Gesmolten zout van 700 graden Celsius lijkt best wel op doodgewoon water dat thuis uit de kraan stroomt. ‘Het is behoorlijk vloeibaar, niet erg viskeus’, zegt Sander de Groot, oprichter en technisch directeur van Thorizon, een Nederlandse startup die werkt aan een gesmoltenzoutreactor. Dat is een type kernreactor waarin de nucleaire brandstof is opgelost in gesmolten zout van honderden graden, dat als koelmiddel fungeert. In andere gangbare kernreactoren is de koelvloeistof meestal water. 

‘We hebben één circuit met circulerend zout getest, en zijn nu het ontwerp aan het verbeteren’, vertelt De Groot in de nieuwe vestiging van Thorizon in het gebouw van de Energy Transition Campus Amsterdam (ETCA), op de noordoever van het IJ. In het nog maar net ingerichte laboratorium laten De Groot en chemicus Jérémie Sobel de roestvrijstalen smeltkroezen zien waarin de gesmoltenzout-proeven zijn gedaan. ‘Er is van alles om aan te werken: materialen testen, sensoren implementeren, en intussen leren we hoe het zout zich gedraagt’, zegt Sobel. Op een video laat hij zien hoe het gesmolten zout met een speciale pomp wordt rondgepompt, als water in een fonteintje. De precieze samenstelling is bedrijfsgeheim, ‘maar het bevat chloride.’   

Bestaand principe 

Het principe achter de gesmoltenzoutreactor is al oud: in de VS draaide in de jaren zestig het Molten Salt Reactor Experiment (MSRE) in Oak Ridge, Tennessee, dat toen zonder vervolg bleef. ‘Maar het principe werkt gewoon’, zegt De Groot, voorheen werkzaam bij nucleair bedrijf NRG in Petten. Hij was in 2018 een van de oprichters van Thorizon, waar inmiddels 45 mensen werken en dat nu ook een vestiging heeft in Frankrijk. Thorizon heeft tot nu toe zo’n €42 miljoen aan startsubsidies en investeringen ontvangen. Het is overigens niet de enige partij die aan dit type reactor werkt. In China werd in 2023 al de experimentele TMSR-reactor operationeel, en ook onderzoeksinstituten in Frankrijk, Duitsland, Japan en de VS werken aan gesmoltenzoutreactoren. Daarnaast zijn ook start-ups als het Amerikaanse TerraPower en Elysium, het Indonesische Thorcon en het Deense Copenhagen Atomics en Saltfoss Technologies ermee bezig. 

‘Gesmolten zout is net als water, en het is een uitdaging om goede afdichtingen te realiseren bij de hoge temperaturen waar we op werken’ 

Jérémie Sobel, chemicus bij Thorizon

Zoals in alle kernreactoren draait ook hier de reactor op een nucleaire kettingreactie. Een atoomkern zoals uranium, valt uit elkaar, waarbij warmte ontstaat en een paar neutronen. Die kunnen weer botsen met andere kernen, en die doen splijten, en zo ontstaat de kettingreactie. De warmte die daarbij vrijkomt, komt in het circulerende zout terecht. Met hulp van warmtewisselaars wordt het in bruikbare energie omgezet.  

Diverse brandstoffen 

Een voordeel van gesmoltenzoutreactoren is dat de reactoren kunnen draaien op een grote diversiteit aan nucleaire brandstoffen: niet alleen uranium, maar ook het langlevende kernafval van de huidige generatie kernreactoren. Bij de kernreactie van uranium blijven splijtingsproducten over, brokstukken van uit elkaar gevallen kernen. Die blijven typisch een paar honderd jaar radioactief. Maar er ontstaan ook actiniden in, kernen die een neutron ingevangen hebben maar niet uiteenvallen, die vaak tienduizenden jaren radioactief zijn. Zulke langlevende isotopen, die lang veilig opgeslagen moeten blijven, kunnen grotendeels worden ‘opgebrand’ in een gesmoltenzoutreactor. Nog een optie is het verbranden van het element thorium. Het enige natuurlijk voorkomende isotoop thorium-232 is niet splijtbaar. Maar als een thoriumkern een neutron invangt, kan die veranderen in uranium-233, dat wel splijtbaar is. ‘De thorium-cyclus is aantrekkelijk, maar technisch gecompliceerd en ligt nog verder in de toekomst’, zegt De Groot. ’Vandaar de bedrijfsnaam.’ 

