ontwikkeling”.

In de zeventiger jaren kwam kernenergie maatschappelijk steeds meer onder druk te staan. De grotere snelle reactoren bleken veiligheidsproblemen te vertonen die moeilijker op te lossen waren dan oorspronkelijk gedacht. Budgetten werden kleiner en alternatieve ideeën konden niet langer worden ondersteund.

De LMFBR die het MSR programma prematuur tot staan had gebracht ging zelf ook tragisch ten onder nadat president Carter op 7 april 1977 afzag van brandstof heropwerking op commerciële basis. De LMFBR dreigde ook te duur te worden in vergelijking met de LWR (Light Water Reactor ofwel lichtwaterreactor). Ironisch genoeg zou de MSR veel goedkoper zijn geweest met een geschatte 1% van de totale investering voor de LWR in 1970. De kosten voor werktuigen, onderhoud op afstand van radioactieve onderdelen en kosten voor ontmanteling waren toen echter nog onzeker.

(MacPherson, 1985)(Weinberg, 1994)(Mahaffey, 2014).

Bovendien, de onzekerheid van een nieuw onderzoeksprogramma in combinatie met grote investeringen heeft vaak bewezen de dooddoener te zijn voor veelbelovende nieuwe technologieën eens te meer als de bestaande technologie, de LWR in dit geval, als toereikend wordt gezien. De ongelukken met Three Mile Island en Fukushima heeft vele mensen van mening hierover doen veranderen. Het besef dat we op den lange duur beter technologie nodig hebben heeft de belangstelling in de MSRs weer doen herleven.