En 1815, el famoso químico sueco Jens Jakob Berzelius anunció el descubrimiento de un nuevo elemento, al que llamó torio en honor a Thor, el dios del trueno e hijo del dios supremo escandinavo Odín. Sin embargo, en 1825 se descubrió que este descubrimiento fue un error. Sin embargo, el nombre resultó útil: Berzelius se lo dio a un nuevo elemento que descubrió en 1828 en uno de los minerales noruegos (ahora este mineral se llama torita). Este elemento puede tener un gran futuro por delante, donde podrá desempeñar un papel en la energía nuclear no inferior en importancia al principal combustible nuclear: el uranio.
| Ventajas y desventajas | |
| + | Hay varias veces más torio en la Tierra que uranio. |
| + | No es necesario separar isótopos |
| + | La contaminación radiactiva durante la extracción de torio es significativamente menor (debido al radón de vida más corta) |
| + | Puede utilizar reactores térmicos existentes. |
| + | El torio tiene mejores propiedades termomecánicas que el uranio. |
| + | El torio es menos tóxico que el uranio. |
| + | Cuando se utiliza torio, no se forman actínidos menores (isótopos radiactivos de larga duración). |
| - | Durante la irradiación de torio se forman isótopos emisores de rayos gamma, lo que dificulta el reprocesamiento del combustible. |
La energía nuclear, en la que ahora se depositan tantas esperanzas, es una rama secundaria de los programas militares, cuyos principales objetivos eran la creación de armas atómicas (y un poco más tarde, reactores para submarinos). Como material nuclear para fabricar bombas, se podía elegir entre tres opciones posibles: uranio-235, plutonio-239 o uranio-233.
Así es como se ve el ciclo nuclear del torio, que ilustra la transformación del torio en un combustible nuclear altamente eficiente: el uranio-233.
El uranio-235 se encuentra en el uranio natural en cantidades muy pequeñas: sólo el 0,7% (el 99,3% restante es el isótopo 238) y debe aislarse, lo cual es un proceso costoso y complejo. El plutonio-239 no existe en la naturaleza; debe producirse irradiando uranio-238 con neutrones en un reactor y luego separándolo del uranio irradiado. De la misma forma, el uranio-233 se puede obtener irradiando torio-232 con neutrones.
En la década de 1960, se planeó cerrar el ciclo nuclear del uranio y el plutonio utilizando aproximadamente el 50% de las centrales nucleares mediante reactores térmicos y el 50% mediante reactores rápidos. Pero el desarrollo de los reactores rápidos ha causado dificultades, por lo que actualmente en la central nuclear de Beloyarsk sólo está en funcionamiento un reactor de este tipo: el BN-600 (y se ha construido otro, el BN-800). Por tanto, se puede crear un sistema equilibrado a partir de reactores térmicos de torio y aproximadamente un 10% de reactores rápidos, que compensarán el combustible faltante para los térmicos.
Los dos primeros métodos se implementaron en la década de 1940, pero los físicos decidieron no molestarse con el tercero. El hecho es que en el proceso de irradiación de torio-232, además del útil uranio-233, también se forma una impureza dañina: el uranio-232 con una vida media de 74 años, cuya cadena de desintegración conduce a la aparición del talio-208. Este isótopo emite rayos gamma de alta energía (duros), contra los cuales se requieren gruesas placas de plomo para protegerse. Además, la fuerte radiación gamma desactiva los circuitos electrónicos de control, de los que es imposible prescindir en el diseño de armas.
Sin embargo, el torio no ha sido olvidado por completo. En los años 40, Enrico Fermi propuso producir plutonio en reactores de neutrones rápidos (más eficientes que los térmicos), lo que llevó a la creación de los reactores EBR-1 y EBR-2. En estos reactores, el uranio-235 o el plutonio-239 es la fuente de neutrones que convierten el uranio-238 en plutonio-239. En este caso, se puede formar más plutonio del que se "quema" (1,3-1,4 veces), razón por la cual estos reactores se denominan "reproductores".
Otro grupo científico liderado por Eugene Wigner propuso su propio diseño de reactor reproductor, pero no con neutrones rápidos, sino con neutrones térmicos, con torio-232 como material irradiado. La tasa de reproducción disminuyó, pero el diseño era más seguro. Sin embargo, hubo un problema. El ciclo del combustible del torio se ve así. Al absorber un neutrón, el torio-232 se convierte en torio-233, que rápidamente se convierte en protactinio-233 y se desintegra espontáneamente en uranio-233 con una vida media de 27 días. Y durante este mes, el protactinio absorberá neutrones, interfiriendo con el proceso de producción. Para solucionar este problema, sería bueno eliminar el protactinio del reactor, pero ¿cómo hacerlo? Después de todo, la carga y descarga constante de combustible reduce la eficiencia operativa a casi cero. Wigner propuso una solución muy ingeniosa: un reactor con combustible líquido en forma de una solución acuosa de sales de uranio. En 1952, se construyó un prototipo de tal reactor, el Experimento de Reactor Homogéneo (HRE-1), en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge bajo la dirección del alumno de Wigner, Alvin Weinberg. Y pronto apareció un concepto aún más interesante, ideal para trabajar con torio: un experimento con un reactor de sales fundidas. El combustible, en forma de fluoruro de uranio, se disolvió en una fusión de fluoruros de litio, berilio y circonio. MSRE funcionó de 1965 a 1969, y aunque allí no se utilizó torio, el concepto en sí resultó bastante viable: el uso de combustible líquido aumenta la eficiencia operativa y permite eliminar del núcleo los productos de descomposición nocivos.
