У 1815 році знаменитий шведський хімік Йєнс Якоб Берцеліус заявив про відкриття нового елемента, який він назвав торієм на честь Тора, бога-громовержця та сина верховного скандинавського бога Одіна. Однак у 1825 року виявилося, що це було помилкою. Проте назва стала в нагоді — його Берцеліус дав новому елементу, який він виявив у 1828 році в одному з норвезьких мінералів (зараз цей мінерал називається торит). Цей елемент, можливо, має велике майбутнє, де він зможе зіграти в атомній енергетиці роль, яка не поступається за важливістю головному ядерному паливу — урану.
| Плюси і мінуси | |
| + | Торія на Землі в кілька разів більша, ніж урану |
| + | Не потрібно розділяти ізотопи |
| + | Радіоактивне зараження при видобутку торію істотно менше (за рахунок більш короткоживучого радону) |
| + | Можна використовувати вже існуючі теплові реактори |
| + | Торій має кращі термомеханічні властивості, ніж уран |
| + | Торій менш токсичний, ніж уран |
| + | При використанні торію не утворюються мінорні актиніди (довгоживучі радіоактивні ізотопи) |
| - | У процесі опромінення торію утворюються гамма-випромінюючі ізотопи, що створює труднощі при переробці палива |
Атомна енергетика, яку зараз покладається стільки надій, — це побічна гілка військових програм, основними цілями яких було створення атомної зброї (а трохи пізніше реакторів для підводних човнів). Як ядерний матеріал для виготовлення бомб можна було вибрати з трьох можливих варіантів: уран-235, плутоній-239 або уран-233.
Так виглядає торієвий ядерний цикл, що ілюструє перетворення торію на високоефективне ядерне паливо — уран-233.
Уран-235 міститься в природному урані в дуже невеликій кількості - всього 0,7% (решта 99,3% становить ізотоп 238), і його потрібно виділити, а це дорогий і складний процес. Плутоній-239 немає в природі, його потрібно напрацьовувати, опромінюючи нейтронами уран-238 в реакторі, а потім виділяючи його з опроміненого урану. Так само можна отримувати уран-233 шляхом опромінення нейтронами торію-232.
У 1960-х планувалося замкнути ядерний цикл з урану та плутонію з використанням приблизно 50% АЕС на теплових реакторах та 50% на швидких. Але розробка швидких реакторів викликала труднощі, тому зараз експлуатується лише один такий реактор — БН-600 на Білоярській АЕС (і побудований ще один — БН-800). Тому збалансовану систему можна створити з торієвих теплових реакторів і приблизно 10% швидких реакторів, які будуть заповнювати паливо для теплових.
Перші два способи у 1940-х роках були реалізовані, а ось із третім фізики вирішили не возитися. Справа в тому, що в процесі опромінення торію-232 крім корисного урану-233 утворюється ще й шкідлива домішка - уран-232 з періодом напіврозпаду в 74 роки, ланцюжок розпадів якого призводить до появи талію-208. Цей ізотоп випромінює високоенергетичні (жорсткі) гамма-кванти, для захисту від яких потрібні товсті свинцеві плити. Крім того, жорстке гамма-випромінювання виводить з ладу електронні ланцюги, що управляють, без яких неможливо обійтися в конструкції зброї.
Проте про торію не зовсім забули. Ще в 1940-х роках Енріко Фермі запропонував напрацьовувати плутоній у реакторах на швидких нейтронах (це ефективніше, ніж на теплових), що призвело до створення реакторів EBR-1 та EBR-2. У цих реакторах уран-235 або плутоній-239 є джерелом нейтронів, що перетворюють уран-238 на плутоній-239. При цьому плутонія може утворюватися більше, ніж спалюється (в 1,3-1,4 рази), тому такі реактори називаються розмножувачами.
