De gesmoltenzoutreactor (afgekort MSR, Molten Salt Reactor) geldt al jaren als een beter alternatief voor de traditionele watergekoelde kernreactor. De naam zegt het al: zouten spelen een belangrijke rol. Het primaire zout, bijvoorbeeld een mengsel van alkalimetaalzouten en de zouten van radioactief thorium of uraan, is de splijtstof die je kunt zien als de brandstof van de reactor, en tegelijkertijd het koelmiddel. Een warmtewisselaar draagt warmte over aan een tweede zoutmengsel, dat tegelijkertijd fungeert als secundair koelmiddel. Dit secundaire zout is bijvoorbeeld een mix van lithium-, natrium- en kaliumfluoride, ook wel FLiNaK genaamd. Dit mengsel van verschillende zouten verlaagt het smeltpunt, waardoor het vloeibaar is bij 500 tot 700°C.

Extrapoleren

De Nuclear Research and consultancy Group (NRG), dat de onderzoeksreactor in Petten exploiteert, lanceerde in 2015 een MSR-programma. Geert-Jan de Haas, programmamanager bij NRG, vertelt dat de reactor in Petten een van de weinige ter wereld is met een complete experimentele infrastructuur voor nucleair materiaal en daarom bij uitstek geschikt is voor MSR-onderzoek. ‘Naast de bestraling zelf doen we ook onderzoek naar de bestraalde splijtstof en de splijtingsproducten,’ vertelt hij. Voor die analyse gebruiken ze zogenaamde hot cell labs. ‘In deze speciale kasten van lood en beton kunnen we bijvoorbeeld vrijgekomen gassen of plakjes zout grondig inspecteren. Dit levert belangrijke data op om modellen mee te voeden waarmee we berekeningen doen om het gedrag in vermogensreactoren te voorspellen.’

Bij NRG werken ze veel samen met onder andere de TU Delft, waar Anna Smith zich bezighoudt met dit soort modellen. Ze doet experimenteel onderzoek naar de chemische en fysische eigenschappen van splijtstofzout. ‘Deze resultaten vormen input voor thermodynamische modellen’, vertelt Smith. ‘Door te extrapoleren kunnen we voorspellen hoe de zouten zich gedragen onder omstandigheden die je niet in een lab kunt testen.’

Thorium

Een van de voordelen van een MSR zit hem in het afval. Aan radioactief afval ontkom je niet, maar het is wel relevant of dit langdurig of kortlevend is. ‘Splijtingsproducten ontstaan in een random proces’, vertelt Ralph Hania, research consultant bij NRG. ‘Elke splijting levert weer andere producten op, daardoor komt in de kerncentrale het halve periodiek systeem voorbij. Zo zijn er actiniden, waaronder uranium, maar ook plutonium, americium en neptunium. Dat zijn heel zware elementen en die gedragen zich allemaal op hun eigen manier.’ De actiniden zijn soms nog wel honderdduizend jaar radioactief. Daarentegen zijn er splijtingsproducten die relatief kort – maximaal een paar honderd jaar – radioactief blijven. Hania: ‘In een MSR kan je die actiniden nog opbranden. Ze kunnen neutronen invangen en versplijten uiteindelijk tot kortlevend afval.’ In een conventionele reactor kan dit niet.

Maar het afval begint allemaal als brandstof. Een MSR leent zich goed voor het gebruik van thorium, in plaats van alleen uranium. De Haas licht toe: ‘Thorium wordt pas splijtbaar na invangst van een neutron. Het gebrek aan splijtbare isotopen van thorium is de reden dat het niet, zoals uranium, wordt gebruikt in de huidige reactoren. In een MSR is thorium goed te combineren met ander splijtbaar materiaal, het vormt dan uranium-233. Omdat dit isotoop een lagere atoommassa heeft dan het gangbare uranium-235, krijg je minder langlevende bijproducten. Thorium is daarmee een geschikt kweekmateriaal, er ontstaat een cyclus waarbij zowel warmte als nieuw splijtbaar materiaal vrijkomt, en dat maakt het proces extra efficiënt. Bovendien kun je het ontstane afval relatief goed uit het zout filteren, waardoor je langer door kunt gaan met dezelfde splijtstof.’

Veiligheid

Een MSR is in principe zuiniger en veiliger dan een traditionele reactor. Door het gebruik van vloeibaar zout ligt de temperatuur namelijk flink hoger dan bij de huidige reactoren, waardoor een MSR de warmte efficiënter omzet in elektriciteit. Tegelijkertijd is de systeemdruk heel laag, waardoor in ongevalssituaties de drijvende kracht achter verspreiding van radioactiviteit gering is. De Haas benadrukt dat de huidige reactoren voldoen aan hoge eisen op het gebied van veiligheid en betrouwbaarheid, maar net als bij andere productieprocessen worden er steeds stappen gezet richting nog veiligere systemen. ‘We kennen momenteel alle ins en outs van een traditionele reactor, voor de MSR is dat nog niet het geval. Daarom doen we veel onderzoek.’