Un reactor de sal líquida permite un control mucho más flexible del ciclo del combustible que las plantas térmicas convencionales y utiliza combustible con la mayor eficiencia, eliminando los productos de descomposición dañinos del núcleo y agregando nuevo combustible según sea necesario.
Sin embargo, los reactores de sales fundidas (MSR) no se han generalizado, ya que los reactores térmicos convencionales que utilizan uranio resultaron ser más baratos. La industria de la energía nuclear mundial ha tomado el camino más simple y económico, utilizando como base reactores de agua a presión probados (VVER), descendientes de los diseñados para submarinos, así como reactores de agua enfriados por agua hirviendo. Los reactores moderados por grafito, como el RBMK, representan otra rama del árbol genealógico: descienden de los reactores de producción de plutonio. "El principal combustible de estos reactores es el uranio-235, pero sus reservas, aunque bastante importantes, son limitadas", explica a Popular Mechanics Stanislav Subbotin, jefe del departamento de investigación estratégica sistémica del Centro de Investigación del Instituto Kurchatov. — Esta cuestión comenzó a considerarse en los años 1960, y luego se consideró que la solución planificada a este problema era la introducción en el ciclo del combustible nuclear del uranio-238 residual, cuyas reservas son casi 200 veces mayores. Para lograrlo, se planeó construir muchos reactores de neutrones rápidos que producirían plutonio con un factor de reproducción de 1,3-1,4, de modo que el exceso pudiera usarse para alimentar reactores térmicos. En la central nuclear de Beloyarsk se puso en marcha el reactor rápido BN-600, aunque no en modo reproductor. Recientemente se construyó allí otro: el BN-800. Pero para construir un ecosistema de energía nuclear eficaz, se necesita aproximadamente el 50% de esos reactores”.
Todos los isótopos radiactivos que se encuentran naturalmente en la naturaleza pertenecen a una de tres familias (series radiactivas). Cada una de estas filas es una cadena de núcleos conectados por desintegración radiactiva secuencial. Los antepasados de la serie radiactiva son los isótopos de larga vida uranio-238 (vida media de 4,47 mil millones de años), uranio-235 (704 millones de años) y torio-232 (14,1 mil millones de años). Las cadenas terminan con isótopos estables de plomo. Hay otra serie que comienza con el neptunio-237, pero su vida media es demasiado corta (sólo 2,14 millones de años), por lo que no se encuentra en la naturaleza.
Aquí es donde entra en juego el torio. “A menudo se considera que el torio es una alternativa al uranio-235, pero esto es totalmente erróneo”, afirma Stanislav Subbotin. — El torio en sí, al igual que el uranio-238, no es en absoluto un combustible nuclear. Sin embargo, colocándolo en un campo de neutrones en el reactor de agua a presión más común, se puede obtener un combustible excelente: el uranio-233, que luego se puede utilizar para el mismo reactor. Es decir, no se necesitan modificaciones ni cambios importantes en la infraestructura existente. Otra ventaja del torio es su abundancia en la naturaleza: sus reservas son al menos tres veces mayores que las del uranio. Además, no es necesaria la separación de isótopos, ya que durante la extracción asociada sólo se encuentra torio-232 junto con elementos de tierras raras. Una vez más, durante la extracción de uranio, el área circundante está contaminada por radón-222 de vida relativamente larga (vida media de 3,8 días) (en la serie del torio, el radón-220 tiene una vida corta, 55 segundos, y no tiene tiempo para propagarse). ). Además, el torio tiene excelentes propiedades termomecánicas: es refractario, menos propenso a agrietarse y emite menos gases radiactivos cuando se daña el revestimiento de la barra de combustible. La producción de uranio-233 a partir de torio en reactores térmicos es aproximadamente tres veces más eficiente que la de plutonio a partir de uranio-235, por lo que la presencia de al menos la mitad de estos reactores en el ecosistema de energía nuclear cerrará el ciclo del uranio y el plutonio. Es cierto que seguirán siendo necesarios reactores rápidos, ya que el factor de reproducción de los reactores de torio no supera uno”.
Para producir 1 GW en el transcurso de un año, se necesitan: extraer 250 toneladas de uranio natural (que contienen 1,75 toneladas de uranio-235); 215 toneladas de uranio empobrecido (incluidas 0,6 toneladas de uranio-235); en vertederos; En el reactor se cargan 35 toneladas de uranio enriquecido (de las cuales 1,15 toneladas son uranio-235); El combustible gastado contiene 33,4 toneladas de uranio-238, 0,3 toneladas de uranio-235, 0,3 toneladas de plutonio-239 y 1 tonelada de productos de desintegración. 1 tonelada de torio-232, cuando se carga en un reactor de sales fundidas, se convierte completamente en 1 tonelada de uranio-233; 1 tonelada de productos de desintegración, de los cuales el 83% son isótopos de vida corta (se desintegran hasta convertirse en isótopos estables en unos diez años).
Sin embargo, el torio también tiene un inconveniente bastante grave. Cuando el torio se irradia con neutrones, el uranio-233 se contamina con uranio-232, que sufre una cadena de desintegración que conduce al isótopo duro emisor gamma talio-208. “Esto complica enormemente el trabajo en el procesamiento del combustible”, explica Stanislav Subbotin. “Pero, por otro lado, facilita la detección de dicho material, reduciendo el riesgo de robo. Además, en un ciclo nuclear cerrado y con un procesamiento automatizado del combustible, esto no importa mucho”.
