Thorium: de kernbrandstof van de toekomst?
Thorium is een zilvergrijs, licht radioactief metaal dat van nature in de aardkorst voorkomt, vaak in het mineraal monaziet. Het is vernoemd naar Thor, de Noordse god van de donder, en is ruim drie tot vier keer zo overvloedig aanwezig in de bodem als uranium, de brandstof die vrijwel alle huidige kerncentrales gebruiken. Toch draait er nergens ter wereld een commerciële kerncentrale op thorium. Dat komt doordat thorium zelf geen kernsplijting kan ondergaan: het moet eerst worden "omgezet" in een andere stof voordat het bruikbaar is als brandstof.
Je kunt thorium vergelijken met een lege accu die pas energie kan leveren nadat hij is opgeladen. In een kernreactor wordt thorium via neutronenbombardement omgezet in uranium-233, een stof die wél splijtbaar is en energie kan vrijmaken. Deze omweg maakt thorium technisch ingewikkelder dan gewoon uranium, maar onderzoekers denken dat de aanpak op termijn voordelen kan bieden op het gebied van veiligheid, afval en grondstofvoorraad. Vandaar dat thorium de laatste jaren regelmatig opduikt in nieuws over de volgende generatie kernenergie.
Wat is het precies?
Om te begrijpen waarom thorium zo'n omweg nodig heeft, is het handig twee begrippen te kennen: splijtbaar en kweekbaar. Een splijtbare stof, zoals uranium-235, kan direct door een neutron worden geraakt waarna de atoomkern splijt en energie vrijkomt. Thorium-232, de enige in de natuur voorkomende vorm van thorium, is niet splijtbaar maar wel kweekbaar: als een neutron wordt ingevangen, ontstaat na twee stappen van radioactief verval (bèta-verval genoemd) uranium-233, dat wél splijtbaar is.
Dit betekent dat een reactor op thorium altijd een beetje "startbrandstof" nodig heeft, meestal verrijkt uranium of plutonium, om de eerste neutronen te leveren. Pas als die kettingreactie op gang is, kan het omringende thorium geleidelijk worden omgezet in nieuwe splijtbare brandstof. In theorie kan een reactor zo bijna evenveel brandstof "kweken" als hij verbruikt.
Thorium wordt vaak genoemd in combinatie met een ander concept: de gesmoltensoutreactor (molten-salt reactor). In plaats van vaste splijtstofstaven, zoals in gewone kerncentrales, wordt de brandstof hier opgelost in een vloeibaar zout dat op zo'n 600 tot 700 graden Celsius wordt gehouden. Dat zout stroomt door de reactorkern en een warmtewisselaar, ongeveer zoals koelvloeistof in een motor. Een belangrijk veiligheidskenmerk is de zogeheten vriesplug: een met lucht gekoeld zoutprop onderin de reactor. Bij oververhitting of stroomuitval smelt deze plug vanzelf, waarna de vloeistof wegstroomt naar een opvangtank waar de kettingreactie vanzelf stopt, zonder dat er iemand hoeft in te grijpen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van thorium is grondstofzekerheid. Omdat het overvloediger en geografisch breder verspreid is dan uranium, zouden meer landen zelfvoorzienend kunnen worden op het gebied van kernbrandstof. India heeft bijvoorbeeld grote thoriumvoorraden in kustzand, maar relatief weinig uranium, en ziet thorium daarom als strategisch belangrijk voor de eigen energievoorziening.
Een tweede argument gaat over kernafval. Bij de thoriumcyclus ontstaan aanzienlijk minder langlevende transurane elementen zoals plutonium en americium, stoffen die duizenden jaren radioactief blijven. Dat komt doordat de cyclus start bij een lichter atoom (thorium) dan uranium, waardoor er minder "opeenstapeling" van zware, langlevende isotopen plaatsvindt. Het afval blijft nog wel gevaarlijk, maar over kortere tijdschalen.
Een derde, veelgenoemd voordeel is proliferatieweerstand: het risico dat de technologie wordt misbruikt voor kernwapens. Het gekweekte uranium-233 raakt in de praktijk vrijwel altijd vermengd met uranium-232, dat sterk gammastraling uitzendt. Dat maakt het materiaal lastig te hanteren en makkelijk te detecteren, wat wapenproductie bemoeilijkt. Volledig uitgesloten is het echter niet: de Verenigde Staten testten in 1955 al een kernwapen (de zogeheten Teapot MET-test) met een deel uranium-233 uit thorium. Thorium is dus geen garantie tegen misbruik, wel een praktische horde.
