Kerncentrales hebben in de publieke opinie een beroerde reputatie. De NRC van 6 januari 2018 bericht over een groep enthousiaste pleitbezorgers voor een nieuw type kerncentrale dat werkt op thorium. Die centrale zou veiliger zijn en minder radioactief afval veroorzaken dan centrales die werken op uranium. Thorium komt op grote schaal in de aardkorst voor. De groep stelt dat hoe belangrijk zonne- en windenergie ook zijn, er andere energiebronnen nodig zijn om de doelstelling te realiseren dat er na 2050 geen CO2 meer wordt uitgestoten. Thorium zou de oplossing bieden.
De in het schema afgebeelde centrale werkt met vloeibaar zout als splijtstofmengsel én als koelmiddel. Vandaar dat men spreekt van een 'gesmoltenzoutreactor'. Het stroomopwekkingsdeel van de centrale is niet anders dan bij gebruikelijke elektriciteitscentrales, of die nu werken op fossiele brandstof of uranium.
De ‘brandstof’ in de thoriumcentrale is een vloeibaar zout (fluoride) waarin thorium is opgelost.
a) Zoek op welke thoriumisotoop in de natuur voorkomt.
100% van het in de natuur voorkomend thorium is thorium-232. Dit is een α-straler met halveringstijd van 1,4 ∙ 1010 jaar.
b) Wat is de vervalreactie van deze isotoop?
$_{90}^{232}\textrm{Th} \rightarrow _{2}^{4}\textrm{He} + _{88}^{228}\textrm{Ra}$
c) Waarom is deze isotoop niet direct geschikt als bron van kernenergie?
Als gevolg van de zeer lange halveringstijd – ongeveer even lang als de levensduur van het heelal van 14 miljard jaar – is de activiteit van een hoeveelheid natuurlijk thorium zeer laag.
In de reactor wordt de brandstof gebombardeerd met langzame neutronen. Hierbij ontstaat thorium-233. Dat gaat via twee keer bètaverval over in de uraniumisotoop U-233.
d) Geef de vervalreeks van thorium-233 kern. Gebruik Binas.
$\displaylines{\begin{aligned}\\ _{90}^{233}\textrm{Th} \rightarrow _{-1}^{0}\beta + _{91}^{233}\textrm{Pa} \\ _{91}^{233}\textrm{Pa} \rightarrow _{-1}^{0}\beta + _{92}^{233}\textrm{U}\end{aligned}}$
e) Leg uit waarom de twee tussenproducten nauwelijks in het vloeibaar zout aangetroffen worden.
De halveringstijd van thorium-233 is slechts 22,2 min. Die van protoactinium-233 27,4 dagen. Deze isotopen vervallen dus snel. Het uiteindelijk gevormde uranium-233 heeft een halveringstijd van 1,6 ∙ 105 jaar. Het vervalt nauwelijks gedurende de levensduur van de centrale.
Wanneer de kern van uranium-233 een neutron invangt kan deze splijten. In 94% van de gevallen gebeurt dat. De gezamenlijke bewegingsenergie van de splijtingsproducten is ongeveer 200 MeV. Met de regelstaven die in het vloeibare zout steken kan een deel van de vrijkomende neutronen weggevangen worden. De kern kan op veel manieren splijten. Bijvoorbeeld in een Xe-137 kern, drie neutronen en nóg een kern.
f) Geef de vergelijking van deze kernreactie.
De reactievergelijking laat zien dat ook een cadmium-kern gevormd is:
$_{0}^{1}\textrm{n} + _{92}^{233}\textrm{U} \rightarrow _{54}^{137}\textrm{Xe} + 3\cdot _{0}^{1}\textrm{n} + _{48}^{94}\textrm{Cd}$
g) Bereken hoeveel massa bij de kernsplijting is omgezet in energie.
Bij het verval van één kern U-233 komt 200 MeV vrij.
Wegens E = mc2 komt dit overeen met een massa-omzetting
Δm = ΔE/c2= (200 ∙ 106 ∙ 1,6 ∙ 10-19) / (3,0 ∙ 108)2 = 3,6 ∙ 10-28 kg.
h) Leg uit dat in het vloeibaar zout een kettingreactie kan optreden.
Het invangen van een neutron door de uraniumkern leidt tot splijting waarbij twee of drie neutronen vrijkomen. Deze neutronen kunnen op hun beurt óf ingevangen worden door een thorium-233 kern (waardoor nieuwe splijtstof aangemaakt wordt) óf ingevangen worden door een uranium-233 kern (die dan weer splijt en daarbij weer twee of drie neutronen produceert) óf uit de vloeistof ontsnappen. Als de concentratie thorium in het vloeibare zout hoog genoeg is, kan een sneeuwbaleffect optreden als bij splijting van een uranium-233 kern gemiddeld méér dan één neutron een volgende splijting veroorzaakt.
i) Wanneer levert de centrale een constant vermogen?
Als het aantal kernen dat per seconde gespleten wordt constant is, levert de centrale een constant vermogen. Dat is het geval als de bij splijting van een uraniumkern vrijkomende neutronen er gemiddeld precies één een andere kern splijt.
j) Leg uit dat met behulp van de regelstaven het proces beheerst kan worden.
Een kettingreactie moet tot elke prijs voorkomen worden, omdat de reactor dan ontploft ten gevolge van de snel oplopende energieproductie. Als gemiddeld één van de twee ontstane neutronen wordt weggevangen, veroorzaakt elke splijting precies één nieuwe splijting. Dan opereert de reactor op constant vermogen. De energieproductie kan verhoogd worden door de regelstaven iets op te trekken en weer verlaagd door ze te laten zakken.
k) Hoe zie je in het schema dat in het reactordeel de vloeistof tegelijk brandstof én koelmiddel is?
De splijtstof U-233 ontstaat voortdurend uit het Th-233 in het vloeibaar zout. De splijtingsproducten bevinden zich dus ook in deze vloeistof. Hun bewegingsenergie dragen ze eraan over, waardoor de temperatuur stijgt. Om deze warmte is het doen. Die moet in het koelgedeelte overgedragen worden op de tweede kringloop. De vloeistof is dus tevens koelmiddel.
In 6 % van de gevallen treedt geen splijting op maar wordt uranium-234 gevormd, onder uitzending van gammastraling met een energie van 8 MeV.
l) Bereken de golflengte van deze straling.
E = hf = h ∙ c/ λ
λ = hc / E = 6,63 . 10-34 ∙ 3,00 . 108 / (8 ∙ 106 ∙ 1,60 . 10-19) = 2 . 10-13 m.
Dit is harde gammastraling (Binas tab. 19B).
Als de temperatuur te hoog is, zet het vloeibaar zout uit. Daardoor wordt automatisch de noodafvoer opengedrukt, met als gevolg dat de reactor wegens gebrek aan brandstof stilvalt.
Verder komen de splijtingsproducten – die zeer radioactief zijn – in het vloeibare zout terecht. In de kringloop van de vloeistof is een zuiveringsinstallatie opgenomen (zie afbeelding), waar de splijtingsproducten chemisch verwijderd kunnen worden.
m) Vergelijk dit met de situatie bij uraniumcentrales. Zoek info op internet.
Bij een uraniumcentrale bevinden de brandstofstaven zich in de koelvloeistof. De brandstofstaven verzamelen steeds meer radioactieve splijtingsproducten. Om deze staven te zuiveren moet de centrale stilgelegd worden.
De kettingreactie kan uit de hand lopen als de brandstofstaven en de regelstaven door hoge warmteontwikkeling vervormen en vastlopen, met een 'meltdown' als gevolg (denk aan Fukushima).