En Rusia y otros países: Noruega, China, India y Estados Unidos se están realizando experimentos sobre el uso de barras de combustible de torio en reactores térmicos. “Ha llegado el momento de volver a la idea de los reactores de sales fundidas”, afirma Stanislav Subbotin. — La química de los fluoruros y de las fusiones de fluoruros está bien estudiada gracias a la producción de aluminio. Para el torio, los reactores de sales fundidas son mucho más eficientes que los reactores agua-agua convencionales, ya que permiten una carga y eliminación flexibles de los productos de descomposición del núcleo del reactor. Además, con su ayuda es posible implementar enfoques híbridos, utilizando no combustible nuclear como fuente de neutrones, sino instalaciones termonucleares, al menos los mismos tokamaks. Además, el reactor de sales fundidas nos permite resolver el problema con actínidos menores: isótopos de larga vida de americio, curio y neptunio (que se forman en el combustible irradiado), “poscombustiéndolos” en un reactor de basura. Así que en las próximas décadas no podremos prescindir del torio en la energía nuclear”.
El ciclo del combustible del torio es un ciclo del combustible nuclear que utiliza isótopos de torio-232 como materia prima nuclear. El torio-232, durante la reacción de separación en el reactor, se transmuta en el isótopo artificial uranio-233, que se utiliza como combustible nuclear. A diferencia del uranio natural, el torio natural contiene sólo fracciones muy pequeñas de material fisionable (por ejemplo, torio-231), lo que no es suficiente para iniciar una reacción nuclear en cadena. Para iniciar el ciclo del combustible es necesaria la presencia de material fisionable adicional u otra fuente de neutrones. En un reactor de torio, el torio-232 absorbe neutrones para producir finalmente uranio-233. Dependiendo del diseño del reactor y del ciclo de combustible, el isótopo de uranio-233 creado puede fisionarse en el propio reactor o separarse químicamente del combustible nuclear gastado y refundirse para obtener nuevo combustible nuclear.
El ciclo del combustible del torio tiene varias ventajas potenciales sobre el ciclo del combustible del uranio, incluida una mayor abundancia, mejores propiedades físicas y nucleares que no se encuentran en el plutonio y otros actínidos, y una mejor resistencia a la proliferación nuclear que conlleva el uso de reactores de agua ligera en lugar de reactores nucleares fundidos. sales.
La única fuente de torio son los granos amarillos translúcidos de monacita (fosfato de cerio).
La controversia sobre las limitadas reservas de uranio del mundo despertó el interés inicial en el ciclo del combustible del torio. Se hizo evidente que las reservas de uranio son agotables y que el torio puede sustituir al uranio como materia prima para combustible nuclear. Sin embargo, la mayoría de los países tienen depósitos de uranio relativamente ricos y la investigación sobre el ciclo del combustible del torio ha sido extremadamente lenta. Una excepción importante es la India y su programa nuclear de tres etapas. En el siglo XXI, el potencial del torio para resistir la proliferación nuclear y las características de las materias primas del combustible gastado han llevado a un renovado interés en el ciclo del combustible del torio.
El Laboratorio Nacional de Oak Ridge en la década de 1960 operó un reactor experimental de sales fundidas utilizando uranio-233 como material fisible con el fin de experimentar y demostrar el funcionamiento de un reactor reproductor de sales fundidas que funciona según el principio del ciclo del torio. Experimentos con un reactor de sales fundidas con capacidad de torio utilizando fluoruro de torio (IV) disuelto en una sal fundida. Esto redujo la necesidad de producir pilas de combustible. El programa PRS se suspendió en 1976 tras el despido de su curador Alvin Weinberg.
En 2006, Carlo Rubbia propuso el concepto de acelerador de energía o "acelerador controlado", que consideró una innovación y una forma segura de producir energía nuclear utilizando tecnologías de aceleración de energía existentes. La idea de Rubbia ofrece la posibilidad de quemar residuos nucleares altamente radiactivos y producir energía a partir de torio natural y uranio empobrecido.
Kirk Sorensen, ex científico de la NASA y director de tecnología nuclear de Teledyne Brown Engineering, ha promovido durante mucho tiempo la idea de un ciclo de combustible de torio, específicamente reactores de fluoruro de torio líquido (LTFR). Fue pionero en la investigación sobre reactores de torio mientras trabajaba en la NASA, cuando evaluaban varios conceptos de plantas de energía para colonias lunares. En 2006, Sorensen fundó el sitio web "Energyfromthorium.com" para informar y promover esta tecnología.
En 2011, el MIT concluyó que, si bien existen pocas barreras al ciclo del combustible de torio, el estado actual de los reactores de agua ligera ofrece pocos incentivos para llevar dicho ciclo al mercado. De esto se deduce que la posibilidad de que el ciclo del torio desplace al ciclo tradicional del uranio en el mercado actual de la energía nuclear es extremadamente pequeña, a pesar de los beneficios potenciales.
Durante el ciclo del torio, el torio-232 captura neutrones (esto ocurre tanto en reactores rápidos como térmicos) para convertirlos en torio-233. Esto suele provocar la emisión de electrones y antineutrinos durante la desintegración del β y la aparición de protactinio-233. Luego, con la segunda desintegración del β y la emisión repetida de electrones y antineutrinos, se forma el uranio-233, que se utiliza como combustible.