Voorbeelden uit de praktijk
Het meest invloedrijke experiment stamt uit de jaren zestig: het Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE) van het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten, dat van 1965 tot 1969 draaide. Deze proefreactor bewees voor het eerst dat een gesmoltensoutreactor stabiel kon functioneren, en draaide een deel van de tijd op uranium-233 dat uit thorium was gewonnen. Na afloop van het project werd de techniek decennialang niet verder ontwikkeld.
India volgt sinds de jaren vijftig een "driestappenplan" voor kernenergie, opgezet door natuurkundige Homi Bhabha, dat uiteindelijk moet uitmonden in reactoren die grotendeels op thorium draaien. Onderdeel daarvan is de Advanced Heavy Water Reactor (AHWR), een ontwerp dat voor een groot deel op thorium is toegesneden. Het project bevindt zich echter al jarenlang in de ontwerp- en voorbereidingsfase; een volwaardige AHWR-centrale is tot op heden niet gebouwd.
China heeft de afgelopen jaren de meeste zichtbare vooruitgang geboekt. Het Shanghai Institute of Applied Physics ontwikkelde de TMSR-LF1, een kleine proef-gesmoltensoutreactor van enkele megawatts thermisch vermogen in de provincie Gansu. Chinese staatsmedia meldden in 2023 dat deze reactor voor het eerst kritisch was geworden, de eerste keer sinds het Amerikaanse MSRE-experiment dat een gesmoltensoutreactor daadwerkelijk draaide. Onafhankelijke, gedetailleerde verificatie van de exacte prestaties is beperkt, omdat het programma grotendeels binnen Chinese staatsinstellingen plaatsvindt.
Buiten de gevestigde kernmachten proberen ook kleinere spelers vooruitgang te boeken. Het Deense bedrijf Copenhagen Atomics ontwikkelt compacte, in fabrieken te bouwen thorium-gesmoltensoutreactoren, en het Amerikaans-Indonesische ThorCon werkt aan een scheepsdok-gebouwde variant bedoeld voor Indonesië. Beide bevinden zich in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase; geen van beide heeft tot nu toe een werkende reactor in bedrijf.
Hoe ver is de techniek?
Thoriumreactoren zijn, ondanks zestig jaar aan onderzoek, nog altijd geen bewezen commerciële technologie. Er staat nergens ter wereld een thoriumreactor die stroom levert aan een elektriciteitsnet. De verst gevorderde installaties, zoals de Chinese TMSR-LF1, zijn kleinschalige proefopstellingen die vooral dienen om technische knelpunten in kaart te brengen.
Die knelpunten zijn aanzienlijk. Gesmolten zouten zijn chemisch agressief en tasten op de lange termijn zelfs speciale, corrosiebestendige legeringen aan, vooral bij de hoge temperaturen en onder de intense straling in een reactorkern. Daarnaast moet tijdens bedrijf voortdurend een deel van het zout worden gezuiverd van splijtingsproducten, een chemisch proces dat op laboratoriumschaal werkt maar nog niet op industriële schaal is bewezen.
Ook regelgeving loopt achter: toezichthouders wereldwijd hebben decennia aan ervaring met de veiligheidsbeoordeling van klassieke uranium-waterreactoren, maar nog nauwelijks met vloeibare-brandstofreactoren. Vergunningstrajecten kosten daardoor extra tijd. De meeste experts schatten dat commerciële thoriumreactoren, als ze er al komen, op zijn vroegst in de jaren 2030 beschikbaar zullen zijn; gezien de geschiedenis van vertragingen in de kernenergiesector is ook een latere datum goed mogelijk.
Wie werken eraan?
China trekt momenteel het meest zichtbare, door de staat gefinancierde programma, uitgevoerd door het Shanghai Institute of Applied Physics onder de Chinese Academie van Wetenschappen. India ontwikkelt thoriumtechnologie via het Bhabha Atomic Research Centre, als onderdeel van het nationale streven naar energieonafhankelijkheid.
In de Verenigde Staten ligt de nadruk tegenwoordig vooral bij particuliere bedrijven, zoals Flibe Energy, opgericht door voormalig NASA-ingenieur Kirk Sorensen, een van de bekendste hedendaagse pleitbezorgers van thorium. Europa telt eveneens initiatieven: Copenhagen Atomics in Denemarken werkt aan modulaire reactoren, en Noorwegen experimenteerde via het bedrijf Thor Energy met thoriumhoudende splijtstofpellets in de onderzoeksreactor van Halden, tot die reactor in 2018 definitief werd stilgelegd. Het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) coördineert internationale kennisuitwisseling over de thoriumbrandstofcyclus, zonder zelf reactoren te bouwen.