Інша наукова група під керівництвом Юджина Вігнера запропонувала свій проект реактора-розмножувача, але не на швидких, а на теплових нейтронах, з торієм-232 як опромінюваний матеріал. Коефіцієнт відтворення при цьому зменшився, але конструкція була безпечнішою. Проте існувала одна проблема. Торієвий паливний цикл має такий вигляд. Поглинаючи нейтрон, торій-232 переходить на торій-233, який швидко перетворюється на протактиній-233, а він мимоволі розпадається на уран-233 з періодом напіврозпаду 27 днів. І ось протягом цього місяця протактиній поглинатиме нейтрони, заважаючи процесу напрацювання. Для вирішення цієї проблеми добре б вивести протактіній із реактора, але як це зробити? Адже постійне завантаження та вивантаження палива зводить ефективність напрацювання майже до нуля. Вігнер запропонував дуже дотепне рішення – реактор із рідким паливом у вигляді водного розчину солей урану. 1952 року в Національній лабораторії в Оак-Ріджі під керівництвом учня Вігнера, Елвіна Вайнберга, було збудовано прототип такого реактора — Homogeneous Reactor Experiment (HRE-1). А невдовзі з'явилася ще цікавіша концепція, що ідеально підходила для роботи з торієм: це реактор на розплавах солей, Molten-Salt Reactor Experiment. Паливо у вигляді фториду урану було розчинене у розплаві фторидів літію, берилію та цирконію. MSRE пропрацював з 1965 по 1969 рік, і хоча торій там не використовувався, сама концепція виявилася цілком працездатною: використання рідкого палива підвищує ефективність напрацювання та дозволяє виводити з активної зони шкідливі продукти розпаду.
Рідкосольовий реактор дозволяє набагато гнучкіше керувати паливним циклом, ніж звичайні теплові станції, і використовувати паливо з найбільшою ефективністю, виводячи шкідливі продукти розпаду з активної зони і додаючи нове паливо при необхідності.
Проте рідкосольові реактори (ЖСР) не набули поширення, оскільки звичайні теплові реактори на урані виявилися дешевшими. Світова атомна енергетика пішла найпростішим і найдешевшим шляхом, взявши за основу перевірені водо-водяні реактори під тиском (ВВЕР), нащадки тих, які були сконструйовані для підводних човнів, а також киплячі водо-водяні реактори. Реактори з графітовим сповільнювачем, такі як РБМК, є іншою гілкою генеалогічного древа — вони походять від реакторів для напрацювання плутонію. «Основним паливом для цих реакторів є уран-235, але його запаси хоч і досить значні, проте обмежені, — пояснює «Популярній механіці» начальник відділу системних стратегічних досліджень Науково-дослідного центру «Курчатівський інститут» Станіслав Суботін. — Це питання почало розглядатися ще у 1960-х роках, і тоді запланованим вирішенням цієї проблеми вважалося введення в ядерний паливний цикл відвального урану-238, запасів якого майже у 200 разів більше. Для цього планувалося побудувати безліч реакторів на швидких нейтронах, які напрацьовували б плутоній з коефіцієнтом відтворення 1,3-1,4, щоб надлишок можна було використовувати для живлення теплових реакторів. Швидкий реактор БН-600 було запущено на Білоярській АЕС — щоправда, не в режимі бридера. Нещодавно там був побудований і ще один — БН-800. Але для побудови ефективної екосистеми атомної енергетики таких реакторів потрібно приблизно 50%.
Всі радіоактивні ізотопи, що зустрічаються в природі в природних умовах, належать до одного із трьох сімейств (радіоактивних рядів). Кожен такий ряд — це ланцюг ядер, пов'язаних послідовним радіоактивним розпадом. Родоначальники радіоактивних рядів - довгоживучі ізотопи уран-238 (період піврозпаду 4,47 млрд років), уран-235 (704 млн років) та торій-232 (14,1 млрд років). Ланцюжки закінчуються стабільними ізотопами свинцю. Існує ще один ряд, що починається з нептунія-237, але період його напіврозпаду дуже малий — лише 2,14 млн років, тому в природі він не зустрічається.
Ось тут якраз на сцену і виходить торій. «Торій часто називають альтернативою урану-235, але це зовсім неправильно, – каже Станіслав Суботін. — Сам собою торій, як і уран-238, взагалі не є ядерним паливом. Однак, помістивши його в нейтронне поле в звичайнісінькому водо-водяному реакторі, можна отримати відмінне паливо - уран-233, яке потім використовувати для цього самого реактора. Тобто жодних переробок, жодної серйозної зміни існуючої інфраструктури не потрібно. Ще один плюс торію — поширеність у природі: його запаси щонайменше втричі перевищують запаси урану. Крім того, немає необхідності в поділі ізотопів, оскільки при попутному видобутку разом з рідкісноземельними елементами зустрічається тільки торій-232. Знову ж таки, при видобутку урану відбувається забруднення навколишньої місцевості щодо довгоживучих (період напіврозпаду 3,8 діб) радоном-222 (у ряді торію радон-220 — короткоживучий, 55 секунд, і не встигає поширитися). Крім того, торій має відмінні термомеханічні властивості: він тугоплавкий, менш схильний до розтріскування та виділяє менше радіоактивних газів при пошкодженні оболонки ТВЕЛ. Напрацювання урану-233 з торію в теплових реакторах приблизно втричі ефективніше, ніж плутонія з урану-235, тому наявність як мінімум половини таких реакторів в екосистемі атомної енергетики дозволить замкнути цикл по урану і плутонію. Щоправда, швидкі реактори все одно будуть потрібні, оскільки коефіцієнт відтворення торієвих реакторів не перевищує одиниці».