La fisión nuclear produce productos de desintegración radiactiva que pueden tener vidas medias que van desde unos pocos días hasta más de 200.000 años. Según algunos estudios toxicológicos, el ciclo del torio puede procesar completamente los desechos de actínidos y solo emitir desechos de productos de fisión, y sólo después de unos siglos los desechos del reactor de torio se volverán menos tóxicos que los minerales de uranio, que pueden usarse para producir combustible de uranio empobrecido para una potencia similar del reactor de agua ligera.
En un reactor donde los neutrones chocan contra un átomo fisible (por ejemplo, ciertos isótopos de uranio), pueden ocurrir tanto la separación nuclear como la captura de neutrones y la transmutación del átomo. En el caso del uranio-233, la transmutación conduce a la producción de combustible nuclear útil, así como a residuos de transuranio. Cuando el uranio-233 absorbe un neutrón, puede ocurrir una reacción de fisión o conversión a uranio-234. La probabilidad de dividir o absorber un neutrón térmico es aproximadamente del 92%, mientras que la relación entre la sección transversal de captura y la sección transversal de fisión para los neutrones en el caso del uranio-233 es aproximadamente 1:12. Esta cifra es mayor que las proporciones correspondientes de Urano-235 (aproximadamente 1:6), Plutón-239 o Plutón-241 (ambos tienen proporciones de aproximadamente 1:3). El resultado es una menor cantidad de residuos transuránicos que en un reactor con un ciclo de combustible tradicional de uranio-plutonio.
El uranio-233, como la mayoría de los actínidos con diferente número de neutrones, no se fisiona, pero cuando los neutrones son "capturados", aparece el isótopo fisionable uranio-235. Si no se produce la reacción de fisión o captura de neutrones del isótopo fisionable, aparecen Uranio-236, Neptunio-237, Plutonio-238 y, eventualmente, el isótopo fisionable Plutonio-239 e isótopos más pesados de plutonio. El neptunio-237 puede eliminarse y almacenarse como desecho, o conservarse y transmutarse en plutonio, que será mejor fisible, mientras que el resto se convierte en plutonio-242, luego americio y curio. Estos, a su vez, pueden eliminarse como desechos o devolverse a los reactores para su posterior transmutación y fisión.
Sin embargo, el Protactinio-231, con una vida media de 32.700 años, se forma mediante reacciones con el Torio-232, a pesar de no ser un residuo transuránico, y es el principal causante de residuos radiactivos de larga duración.
El uranio-232 también aparece durante la reacción entre neutrones rápidos y uranio-233, protactinio-233 y torio-232.
El uranio-232 tiene una vida media relativamente corta (68,9 años) y algunos productos de su desintegración emiten radiación gamma de alta energía, al igual que el radón-224, el bismuto-212 y parcialmente el talio-208.
El ciclo del torio produce radiación gamma fuerte que daña los componentes electrónicos, limitando su uso como disparador de bombas nucleares. El uranio-232 no se puede separar químicamente del uranio-233 que se encuentra en el combustible nuclear gastado. Sin embargo, la separación química del torio del uranio elimina los productos de desintegración del torio-228 y la radiación del resto de la cadena de vida media, lo que conduce gradualmente a la reacumulación de torio-228. La contaminación también se puede prevenir utilizando un reproductor de sales fundidas y separando el protactinio-233 antes de que se descomponga en uranio-233. La fuerte radiación gamma también puede crear un peligro radiobiológico que requiere la operación de telepresencia.
Como combustible nuclear, el torio es similar al uranio-238, que constituye la mayor parte del uranio natural y empobrecido. El índice de la sección transversal nuclear del neutrón térmico absorbido y la integral de resonancia (el número promedio de la sección transversal nuclear de neutrones con energía intermedia) para el Torio-232 es aproximadamente igual a tres, y es un tercio del indicador correspondiente para Uranio-238.
Se estima que el torio es de tres a cuatro veces más común en la corteza terrestre que el uranio, aunque los datos sobre sus reservas son en realidad extremadamente limitados. Las necesidades actuales de torio se satisfacen con productos secundarios de tierras raras extraídos de arenas de monacita.
Aunque el uranio-233 tiene una sección transversal de neutrones térmicos fisibles comparable a la del uranio-235 y el plutonio-239, tiene una sección transversal de neutrones atrapados mucho menor que la de los dos últimos isótopos, lo que da como resultado una menor absorción de neutrones no fisibles y un mayor equilibrio de neutrones. . Después de todo, la proporción de neutrones liberados y absorbidos en el uranio-233 es más de dos en una amplia gama de energías, incluida la energía térmica. Como resultado, el combustible a base de torio podría convertirse en el componente principal de un reactor reproductor térmico. Un reactor reproductor con un ciclo de uranio-plutonio se ve obligado a utilizar el espectro de neutrones rápidos, ya que en el espectro térmico un neutrón es absorbido por el plutonio-239 y, en promedio, 2 neutrones desaparecen durante la reacción.
El combustible a base de torio también exhibe excelentes propiedades físicas y químicas, lo que permite mejorar el rendimiento del reactor y del repositorio. En comparación con el dióxido de uranio, el combustible predominante en los reactores, el dióxido de torio tiene una mayor influencia en la temperatura, la conductividad térmica y un menor coeficiente de expansión térmica. El dióxido de torio también muestra una mejor estabilidad química y, a diferencia del dióxido de uranio, no es capaz de sufrir más oxidación.
Debido a que el uranio-233 producido en el combustible de torio está fuertemente contaminado por el uranio-232 en los conceptos de reactores propuestos, el combustible gastado de torio es resistente a la proliferación de armas. El uranio-232 no se puede separar químicamente del uranio-233 y tiene varios productos de desintegración que emiten radiación gamma de alta energía. Estos protones de alta energía conllevan un riesgo radiactivo, lo que requiere la manipulación remota del uranio separado y la detección nuclear de dichas sustancias.
