kunstbus

Ben jij de slimste mens? Test je kennisniveau op YaGooBle.com.
Dit artikel is 14 01 2018 15:06 voor het laatst bewerkt.

thorium

Thorium is een scheikundig element met symbool Th en atoomnummer 90. Thorium is in 1828 ontdekt en vernoemd naar de Noorse god van de donder, Thor.

Bronnen
In lage concentraties wordt thorium in veel gesteenten aangetroffen. De belangrijkste thoriumbronnen voor commerciële winning zijn de mineralen thoriet, thorianiet en monaziet die tot wel 12% thoriumoxide bevatten. Zowat de helft van de wereldreserves van 1,9 miljoen ton aan thorium bevindt zich in India. Ook de Verenigde Staten en Australië bezitten aanzienlijke voorraden thorium in hun ondergrond.

Eigenschappen
Thorium zelf is een zacht, zilverwit metaal dat zich goed laat bewerken. Het is vrij stabiel aan de lucht. Het metaal zelf wordt niet veel toegepast. Van alle oxiden heeft thorium(IV)oxide (ThO2) het hoogste smeltpunt (3300°C).

Toepassingen
De eerste praktische toepassing van thorium was in gaskousjes in draagbare gaslampen aan het einde van de 19e eeuw. Deze gaskousjes bestonden uit thoriumoxide plus 1% cesiumoxide en nog andere stoffen. Daarna is de industriële toepasbaarheid gestaag toegenomen:
 . Voor het coaten van wolfraam draden in elektronische apparatuur.
 . In legeringen met magnesium zorgt het voor verhoogde corrosiebestendigheid, sterkte en kruipbestendigheid bij hoge temperaturen.
 . Als toevoeging aan glas zorgt thorium voor een hogere brekingsindex en wordt als zodanig toegepast in wetenschappelijke optische apparatuur.
 . Als katalysator is thoriumoxide geschikt voor de productie van salpeterzuur en zwavelzuur en bij de raffinage van aardolie.
 . Uranium-thoriumdatering laat toe om de ouderdom van fossielen te bepalen.
 . Als toevoeging aan de elektrode voor het TIG-lassen, waarmee betere laseigenschappen ontstonden. Heden ten dage zijn deze nagenoeg niet meer te verkrijgen wegens het stof dat vrijkomt tijdens het noodzakelijke slijpen van de elektrodes (met speciale afzuigingssystemen is het toegestaan).

 . Thorium is ook een geschikt element voor de productie van nucleaire brandstof. Het hoofdonderwerp van dit artikel.

Actiniden
Thorium is een zilverwit actinide. De actiniden (of actonoïen) zijn een serie van 15 elementen met een atoomnummer van 89 tot en met 103. Actiniden zijn radioactief en vervallen spontaan naar lagere elementen (uiteindelijk naar lood, Pb met atoomnummer 82).  Alleen de actiniden thorium met atoomnummer 90 en uranium met atoomnummer 92 komen nog als natuurlijk element op Aarde voor doordat zij isotopen hebben met een halveringstijd van miljarden jaren.

Isotopen
Een atoom bestaat uit een atoomkern met daaromheen een wolk van elektronen. De kern bestaat uit een aantal protonen en een aantal neutronen. Het aantal protonen bepaalt de chemische eigenschappen en het atoomnummer van het element, voor thorium dus 90. Het aantal neutronen in de kern van een atoomsoort kan verschillen. Het aantal neutronen bepaalt onder meer de stabiliteit van de kern en, samen met het aantal protonen, de atoommassa. Het massagetal van een atoom is de som van het aantal protonen en neutronen in de atoomkern. Twee atomen met hetzelfde aantal protonen maar een verschillend aantal neutronen noemen we twee isotopen van hetzelfde element. Dit getal wordt linksboven het atoom aangegeven. Voor bijvoorbeeld thorium met 232 protonen en neutronen wordt dat dan 232Th. Ook de notatie Th-232 wordt gebruikt. Isotoop 232Th bestaat dus uit 90 protonen en 142 neutronen en bijv. Isotoop 233Th bestaat dan dus uit 90 protonen en 143 neutronen.

De lagere actiniden (Actinium met atoomnummer 89 en Protactinium met atoomnummer 91) komen voor als vervalproducten van de isotopen Thorium en Uranium. Dat wil zeggen dat zij verdwenen zouden zijn als ze niet voortdurend door het verval van 232Th, 238U en 235U aangemaakt werden. De elementen met atoomnummers 93 en hoger kunnen alleen kunstmatig door kernreacties geproduceerd worden.

De 29 gekende (radio-)isotopen van Thorium zijn onstabiel en hebben een relatief korte halfwaardetijd (de meeste minder dan een seconde). De kortstlevende isotoop van thorium is 209Th, met een halfwaardetijd van ongeveer 7 milliseconden. In de natuur komen sporen van de isotopen 227Th, 228Th, 230Th, 231Th en 234Th voor. De langstlevende isotoop 232Th, met een halfwaardetijd van meer dan 14 miljard jaar die daarmee bij benadering als stabiel kan worden beschouwd, komt echter het meest voor.

Thorium als kernbrandstof
Thorium kan, net als uranium en plutonium, worden gebruikt als brandstof in een kernreactor. Kernsplijting is in de natuurkunde een proces waarbij een zware onstabiele atoomkern zich deelt of splijt in twee of meer lichtere kernen, waarbij aanzienlijke hoeveelheden energie vrijkomen.