На виробництво 1 ГВт протягом року потрібно: 250 т природного урану (містять 1,75 т урану-235) потрібно видобути 215 т збідненого урану (у тому числі 0,6 т урану-235) йдуть у відвали; 35 т збагаченого урану (з них 1,15 т урану-235) завантажуються у реактор; відпрацьоване паливо містить 33,4 т урану-238, 0,3 т урану-235, 0,3 т плутонію-239, 1 т продуктів розпаду. 1 т торію-232 при завантаженні в рідкосольовий реактор повністю конвертується в 1 т урану-233; 1 т продуктів розпаду, з них 83% - короткоживучі ізотопи (розпадаються до стабільних приблизно за десять років).
Однак торій має і один досить серйозний мінус. При нейтронному опроміненні торію уран-233 виявляється забрудненим ураном-232, який відчуває ланцюжок розпадів, що призводить до жорсткого гамма-випромінюючого ізотопу талій-208. «Це дуже ускладнює роботу з переробки палива, – пояснює Станіслав Суботін. — Але з іншого боку полегшує виявлення такого матеріалу, зменшуючи ризик розкрадань. Крім того, у замкнутому ядерному циклі та при автоматизованій обробці палива це не має особливого значення».
Експерименти щодо використання торієвих ТВЕЛів у теплових реакторах ведуться в Росії та інших країнах — Норвегії, Китаї, Індії, США. «Наразі саме час повернутися до ідеї рідкосольових реакторів, — вважає Станіслав Суботін. — Хімію фторидів та фторидних розплавів добре вивчено завдяки виробництву алюмінію. Для торію реактори на розплавах солей набагато ефективніші, ніж звичайні водо-водяні, оскільки дозволяють гнучко проводити завантаження та виведення продуктів розпаду з активної зони реактора. Більше того, за їх допомогою можна реалізувати гібридні підходи, використовуючи як джерело нейтронів не ядерне паливо, а термоядерні установки — хоча б ті ж токамаки. До того ж рідкосольовий реактор дозволяє вирішити проблему з мінорними актинідами — ізомерами, що довгоживуть, америція, кюрія і нептунія (які утворюються в опроміненому паливі), «досягаючи» їх у реакторі-сміттєвику. Тож у перспективі кількох десятиліть в атомній енергетиці без торію нам не обійтися».
Торієвий паливний цикл – ядерний паливний цикл, який використовує ізотопи Торія-232 як ядерну сировину. Торій-232 в ході реакції поділу в реакторі переносить трансмутацію в штучний ізотоп Уран-233, що використовується як ядерне паливо. На відміну від природного урану, природний торій містить лише дуже невеликі частки речовини, що ділиться (приклад – Торій-231), якого недостатньо для запуску ланцюгової ядерної реакції. Для запуску паливного циклу необхідна наявність додаткової речовини, що ділиться, або іншого джерела нейтронів. У торієвому реакторі Торій-232 абсорбує нейтрони для того, щоб зробити Уран-233. Залежно від проекту реактора та паливного циклу, створений ізотоп Урану-233 може ділитися у самому реакторі або відокремлюватися хімічним способом із відпрацьованого ядерного палива та переплавлятися у нове ядерне паливо.
Торієвий паливний цикл має кілька потенційних переваг над урановим паливним циклом, у тому числі – велика поширеність, кращі фізичні та ядерні властивості, відсутні у плутонію та інших актинідів, та кращий опір поширенню ядерної зброї, який пов'язаний з використанням легководних реакторів, а не реакторів на розплави солей.
Єдине джерело торію – жовті напівпрозорі зерна монациту (фосфату церію)
Суперечки щодо обмеженості світових запасів урану стали причиною появи початкового інтересу до торієвому паливному циклу. Стало очевидним, що запаси урану – вичерпні, і торій може замінити уран як ядерну паливну сировину. Однак більшість країн мають відносно багаті поклади урану і дослідження торієвого паливного циклу проводяться вкрай повільно. Серйозним винятком є Індія та її триступінчаста ядерна програма. У XXI столітті потенціал торію для опору поширенню ядерної зброї та характеристики відпрацьованої паливної сировини призвели до повторного інтересу до торієвого паливного циклу.