Las sustancias basadas en combustible gastado de uranio con una vida media larga (de 1.000 a 1.000.000 de años) plantean un peligro radiactivo debido a la presencia de plutonio y otros actínidos menores, después del cual aparecen nuevamente productos de fisión de vida larga. Un neutrón capturado por el uranio-238 es suficiente para crear elementos transuránicos, mientras que se necesitan cinco "capturas" de este tipo para un proceso similar con el torio-232. Entre el 98% y el 99% del ciclo nuclear del torio resulta en la fisión del uranio-233 o del uranio-235, por lo que se producen menos elementos transuránicos de vida larga. Debido a esto, el torio parece ser una alternativa potencialmente atractiva al uranio en combustible de óxidos mixtos para minimizar la producción de especies transuránicas y maximizar la cantidad de plutonio descompuesto.
Existen varios obstáculos para el uso del torio como combustible nuclear, en particular para reactores de combustible sólido.
A diferencia del uranio, el torio natural suele ser mononuclear y no contiene isótopos fisibles. Para alcanzar la criticidad se debe agregar material fisionable, típicamente uranio-233, uranio-235 o plutonio. Esto, junto con la alta temperatura de sinterización requerida para el dióxido de torio, hace que el combustible sea difícil de producir. El Laboratorio Nacional de Oak Ridge llevó a cabo experimentos con tetrafluoruro de torio como combustible para reactores de sales fundidas de 1964 a 1969. Se esperaba que se facilitara el proceso de producción y separación de sustancias de los contaminantes para frenar o detener la reacción en cadena.
En un ciclo de combustible único (por ejemplo, procesando uranio-233 en el propio reactor), es necesario un quemado más severo para lograr el equilibrio de neutrones deseado. Aunque el dióxido de torio es capaz de producir entre 150.000 y 170.000 megavatios-día/tonelada en las centrales nucleares experimentales de Fort Saint-Rain y Jülich, existen serias dificultades para alcanzar esos niveles en los reactores de agua ligera, que constituyen la gran mayoría de los reactores existentes. .
En un ciclo de combustible de torio de una sola vez, el uranio-233 restante permanece en el combustible gastado como un isótopo de larga vida.
Otro obstáculo es que el ciclo del combustible de torio tarda comparativamente más tiempo en convertir el torio-232 en uranio-233. La vida media del protactinio-233 es de aproximadamente 27 días, mucho más larga que la vida media del neptunio-239. Como resultado, la sustancia principal del combustible de torio es el duradero protactinio-239. El protactinio-239 es un potente absorbente de neutrones y, aunque puede producirse una conversión en uranio-235 fisionable, se requiere el doble de neutrones absorbidos, lo que altera el equilibrio neutrónico y aumenta la probabilidad de producir especies transuránicas.
Por otro lado, si se utiliza torio sólido en un ciclo de combustible cerrado donde se procesa uranio-233, se requiere interacción remota para producir el combustible debido a los altos niveles de radiación causados por los productos de desintegración del uranio-232. Esto también es cierto cuando se trata de torio procesado debido a la presencia de Torio-228, que forma parte de la cadena de desintegración. Además, a diferencia de la tecnología probada para el reprocesamiento del combustible de uranio, la tecnología para el reprocesamiento del torio apenas se encuentra en desarrollo.
Aunque la presencia de uranio-232 complica las cosas, hay documentos publicados que muestran que se utilizó uranio-233 en pruebas nucleares. Estados Unidos probó una bomba compleja que contenía uranio-233 y plutonio en el núcleo durante la Operación Tetera en 1955, aunque se lograron equivalentes de TNT mucho más bajos.
A pesar de que el combustible a base de torio produce muchas menos sustancias transuránicas que sus análogos a base de uranio, a veces se puede producir una cierta cantidad de actínidos de larga vida con un fondo radiactivo a largo plazo, en particular el protactinio-231.
El torio es un metal débilmente radiactivo de origen natural descubierto en 1828 por el químico sueco Jens Berzelius, quien le puso el nombre de Thor, el dios escandinavo de la guerra. Está presente en pequeñas cantidades en muchas rocas y suelos, donde su contenido es casi tres veces mayor que el del uranio. El suelo contiene aproximadamente seis partes por millón de torio.
El torio se encuentra en muchos minerales, el más común de los cuales es el mineral de tierras raras fosfato de torio, la monacita, que contiene hasta un 12% de óxido de torio. Los depósitos de este mineral se encuentran en varios países. El torio-232 se desintegra muy lentamente (su vida media es casi tres veces la edad de la Tierra), pero contiene otros isótopos de torio y en las cadenas de desintegración del uranio. La mayoría de ellos son elementos de vida corta y, por tanto, mucho más radiactivos que el Th-232, aunque en términos de masa su contenido es insignificante.
| Reservas mundiales de torio (disponibles para la minería) | ||||||||||||||||||||
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| (Fuente: USGS, Reservas Minerales, enero de 1999) |
El torio, al igual que el uranio, puede utilizarse como combustible nuclear. El Th-232, que en sí mismo es un material no fisible, absorbe neutrones lentos y forma uranio-233 fisible. Al igual que el U-2238, el torio-232 es una materia prima para combustible.