Lekkages en corrosie 

Met een hoge bedrijfstemperatuur van 600 tot 700 graden is de energieproductie efficiënter dan die van lichtwaterreactoren, die met water van zo’n 300 graden, en dus onder hoge druk, werken. Doordat er in een gesmoltenzoutreactor wordt gewerkt bij lage druk zijn er bovendien geen drukbestendige circuits nodig.Toch zijn er nog wel wat uitdagingen te overwinnen. ‘Lekkages en corrosie zijn onze grootste uitdagingen’, zegt Sobel. ‘Gesmolten zout is net als water, en het is een uitdaging om goede afdichtingen te realiseren bij de hoge temperaturen waar we op werken.’ Vooral afdichtingen tussen buizen die ook bij 600 graden Celsius goed dicht blijven, zijn lastig te maken. Sobel: ‘Zout zelf is niet corrosief, maar omdat de temperatuur zo hoog is, werkt het als katalysator voor bijna alle reacties. Dus iedere onzuiverheid reageert gemakkelijk met je structurele materiaal.’ Omdat zout vocht aantrekt, is die onzuiverheid vaak vocht, dus is het drooghouden van de reactor van essentieel. 

‘De thorium-cyclus is aantrekkelijk, maar technisch gecompliceerd en ligt nog verder in de toekomst’

Sander de Groot, mede-oprichter Thorizon

Cartridges 

De samenstelling van het zout verandert gedurende de reactie. Als de reactie langer loopt, hopen splijtingsproducten, corrosieproducten en actiniden zich op in het zout. Omdat die op den duur de reactie vergiftigen, zul je ze uit het zout moeten halen. Maar de belangrijkste beperking wordt gevormd door de levensduur van de gebruikte materialen. Voor dat probleem heeft Thorizon een eigen oplossing: het zout stroomt rond in meerdere afgesloten cartridges: smalle modules van circa vijf meter hoog die uitwisselbaar zijn. Meerdere cartridges worden bij elkaar geplaatst, waardoor de brandstof de kritische dichtheid bereikt om een kernreactie op gang te brengen. ‘De neutronen vliegen dwars door de cartridge-wanden heen’, legt De Groot uit. Een meltdown, zoals destijd in de kerncentrales bij Tsjernobyl, is ondenkbaar: als de temperatuur oploopt, dooft de reactie uit. 

Losse cartridges gaan vijf tot tien jaar mee, afhankelijk van de levensduur van de gebruikte materialen, en kunnen gemakkelijk vervangen worden. ‘Dan haal je ze uit de reactor, je laat ze afkoelen, en dan gaan ze op transport naar een reprocessing facility.’ Daar worden zout, brandstof en afval gescheiden en gezuiverd, en nieuwe cartridges worden weer gevuld en teruggestuurd.’  

Zo blijft de reactor zelf relatief simpel, en kun je bijvoorbeeld cartridges met verschillende brandstoffen uitwisselen, of nieuwe versie met langere levensduur introduceren. ‘We hebben de basisbestanddelen van een complete cartridge in 2027’, zegt De Groot. Een demonstratie-reactor zou dan in 2030 gebouwd kunnen worden. Een paar jaar daarna begint de bouw van Thorizon One, een grotere reactor met een vermogen van 250 megawatt. ‘Ja, dat is al best snel’, zegt De Groot, ‘maar we denken dat de planning realistisch is, als alles goed gaat.’