Національна лабораторія Оук-Рідж в 1960-х роках використовувала Експериментальний Реактор на Розплавах Солей, що застосовував Уран-233 як речовина, що ділиться з метою експерименту і демонстрації роботи Реактора-Розмножувача на Розплавах Солей, що працює за принципом торієвого циклу. Експерименти з Реактором на Розплавах Солей можливості торію, використовуючи розчинений у розплавленій солі фторид (IV) торію. Це зменшувало потребу у виробництві паливних елементів. Програму РРС було згорнуто 1976 року після звільнення її куратора Елвіна Вайнберга.
У 2006 році Карло Руббіа запропонував концепт енергопідсилювача або «керованого прискорювача», який бачився йому інновацією та безпечним способом виробництва ядерної енергії, що використовує існуючі технології прискорення енергії. Ідея Руббіа пропонує можливість спалювати високорадіоактивні ядерні відходи та виробляти енергію з натурального торію та збідненого урану.
Кірк Соренсен, колишній вчений НАСА та Начальник з ядерних технологій компанії «Teledyne Brown Engineering», довгий час просував ідею торієвого паливного циклу, зокрема – Реакторів на Рідкому Фториді Торія (РЖФТ). Він першим почав досліджувати торієві реактори ще під час роботи в НАСА, коли оцінювали різні концепції електростанцій для місячних колоній. У 2006 році Соренсен заснував сайт «Energyfromthorium.com» для інформування та просування цієї технології.
У 2011 році Массачусетський Технологічний Інститут зробив висновок, що, незважаючи на малу кількість бар'єрів для торієвого паливного циклу, поточний стан легководних реакторів практично не дає жодного стимулу для появи такого циклу на ринку. З цього випливає, що шанс торієвого циклу витіснити традиційний урановий цикл в умовах нинішнього ринку атомної енергетики дуже малий, незважаючи на потенційні вигоди.
Під час торієвого циклу Торій-232 захоплює нейтрони (це відбувається як у швидких, так і теплових реакторах) для перетворення в Торій-233. Зазвичай це призводить до випромінювання електронів та антинейтрино при α-розпаді та появі Протактінія-233, Потім, при другому β-розпаді та повторному випромінюванні електронів та антинейтрино утворюється Уран-233, що використовується у вигляді палива.
Ядерний поділ виробляє радіоактивні продукти розпаду, який може мати період напіврозпаду від кількох днів до 200 000 років. Відповідно до деяких досліджень токсикології, торієвий цикл може повністю переробляти актиноїдні відходи і лише випромінювати відходи після продуктів поділу, і тільки через кілька століть відходи торієвого реактора стануть менш токсичними, ніж уранові руди, які можуть застосовуватися для виробництва збідненого уранового палива для легководного реактора. потужності.
У реакторі, де нейтрони б'ють по атому, що ділиться (наприклад, певні уранові ізотопи), може відбутися як поділ ядра, так і захоплення нейтронів і трансмутація атома. У випадку з Ураном-233 трансмутація призводить до виробництва корисного ядерного палива, а також трансуранові відходи. Коли Уран-233 абсорбує нейтрон, може відбуватися реакція поділу або перетворення на Уран-234. Шанс поділу або поглинання теплового нейтрону приблизно дорівнює 92%, у той час як співвідношення перерізу захоплення і переріз поділу нейтронів у випадку Уран-233 дорівнює приблизно 1:12. Ця цифра – більше, ніж відповідні відносини в Урана-235 (приблизно 1:6), Плутона-239 або Плутона-241 (обидва мають стосунки приблизно 1:3). В результаті з'являється менше трансуранових відходів, ніж у реакторі з традиційним ураново-плутонієвим паливним циклом.
Уран-233, як і більшість актинідів з різним числом нейтронів, не ділиться, але при «упійманні» нейтронів з'являється ізотоп Уран-235, що ділиться. Якщо реакція поділу або уловлювання нейтронів у ізотопу, що ділиться, не відбувається, з'являється Уран-236, Нептуній-237, Плутоній-238 і, зрештою, ізотоп Плутонія-239 і більш важкі ізотопи плутонію. Нептуній-237 може бути видалений і зберігатися, як відходи, або зберегтися і трансмутувати в плутоній, який краще буде ділитися, тоді як залишки перетворяться на Плутоній-242, потім – америцій та кюрій. Їх, у свою чергу, можна видалити, як відходи, або повернути в реактори для подальшої трансмутації та поділу.
Однак Протактіній-231 з періодом напіврозпаду 32700 років формується через реакції з Торієм-232, незважаючи на те, що він не є трансурановим відходом, є головною причиною появи радіоактивних відходів із тривалим періодом розпаду.