En un aspecto significativo, el U-233 es superior al uranio-235 y al plutonio-239, ya que tiene un mayor rendimiento de neutrones por neutrón absorbido. Al iniciar la reacción con otro material fisionable (U-235 o Pu-239), se puede lograr un ciclo de material fisionable similar, pero más eficiente, al ciclo del U-238 y el plutonio en los reactores de neutrones lentos. Th-232 absorbe un neutrón y se convierte en Th-233, que, al desintegrarse, se convierte en Ra-233 y luego en U-233. El combustible irradiado puede retirarse del reactor, separarse el U-233 del torio y cargarse en otro reactor como parte de un ciclo cerrado del combustible.
Durante los últimos 30 años ha habido interés en el torio como combustible nuclear, ya que sus reservas en la corteza terrestre son tres veces mayores que las de uranio. Además, en los reactores se puede utilizar todo el torio extraído, a diferencia del isótopo U-235 al 0,7% del uranio natural.
La opción principal en los PWR serían conjuntos de combustible montados de manera que una capa compuesta principalmente de torio cubra un elemento semilla de mayor enriquecimiento que contenga U-235, que produce neutrones para la capa subcrítica. Como el U-233 se produce en una manta, arde allí. Se trata de un reactor reproductor de agua ligera que superó con éxito las pruebas de demostración en los EE.UU. en los años 1970.
La posibilidad de implementar ciclos de combustible de torio se estudia desde hace unos 30 años, pero con mucha menos intensidad que los ciclos de uranio o uranio-plutonio. Los principales trabajos de investigación y diseño se llevaron a cabo en Alemania, India, Japón, Rusia, Gran Bretaña y Estados Unidos. También se llevó a cabo una prueba de irradiación del combustible de torio en los reactores hasta obtener un alto nivel de quemado. Varios reactores experimentales se cargaron total o parcialmente con combustible de torio.
Los experimentos dignos de mención sobre el ciclo del torio incluyen los siguientes (los tres primeros se llevaron a cabo en reactores refrigerados por gas de alta temperatura):
En India, para aumentar la eficiencia, después del lanzamiento, se cargaron 500 kg de combustible de torio en las unidades 1 y 2 de la central nuclear de Kakrapar. La Unidad 1 del AES fue el primer reactor del mundo en el que se utilizó torio, en lugar de uranio empobrecido, para igualar la energía en el núcleo. Operando con combustible de torio, la primera unidad alcanzó su plena capacidad en 300 días y la segunda unidad en 100 días. Está previsto utilizar combustible de torio en las unidades 1 y 2 de la central nuclear de Kaiga y en las unidades 3 y 4 de la central nuclear de Rajasthan, que están en construcción.
Con reservas de torio seis veces mayores que las de uranio, la India ha planteado la introducción del ciclo del torio como un gran desafío para la producción de energía industrial, que se logrará en tres etapas:
A continuación, el combustible gastado se reprocesará para recuperar materiales fisionables y luego reprocesarlos;
Otra posibilidad para la tercera etapa son los sistemas basados en aceleradores subcríticos (ADS).
Las soluciones de diseño para reactores avanzados de combustible de torio incluyen:
En los complejos de aceleradores, los neutrones de alta energía se producen mediante la reacción de fisión nuclear de los protones del acelerador de alta energía que chocan con núcleos objetivo pesados (plomo, plomo-bismuto u otros elementos). Estos neutrones pueden enviarse a un reactor subcrítico que contiene torio, donde los neutrones producen U-233 y permiten su fisión. Es posible proporcionar una reacción de fisión autosostenida, que puede dirigirse a la producción de energía o a la transmutación de actínidos formados como resultado del ciclo del combustible U/Pu. Usar torio en lugar de uranio significa que se producirán menos actínidos en el propio reactor ADS.
Los problemas asociados a la solución de este problema se reducen al alto coste de producción del combustible, en parte debido a la alta radiactividad del U-233, que siempre contiene U-232; Problemas similares se aplican al reprocesamiento de torio debido a la alta radiactividad del Th-228, un cierto riesgo de proliferación del U-233 como material apto para armas, así como una serie de problemas técnicos de reprocesamiento (aún no resueltos adecuadamente). Queda mucho trabajo por hacer antes de que el ciclo del torio se comercialice, pero mientras se pueda extraer uranio en grandes cantidades, ese trabajo parece poco probable.
Sin embargo, el ciclo del torio, con su potencial de reproducción sin el uso de reactores de neutrones rápidos, seguirá siendo prometedor durante mucho tiempo. Este ciclo es un factor determinante en el desarrollo de una energía nuclear autosuficiente.
¿Qué pasa si decimos que el exceso de emisiones de sustancias nocivas resultantes de la combustión de gasolina o diésel convencional se puede solucionar con un motor nuclear? ¿Esto te impresionará? Si no, entonces ni siquiera tienes que empezar a leer este material, pero aquellos que estén interesados en este tema, son bienvenidos, porque hablaremos de un motor nuclear para un automóvil que funciona con el isótopo torio-232.
Sorprendentemente, es el torio-232 el que tiene la vida media más larga entre los isótopos de torio y también el más común. Tras reflexionar sobre este hecho, los científicos de la empresa estadounidense Laser Power Systems anunciaron la posibilidad de construir un motor que utilice torio como combustible y que al mismo tiempo sea un proyecto absolutamente realista para la actualidad.
Durante mucho tiempo se ha determinado que el torio, cuando se utiliza como combustible, tiene una posición fuerte y, cuando "funciona", libera una cantidad colosal de energía. Según los científicos, sólo 8 gramos de torio-232 permitirán que el motor funcione durante 100 años, y 1 gramo producirá más energía que 28 mil litros de gasolina. De acuerdo, esto no puede dejar de impresionar.