Voor Thorium wordt liefst een Molten Salt Reactor (MSR) gebruikt. Zo'n type reactor koelt niet als in een uraniumreactor met water (onder druk) maar met gesmolten zout dat niet onder druk staat. De brandstof wordt opgelost in zout, chloor- of fluorzouten dat heet wordt en voor de stoom zorgt maar tegelijkertijd als koelvloeistof werkt. De Liquid Fluor Thorium Reactor (LFTR; spreek uit: ‘lifter’) is een specifiek type van deze reactorsoort, namelijk die welke thorium als brandstof heeft. Dit is omdat je het niet splijtbare thorium eerst om moet zetten naar het uranium-233, wat je vervolgens splijt om de energie te genereren. Voor dat proces heb je twee neutronen nodig en dus een MSR-reactor die erg zuinig omgaat met neutronen. Zo’n gesmoltenzoutreactor is nog maar één keer gebouwd. In de jaren zestig van de vorige eeuw bouwden de Amerikanen een testreactor, maar daar is daarna niks meer mee gedaan. China is op het moment als eerste land bezig met de bouw van zo’n reactor.

Hoewel thorium zelf niet splijtbaar is, kan het na absorptie van langzame neutronen de uraniumisotoop 233U vormen, die wel splijtbaar is (vergelijkbaar met 238U dat kan worden opgekweekt tot het splijtbare plutonium 239Pu). 233U levert bij splijting meer neutronen per geabsorbeerd neutron dan het in de meeste kerncentrales gebruikte 235U en 239Pu. Dit maakt dit kweekproces efficiënter dan de gangbare methoden.

Het proces verloopt ongeveer als volgt:
 . In een reactorvat wordt een mengsel gebracht van vloeibaar thoriumfluoride, 232Th opgelost in fluorzouten die ook als koelvloeistof dienen. De temperatuur in het vat wordt desondanks hoog gehouden, wat de boel vloeibaar houdt.
 . Er wordt om te beginnen ook een beetje uranium (U-235) bijgemengd, want thorium is op zichzelf niet splijtbaar; de splijtstof moet worden gemaakt. Het U-235 schiet een neutron af op het Th-232
 . Het 232Th absorbeert het neutron waarbij 233Th wordt gevormd. (Hierbij komt doorgaans een elektron en een antineutrino vrij.)
 . Door bètaverval gaat dat snel over in het actinide protactinium-233 (233Pa) met atoomnummer 91.
 . Het 233Pa absorbeert dan ook een neutron, ditmaal onder vorming van 233U. (Waarbij wederom doorgaans een elektron en een antineutrino vrijkomt.)
 . Het splijtbare 233U  wordt vervolgens buiten de reactor langs chemische weg gescheiden van de thorium, en weer aan de reactor toegevoegd.
 . Of valt uiteen, waarbij energie vrijkomt alsmede een neutron, dat weer Th-233 aanmaakt uit de aanwezige Th-232, waardoor de reactie in principe eindeloos doorgaat, zolang productie en consumptie van U-233 maar in evenwicht blijven.

Een van de eerste experimenten met de thoriumcyclus werd uitgevoerd in het Oak Ridge National Laboratory te Oak Ridge (Tennessee) in de zestiger jaren. Het programma werd echter in 1976 gestopt vanwege gebrek aan geld. In reactors zoals de Canadese CANDU-6 wordt thorium reeds gebruikt in combinatie met plutonium-239. In 2007 overwoog men in Noorwegen zich voor energie-opwekking op thoriuminstallaties te richten, onder meer vanwege de ruime beschikbaarheid van thoriumerts in dat land.

Kosten
Het zal nog vele tientallen miljarden euro’s kosten om een thoriumcyclus en -infrastructuur op te bouwen. Om een voorbeeld van de kosten van kernenergie te geven: de bouw van de nieuwe Finse kerncentrale Olkiluoto – gebaseerd op uranium technologie - begon in 2005 en zou 3,2 miljard euro kosten. De centrale had in 2009 in bedrijf moeten komen, maar dat wordt nu 2018. De reactorbouwer, het Franse Areva, stelde op 28 februari 2014 dat de bouw van de centrale 8,5 miljard euro gaat kosten.

Milieuaspecten
Ook al zou je met thorium centrales het CO2- en klimaatprobleem deels oplossen, je creëert wel een aantal andere milieuproblemen.

Toxicologie en veiligheid
Hoewel thorium zelf niet erg radioactief is, zijn veel vervalproducten van thorium dat wel. Het vervalt in 6 alfa- en 4 bètastappen tot 208Pb (de thoriumreeks) en onderweg vormt het onder andere het edelgas 220Rn dat gevaar voor besmetting oplevert.

Het grootste gezondheidsgevaar van thorium is echter de stof zelf: de alfastraling kan de huid niet doordringen, maar bij inname hoopt het zich op in de lever, milt, lymfeknopen en botten. De 'biologische halveringstijd' van thorium is ongeveer 22 jaar, wat in de praktijk betekent dat de alfastraling gedurende de rest van het leven schade toebrengt en daarbij de kans op leverkanker en leukemie verhoogt.

Bronnen:
 Thorium - een goed idee? https://wisenederland.nl/kernenergie/thorium
 Is er toekomst voor de gesmolten zout reactor? https://www.fluxenergie.nl/niet-doen/
 Green nuclear energy http://www.janleenkloosterman.nl/
 Veiligere kernenergie kan, maar komt het er ook? https://www.nrc.nl/nieuws/2018/01/05/veiligere-kernenergie-kan-maar-komt-het-er-ook-a1587297


Test je competentie op YaGooBle.com.

Pageviews vandaag: 1965.