Уран-232 також з'являється в ході реакції між швидкими нейтронами та Ураном-233, Протактінієм-233 та Торієм-232.
Уран-232 має відносно малий період напіврозпаду (68,9 років) і деякі продукти розпаду випромінює гамма-випромінювання з високої енергії, як і Радон-224, Вісмут-212 і частково – Талій-208.
Торієвий цикл виробляє жорстке гамма-випромінювання, яке пошкоджує електроніку, обмежуючи його використання як пусковий механізм для ядерних бомб. Уран-232 не можна хімічно відокремити від Урана-233, що у відпрацьованому ядерному паливі. Однак, хімічне відділення торію від урану прибирає продукти розпаду Торію-228 і радіацію з решти ланцюга напіврозпаду, яка поступово призводить до повторного акумулювання Торію-228. Зараження можна також запобігти, використовуючи Реактор-Розмножувач на Розплавах Солей і відокремлюючи Протактіній-233 перед його розпадом до Урану-233. Жорсткі гамма-випромінювання також можуть створювати радіобіологічну небезпеку, яка потребує роботи в режимі телеприсутності.
Як ядерне паливо торій схожий на Уран-238, який становить більшу частину натурального та збідненого урану. Показник ядерного перерізу теплового нейтрону, що поглинається, і резонансного інтеграла (середня кількість ядерного перерізу нейтронів з проміжною енергією) для Торія-232 приблизно дорівнює трьом, і становить одну третину від відповідного показника Урану-238.
Торій, за приблизними оцінками, втричі-вчетверо частіше зустрічається в земній корі, ніж уран, хоча при цьому насправді дані про його запаси вкрай обмежені. Поточні потреби в торії задовольняються за рахунок вторинних продуктів з рідкісноземельних елементів, що видобуваються з монацитових пісків.
Хоча показник ядерного перерізу теплових нейтронів, що діляться, у Урана-233 порівняний з Ураном-235 і Плутонієм-239, у нього набагато нижчий рівень ядерного перерізу нейтронів, що уловлюються, ніж у останніх двох ізотопів, що призводить до меншої кількості абсорбованих нейтронів, що не діляться, і зростання нейтронів. . Зрештою, співвідношення звільнених та абсорбованих нейтронів в Урана-233 більше двох у широкому спектрі енергій, у тому числі – тепловому. В результаті паливо на основі торію може стати основним компонентом теплового реактора-розмножувача. Реактор-розмножувач з ураново-плутонієвим циклом змушений використовувати спектр швидких нейтронів, тому що в тепловому спектрі один нейтрон абсорбується Плутонієм-239 і в середньому при реакції зникає 2 нейтрони.
Паливо на основі торію також демонструє відмінні фізичні та хімічні властивості, що дозволяє покращити технічні дані реактора та могильника. У порівнянні з діоксидом урану, що переважає паливом для реактора, діоксид торію має більш високу температуру впливу, теплопровідність і нижчий коефіцієнт теплового розширення. Діоксид торію також показує кращу хімічну стабільність і, на відміну від діоксиду урану, не здатний до подальшого окислення.
Так як Уран-233, що виробляється в торієвому паливі, серйозно забруднений Ураном-232 в запропонованих концептах реакторів, торієве відпрацьоване паливо має опір поширенню зброї. Уран-232 не може бути хімічно відокремлений від Урана-233 і має кілька продуктів розпаду, що випромінюють високоенергетичне гамма-випромінювання. Ці протони з високою енергією несуть радіоактивну небезпеку, що викликає необхідність віддаленої роботи з відокремленим ураном та ядерного детектування подібних речовин.
Речовини на основі відпрацьованого уранового палива з великим періодом напіврозпаду (від 1000 до 1000000 років) несуть радіоактивну небезпеку через наявність плутонію та інших молодших актинідів, після яких знову з'являються довгоживучі продукти поділу. Одного нейтрона, спійманого Ураном-238, достатньо створення трансуранових елементів, тоді як п'ять таких «захоплень» необхідно аналогічного процесу з Торієм-232. 98-99% торієвого ядерного циклу призводить до поділу Урану-233 або Урану-235, тому виробляється менше довгоживучих трансуранових елементів. Через це торій виглядає потенційно привабливою альтернативою урану в змішаному оксидному паливі для граничного зменшення виробництва трансуранових речовин і максимального обсягу плутонію, що розпався.
Існує кілька перешкод для застосування торію як ядерне паливо, зокрема – для твердопаливних реакторів.