Según Charles Stevens, director ejecutivo de Laser Power Systems, el equipo ya ha comenzado a realizar experimentos utilizando pequeñas cantidades de torio, pero el objetivo inmediato es crear el láser necesario para el proceso. Al describir el principio de funcionamiento de dicho motor, podemos citar el ejemplo del funcionamiento de una central eléctrica clásica. Así, según los planes de los científicos, el láser calentará un recipiente con agua y el vapor resultante se utilizará para hacer funcionar miniturbinas.
Sin embargo, por muy revolucionaria que pueda parecer la declaración de los especialistas en LPS, la idea misma de utilizar un motor nuclear de torio no es nueva. En 2009, Lauren Kuleusus mostró a la comunidad mundial su visión del futuro y demostró el Cadillac World Thorium Fuel Concept Car. Y a pesar de su apariencia futurista, la principal diferencia del concept car era la presencia de una fuente de energía para el funcionamiento autónomo, que utilizaba torio como combustible.
“Los científicos deben encontrar una fuente de energía más barata en comparación con el carbón, con bajas o nulas emisiones de dióxido de carbono durante la combustión. De lo contrario, esta idea no podrá desarrollarse en absoluto” - Robert Hargrave, experto en el estudio de las propiedades del torio
Actualmente, los especialistas de Laser Power Systems están completamente concentrados en crear un modelo en serie del motor para la producción en masa. Sin embargo, una de las preguntas más importantes no desaparece: ¿cómo reaccionarán ante tal innovación los países y las empresas que presionan por los intereses “petroleros”? Sólo el tiempo dirá la respuesta.
Interesante:
1 gramo por 28.000 litros. Esta es la relación entre el consumo de combustible en los motores de los automóviles si se reemplaza el combustible habitual con torio.
Estamos hablando del isótopo 232. Tiene la vida media más larga. 8 gramos de torio son suficientes para mantener un motor en funcionamiento continuo durante 100 años.
Las reservas de combustible nuevo son 3 veces mayores que en la corteza terrestre. Los especialistas de Laser Power Systems ya han comenzado a desarrollar un nuevo motor.
empresa americana. El funcionamiento del motor se parecerá al ciclo de una central eléctrica estándar. El problema fue el desarrollo de un láser adecuado.
Su tarea es calentar agua, cuyo vapor hace funcionar miniturbinas. Mientras los científicos trabajan en el proceso, aprenderemos más sobre el combustible del siglo XXI y, en el futuro, de todo el milenio.
¿Qué es el torio?
torio metálico Pertenece a los actínidos. Esta familia incluye los radiactivos. Todos ellos se ubican en el grupo 3 del 7º período de la tabla.
Los números de actínidos van del 90 al 103. El torio es el primero. Fue descubierto primero, al mismo tiempo que el uranio.
En su forma pura, el héroe fue distinguido en 1882 por Lars Nilsson. La radiactividad del elemento no fue descubierta de inmediato.
Es por eso, torio No despertó el interés público durante mucho tiempo. Decaimiento del torio probado sólo en 1907.
Desde 1907 isótopos de torio Se abrieron uno tras otro. En 2017, hay 30 modificaciones del metal. Se recibieron 9 de ellos.
El 232 es el más estable. Vida media del torio de esta forma dura 1,4 * 10 10 años. Es por eso que el isótopo 232 es omnipresente y ocupa una proporción del 8 * 10 -4% en la corteza terrestre.
Los isótopos restantes se almacenan durante varios años y, por lo tanto, no tienen ningún interés práctico y rara vez se encuentran en la naturaleza. Es cierto que el torio 229 se desintegra en 7.340 años. Pero este isótopo fue "derivado" artificialmente.
El torio no tiene isótopos completamente estables. En su forma pura, el elemento parece plástico.
Esto es lo que hace que el mineral torita sea tan suave. fácil de cortar. El mineral fue estudiado por Jens Berzenlius.
El químico sueco logró identificar lo desconocido en la composición de la piedra, pero no pudo aislarlo, y le dio los laureles a Nilsson.
Propiedades del torio
Torio - elemento, cuya radiactividad específica es de 0,109 microcurios por gramo. En el caso del uranio 238, por ejemplo, la cifra es casi tres veces mayor.
En consecuencia, el torio es débilmente radiactivo. Varios isótopos de torio, por cierto, son consecuencia de la desintegración del uranio. Estamos hablando de las modificaciones 230, 231, 234 y 235 del elemento 90.
La descomposición del héroe del artículo va acompañada de la liberación de radón. Este gas también se llama torón. Sin embargo, el segundo nombre no se usa comúnmente.
El radón es peligroso si se inhala. Sin embargo, las microdosis están contenidas en aguas minerales y tienen un efecto beneficioso sobre el organismo.
Lo importante es la vía por la que el torón entra en el organismo. Puedes beberlo, absorberlo, sí, pero no inhalarlo.
En términos de la red cristalina. torio radiactivo aparece sólo en dos formas. Hasta 1.400 grados, la estructura del metal está centrada en la cara.
Se basa en cubos volumétricos que constan de 14 átomos. Algunos de ellos se encuentran en las esquinas de la figura. Los átomos restantes se encuentran en el medio de cada uno.
Cuando se calienta por encima de los 1.400 grados Celsius, la red cristalina de torio se centra en el cuerpo.
El "empaquetado" de estos cubos es menos denso. El torio ya blando se vuelve aún más friable.