‘Voor het modelleren van chemische eigenschappen maakt het vaak niet uit of iets radioactief is of niet’

Geert-Jan de Haas

Het zout in de MSR verandert namelijk continu van samenstelling omdat er allerlei splijtingsproducten ontstaan. Smith: ‘Bij de splijting ontstaan producten met verschillende fysische en chemische eigenschappen. Sommigen lossen op in het zout, anderen zijn gasvormig en weer anderen vormen metalen deeltjes. Dit resulteert in een enorme puzzel, want je wilt wel zeker weten wat er gebeurt op elk tijdstip, bij elke relevante temperatuur, onder alle mogelijke omstandigheden eigenlijk.’ De Haas voegt toe: ‘Voor het modelleren van chemische eigenschappen maakt het vaak niet uit of iets radioactief is of niet. Daarom gebruiken we in sommige experimenten de niet-radioactieve variant, bijvoorbeeld molybdeen, om te kijken hoe die zich gedraagt in een reactor. Daarmee slaan we een aantal ankerpunten in het experimentele werk, voordat we dit in een werkende reactor testen en toepassen.’

Corrosie

De neutronenhuishouding is belangrijk voor de radioactieve kettingreactie die in de reactor in stand moet worden gehouden. De combinatie van zouten is hierbij vooral bepalend. De wetenschappers maken onderscheid tussen een thermisch en een snel spectrum. Hania: ‘In een thermisch spectrum gebruik je fluoridezouten, die remmen neutronen wat af waardoor splijting relatief makkelijk plaatsvindt. In een snel spectrum gebruik je juist liever chloridezouten, omdat de chemie daarvan eenvoudiger is. In een snel spectrum is de kans op splijting lager, maar heb je wel relatief veel kans om nieuwe splijtstof aan te maken.’ Het is daarom zoeken naar de juiste balans tussen snel en thermisch, waarbij reactoren met snelle neutronen over het algemeen zuiniger omgaan met splijtstof en minder afval produceren, en een thermisch spectrum het makkelijker maakt om de kettingreactie te controleren.

Een nadeel van het werken met zouten is dat er corrosie ontstaat. Hete zouten reageren met het staal van de reactor, vooral met chroom. ‘Een zout met een hoge redoxpotentiaal is meer corrosief naar metalen’, zegt Hania. ‘Ook onzuiverheden in het zout zorgen voor corrosie.’ Daarbij heeft de splijting van uranium, dat bijvoorbeeld aanwezig is als uraniumtetrafluoride (UF₄), de neiging het zout steeds oxiderender te maken. Smith: ‘Uit UF₄ wordt uranium verspleten tot diverse splijtingsproducten, waarbij er netto steeds minder kationen aanwezig zijn om het aanwezige fluoride te binden. Door UF₃ toe te voegen, kan het teveel aan F- wegreageren tot UF₄. Daarom wordt de verhouding tussen UF₄ en UF₃ voortdurend bijgesteld.’

‘Splijting resulteert in een enorme puzzel, want je wilt zeker weten wat er gebeurt onder alle mogelijke omstandigheden’

Anna Smith

Heliumbelletjes

Ook zijn er nog de splijtingsproducten, zoals edelgassen en -metalen, die je niet in het zout wilt hebben. Deze onzuiverheden absorberen namelijk neutronen en verhogen de radioactiviteit in de kern. ‘Edelgassen zoals xenon en krypton lossen niet op en komen als belletjes uit het vloeibare zout naar boven. Die verdwijnen in het gasvolume boven de kern’, aldus Hania. Ook edelmetalen zijn erg ongunstig. ‘Die vormen korreltjes die willen neerslaan op de wanden van de reactor. Ze absorberen neutronen en zenden warmte uit op een plek waar je het niet wilt hebben. Een fysiek filter kan hiervoor volstaan, maar ook zijn we met de TU Delft bezig om ze af te vangen via heliumbubbels. Het metaaldeeltje is namelijk zo klein dat het als het ware blijft kleven aan het heliumbelletje.’

Tot slot zijn er elementen die wel oplossen en daarmee onderdeel worden van het zoutmengsel. ‘Sommige zijn erg hardnekkig’, vertelt Hania. ‘Er zijn grofweg twee methodes te bedenken om het zout verder te zuiveren. Je kunt fluorgas door het zout bubbelen. Fluor reageert met sommige elementen tot hogere fluoriden die gasvormig zijn, maar dit middel is vrij beperkt. De andere mogelijkheid is om het zout met bijvoorbeeld gesmolten bismut te mengen voor een tweefasenscheiding.’ De splijtingsproducten zitten liever in het bismut dan in het zout, daarmee kun je de splijtingsproducten er als het ware uitwassen. ‘Eigenlijk moet je dus naast de reactor een chemische fabriek bouwen om het zout te zuiveren voor een extreem lang en zuinig gebruik,’ zegt Hania. ‘Dat is de droom van de gesmoltenzoutreactor.’

Wanneer wordt die droom werkelijkheid? De experts schatten in dat het nog wel vijftien tot twintig jaar kan duren. ‘Het hangt erg af van het commitment vanuit de omgeving wat de doorlooptijd is tot de beschikbaarheid van een zogenoemd vergunbaar model’, meent De Haas. ‘Het is mogelijk om in relatief korte tijd veel voor elkaar te krijgen, kijk maar naar de ontwikkeling van coronavaccins. Daarbij begeven we ons qua vergunningen op nieuw terrein, er is nog weinig referentiemateriaal voor het gebruik van gesmolten zout. Investeerders en toezichthouders zijn daarom continu in gesprek over de te stellen eisen.’