На відміну від урану, що зустрічається в природі торій, як правило, одноядерний і не містить ізотопів, що діляться. Речовина, що ділиться, як правило – Уран-233, Уран-235 або плутоній, повинні бути додані для досягнення критичності. Разом із високою температурою спікання, необхідного для діоксиду торію, це ускладнює виробництво палива. Національна Лабораторія Оук Рідж проводила досліди над тетрафторидом торію, як паливо для реактора на розплавах солей у 1964—1969 роках. Очікувалося, що буде полегшено процесу виробництва та поділу речовин від забруднювачів для уповільнення або зупинення ланцюгової реакції.
При одноразовому паливному циклі (наприклад, переробка Урану-233 у самому реакторі) більш серйозне вигоряння необхідне досягнення бажаного нейтронного балансу. Хоча діоксид торію здатний виробляти 150000-170000 мегават-добу/тонну на АЕС у Форті Сен-Рейну та Експериментальній АЕС у Юлісі, існують серйозні складнощі досягнення таких показників на легководних реакторах, які становлять переважну більшість серед існуючих реакторів.
При одноразовому торієвому паливному циклі Уран-233, що залишився, залишається у відпрацьованому паливі у вигляді довгоживучого ізотопу.
Інша перешкода пов'язана з тим, що торієвий паливний цикл вимагає порівняно більше часу для перетворення Торію-232 в Уран-233. Період напіврозпаду Протактінія-233 становить приблизно 27 днів, і це набагато довше, ніж період напіврозпаду Нептунія-239. В результаті основною речовиною в торієвому паливі є міцний Протактіній-239. Протактіній-239 – сильний поглинач нейтронів і, хоча може статися перетворення на Уран-235, що ділиться, потрібно вдвічі більше поглинених нейтронів, що руйнує нейтронний баланс і збільшує ймовірність виробництва трансуранових речовин.
З іншого боку, якщо твердий торій використовується при замкнутому паливному циклі, де переробляється Уран-233, для виробництва палива потрібна віддалена взаємодія через високий рівень радіації, що провокується продуктами розпаду Урану-232. Також це вірно, якщо говорити про перероблену торію через наявність Торія-228, що є частиною ланцюжком розпадів. Більше того, на відміну від перевіреної технології переробки уранового палива, технологія переробки торію зараз тільки розвивається.
Хоча наявність Урану-232 і ускладнює справу, є опубліковані документи, де показується те, що Уран-233 використовувався при ядерних випробуваннях. США перевіряли складну бомбу із вмістом Урана-233 і плутонію в ядрі під час операції Teapot у 1955 році, хоча при цьому було досягнуто набагато меншого тротилового еквівалента.
Незважаючи на те, що паливо на основі торію виробляє набагато менше трансуранових речовин, ніж аналоги на основі урану, іноді може вироблятися певний обсяг довготривалих актинідів з тривалим радіоактивним тлом, зокрема Протактіній-231.
Торій – природний слабко радіоактивний метал, відкритий у 1828 р. шведським хіміком Йєнсом Берцеліусом, який назвав його на честь Тора, бога війни скандинавських народів. У невеликих кількостях він присутній у багатьох гірських породах та ґрунтах, де його вміст майже втричі перевищує вміст урану. У ґрунті міститься приблизно шість частин торію на мільйон.
Торій зустрічається в багатьох мінералах, найбільш поширеним з яких є рідкісноземельний мінерал - фосфат торію - монацит, в якому міститься до 12% оксиду торію. Поклади цього мінералу є у кількох країнах. Торій-232 розпадається дуже повільно (його період напіврозпаду майже втричі перевищує вік Землі), але інші ізотопи торію містяться в ньому і в ланцюгах розпаду урану. Більшість з них є короткоживучими елементами, і тому вони набагато радіоактивніші, ніж Th-232, хоча в масовому відношенні їх зміст мізерно мало.
| Світові запаси торію (доступні для видобутку) | ||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
| (Джерело - Служба геологічної розвідки USA, Запаси мінералів, січень 1999) |
Торій, як і уран, може використовуватися як ядерне паливо. Сам по собі не є матеріалом Th-232, що ділиться, поглинає повільні нейтрони і утворює ділиться уран-233. Як і U-2238, торій-232 є паливною сировиною.
За одним із суттєвих показників U-233 перевершує уран-235 та плутоній-239, маючи більш високий вихід нейтронів на один поглинений нейтрон. Якщо почати реакцію за допомогою іншого матеріалу, що ділиться (U-235 або Pu-239), можна реалізувати цикл напрацювання ділиться матеріалу, що нагадує, але більш ефективний, ніж цикл на U-238 і плутоній в реакторах на повільних нейтронах. Th-232 поглинає нейтрон і перетворюється на Th-233, який при розпаді переходить у Ра-233, а потім у U-233. Опромінене паливо можна вивантажити з реактора, U-233 відокремити від торію і завантажити в інший реактор, як частина замкнутого паливного циклу.