Torio - químico un elemento clasificado como paramagnético. En consecuencia, la permeabilidad magnética del metal es mínima, cercana a la unidad.
Las sustancias del grupo también se distinguen por su capacidad de magnetizarse en dirección a un campo externo.
La capacidad calorífica molar del torio es de 27,3 kilojulios. El indicador indica la capacidad térmica de un mol de una sustancia, de ahí su nombre.
Es difícil continuar con la lista, ya que la mayor parte de las propiedades del metal número 90 dependen del grado de contaminación.
Así, la resistencia a la tracción del elemento varía de 150 a 290 meganewtons por metro cuadrado.
El torio también es inestable. Para el metal dan de 450 a 700 kilogramos de fuerza.
Situado al comienzo de su grupo, el torio adoptó algunas de las propiedades de los elementos que lo precedieron. Entonces, el héroe del artículo se caracteriza por el cuarto grado de oxidación.
Para que el torio se oxide rápidamente en el aire, es necesario llevar la temperatura a 400 grados. El metal quedará instantáneamente cubierto con una película de óxido.
El dúo del torio con el oxígeno, por cierto, es el más refractario de los óxidos de la Tierra y se ablanda sólo a 3200 grados Celsius.
Al mismo tiempo, el compuesto también es químicamente estable. El metal puro reacciona con.
Cualquier isótopo radiactivo de torio interactúa con él incluso a temperatura ambiente.
Otras reacciones con el héroe del artículo se producen a temperaturas elevadas. A 200 grados se produce una reacción.
Se forman hidruros en polvo. Los nitruros se producen cuando el torio se calienta en una atmósfera.
Se requerirá una temperatura de 800 grados centígrados. Pero primero necesitas conseguir el reactivo. Averigüemos cómo lo hacen.
Minería y depósitos de torio
$350.000.000. Aproximadamente la misma cantidad se asigna anualmente para el desarrollo de la energía del torio. En el país hay muchos depósitos del isótopo 232.
Esto es alarmante, ya que se corre el riesgo de perder su liderazgo en combustibles si el elemento 90 se convierte en el principal recurso energético del mundo.
Hay reservas en el país. Millones de toneladas de metal, por ejemplo, se encuentran cerca de Novokuznetsk.
Sin embargo, es necesario defender el derecho prioritario a utilizar el torio, y por ello hay una lucha en el mundo. Todos entienden cuál es el futuro.
Normalmente, el torio se encuentra en forma de arena brillante. Este es el mineral monacita. Sus playas suelen formar parte de zonas turísticas.
En la costa del mar de Azov, por ejemplo, conviene pensar no sólo en la radiación solar, sino también en la procedente de la Tierra. El torio venoso se encuentra sólo en Sudáfrica. Los yacimientos de mineral se llaman Steenkasmkraal.
Si extraes torio de los minerales, es más fácil obtener el elemento junto con él. Queda por ver dónde podría resultar útil el torio, además de en los motores de los automóviles del futuro.
Aplicaciones del torio
Porque el núcleo de torio uso natural e insostenible del elemento en la energía nuclear. Se compran fluoruro y óxido de torio para sus necesidades.
¿Recuerda la temperatura que puede soportar el óxido metálico de grado 90? Sólo un compuesto de este tipo funcionará en reactores de sales fundidas.
El óxido de torio también es útil en la industria de la aviación. Allí, el metal de grado 90 sirve como refuerzo. El servicio del torio también se encuentra en el cuerpo.
Cada día se consumen unos 3 miligramos del elemento radiactivo con las comidas. Participa en la regulación de los procesos sistémicos y es absorbido principalmente por el hígado.
Los metalúrgicos también compran torio, pero no como alimento. Como aditivo se utiliza metal puro, es decir, un aditivo que mejora la calidad, en particular, del magnesio. Con una ligadura, se vuelven resistentes al calor y tienen mejor resistencia al desgarro.
Finalmente, agreguemos información sobre el nuevo motor del automóvil. El torio que contiene no es combustible nuclear, sino sólo una materia prima para ello.
Por sí solo, el elemento 90 no es capaz de proporcionar energía. El entorno de neutrones y el reactor de agua lo cambian todo.
Con ellos, el torio se convierte en uranio 233. Este es un combustible eficiente. ¿Cuánto pagan por la materia prima? Intentemos averiguarlo.
Precio del torio
Precio del torio varía entre el metal puro y sus compuestos. Esta es una frase común de . Entre los detalles, sólo el precio por kilo de óxido de torio es de aproximadamente 7.500.
Aquí terminan las solicitudes abiertas. Los vendedores piden aclarar el precio, ya que venden un elemento radiactivo.
No hay ofertas de torio puro en Internet y no hay datos sobre por gramo de metal. Mientras tanto, los interesados en el nuevo tipo de combustible para automóviles están atormentados por la pregunta, del mismo modo que les atormenta la pregunta de si aumentarán las solicitudes del elemento número 90 si se utiliza ampliamente.
Inicialmente, para expulsar del mercado los motores de gasolina, se hará que el torio sea lo más rentable posible. Pero ¿qué pasará entonces, cuando ya no sea probable un regreso al pasado?
Hay muchas preguntas. Sin embargo, hay pocos detalles, como ocurre con todo lo nuevo, lo desconocido, que en los primeros días parece una aventura.
Aunque ya están listas las primeras versiones del motor de torio. Pesan unos 200 kilogramos. Un dispositivo de este tipo se puede colocar fácilmente debajo de una capota de tamaño mediano.
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