За останні 30 років з'явився інтерес до торію як ядерне паливо, оскільки його запаси в земній корі втричі перевищують запаси урану. Крім того, в реакторах можна використовувати весь торій, що видобувається на відміну від 0,7% ізотопу U-235 з природного урану.
Основним варіантом в реакторах типу PWR можуть бути паливні зборки, змонтовані так, що бланкет, що складається головним чином з торію, покриває затравальний елемент з більшим ступенем збагачення, що містить U-235, який виробляє нейтрони для підкритичного бланкета. Оскільки U-233 виробляється в бланкеті, він там і згоряє. Тут йдеться про легководний реактор-бридер, який успішно пройшов демонстраційні випробування в USA у 1970 роках.
Можливість реалізації торієвих паливних циклів вивчається вже близько 30 років, проте значно менш інтенсивно, ніж уранових або уран-плутонієвих циклів. Основні дослідні та конструкторські роботи проводилися в Німеччині, Індії, Японії, Росії, Великобританії та США. Було проведено також пробне опромінення торієвого палива в реакторах до отримання високого рівня вигоряння. Повністю чи частково завантажувалися торієвим паливом кілька дослідних реакторів.
До експериментів, що заслуговують на увагу, за торієвим циклом відносяться такі (перші три проводилися на високотемпературних реакторах з газовим охолодженням):
В Індії з метою підвищення ефективності після запуску в блоки 1 і 2 А.Е.С в Какрапар було завантажено 500 кг торієвого палива. 1-ий блок А.Е.С був першим у світі реактором, в якому для вирівнювання потужності в активній зоні використовувався не збіднений уран, а торій. Працюючи на торієвому паливі, 1-й блок вийшов на повну потужність за 300 діб, а 2-й блок – за 100 діб. Торієве паливо планується використовувати в блоках 1 і 2 А.Е.С в Кайга і в блоках 3 і 4 А.Е.С в Раджастані, що знаходяться на стадії будівництва.
Маючи запаси торію, що в шість разів перевищують запаси урану, Індія як основне завдання промислового виробництва енергії поставила завдання впровадження торієвого циклу, яка вирішуватиметься в три етапи:
Відпрацьоване паливо потім перероблятиметься для відновлення матеріалів, що діляться, та їх подальшої переробки;
Як ще одна можливість для третього етапу розглядаються підкритичні комплекси на прискорювачах (ADS).
Конструкторські рішення щодо перспективних реакторів на торієвому паливі включають:
У комплексах з прискорювачами високоенергетичні нейтрони виробляються з допомогою реакції розщеплення ядер високоенергетичними протонами прискорювача, соударяющимися з важкими ядрами мішені (свинець, свинець-вісмут чи інші елементи). Ці нейтрони можна направити в субкритичний реактор, що містить торій, де нейтрони виробляють U-233 та забезпечують його розподіл. Існує можливість забезпечення самопідтримується реакції поділу, яку можна спрямувати або на виробництво енергії, або трансмутацію актиноїдів, що утворюються в результаті U/Pu паливного циклу. Використання торію замість урану означає, що в реакторі ADS буде вироблятися менше актиноїдів.
Проблеми, пов'язані з вирішенням цього завдання, зводяться до високої вартості виробництва палива частково внаслідок високої радіоактивності U-233, який завжди містить U-232; аналогічні проблеми стосуються і переробки торію внаслідок високої радіоактивності Th-228, певного ризику розповсюдження U-233 як збройового матеріалу, а також низки технічних проблем переробки (поки не вирішені належним чином). Потрібно зробити велику роботу, перш ніж торієвий цикл буде поставлений на комерційну основу, але поки можна у великих кількостях добувати уран, така робота є малоймовірною.
Тим не менш, торієвий цикл з його потенціалом для відтворення без використання реакторів на швидких нейтронах збереже свою перспективність ще протягом тривалого часу. Цей цикл є визначальним чинником у розвитку самодостатньої ядерної енергетики.
Що буде, якщо ми скажемо, ніби надлишок викидів шкідливих речовин у результаті згоряння бензину чи звичайного дизеля палива можна вирішити за допомогою атомного двигуна? Чи вразить вас це? Якщо ні, то можна навіть не починати читати цей матеріал, а ось для тих, кому дана тема цікава, ласкаво просимо, тому, як мова у нас піде про атомний двигун для автомобіля, який працює на ізотопі торію-232.
Дивно, але саме торій-232 має найбільший період напіврозпаду серед ізотопів торію і при цьому є найпоширенішим. Подумавши над цим фактом, вчені американської компанії Laser Power Systems заявили про можливість сконструювати двигун, який використовує торій як паливо і є абсолютно реальним проектом на сьогоднішній день.
Вже давно було визначено, що торій у разі використання його як палива має сильні позиції і при «роботі» виділяє колосальну кількість енергії. За підрахунками вчених, всього 8 грам торію-232 дозволять працювати двигуну протягом 100 років, а 1 грам виробить більше енергії, ніж 28 тис. літрів бензину. Погодьтеся, подібне не може не вражати.
Як повідомляє генеральний директор Laser Power Systems Чарльз Стівенс, команда фахівців вже розпочала експерименти, використовуючи невелику кількість торію, проте найближча мета – це створення необхідного для технологічного процесу лазера. Описуючи принцип роботи такого двигуна, можна навести приклад роботи класичної електростанції. Так, лазер, за планами вчених, нагріватиме ємність із водою, а отримана пара піде на роботу міні-турбін.
Однак, якою б проривною не здавалася заява фахівців LPS, сама ідея використовувати атомний торієвий двигун не є новою. У 2009 році Лорен Кулеусус показав світовій спільноті своє бачення майбутнього і продемонстрував концепт-кар Cadillac World Thorium Fuel Concept Car. І, незважаючи на його футуристичний зовнішній вигляд, основною відмінністю концепт-кара була наявність джерела енергії для автономної роботи, який використовував як паливо торій.
«Вченими має бути знайдено дешевше джерело енергії порівняно з вугіллям, що має низьке значення викиду діоксиду вуглецю при згорянні або його відсутністю. В іншому випадку ця ідея зовсім не зможе отримати свого розвитку» - Роберт Харгрейв, спеціаліст у галузі вивчення властивостей торію
На сьогоднішній день фахівці Laser Power Systems повністю зосередили свої сили на створенні серійного зразка двигуна для масового виробництва. Втім, не зникає одне з найважливіших питань, як відреагують на подібну новацію країни та компанії, які лобіюють «нафтові» інтереси. Відповідь підкаже лише час.
Цікаве:
1 грам на 28 000 літрів. Таке співвідношення витрати палива в автомобільних двигунах, якщо замінити звичне пальне торієм.
Мова про 232-й ізотоп. У нього найдовший період напіврозпаду. 8 грамів торію вистачить, щоб двигун безперервно працював протягом 100 років.
Запасів нового палива втричі більше, ніж у земній корі. Фахівці Laser Power Systems вже розпочали розробку нового двигуна.
Американська компанія. Робота двигуна нагадуватиме цикл стандартної електростанції. Загвоздкою стала розробка відповідного лазера.
Його завдання – нагрівати воду, пара якої запускає міні-турбіни. Поки вчені відпрацьовують процес, дізнаємося більше про паливо 21-го століття, а в перспективі і всього тисячоліття.
Що таке торій?
Метал торійвідноситься до актиноїдів. У це сімейство входять радіоактивні. Усі вони розташовуються у 3-й групі 7-го періоду таблиці.
Номери актиноїдів – від 90-го до 103-го. Торій стоїть першим. Його відкрили першим, одночасно з ураном.
У чистому вигляді героя виділив 1882-го року Ларс Нільсон. Радіоактивність елемента виявили не одразу.
Тому, торійдовго не викликав інтересу громадськості. Розпад торіюдоведено лише 1907-го року.
З 1907 року ізотопи торіювідкривалися один за одним. До 2017 року налічується 30 модифікацій металу. 9 з них отримані.
Найбільш стійка 232-а. Напіврозпад торіюу такому вигляді триває 1,4*10 10 років. Саме тому 232 ізотоп повсюдно поширений, в земній корі займає частку 8 * 10 -4 %.
Інші ізотопи зберігаються кілька років, а тому не становлять практичного інтересу і рідко зустрічаються в природі. Щоправда 229 торій розпадається за 7 340 років. Але цей ізотоп «виведений» штучно.
Повністю стійких ізотопів у торію немає. У чистому вигляді елемент виглядає як пластичний.
Саме він робить таким м'яким мінерал торить. легко ріжеться. Мінерал вивчав Єнс Берценліус.
Шведський хімік зміг вирахувати у складі каменю невідомий, але не зміг виділити його, віддавши лаври Нільсону.
Властивості торію
Торій – елемент, Питома радіоактивність якого дорівнює 0,109 мікрокюрі на грам. У 238-го урану, наприклад, показник майже втричі більший.
Відповідно, торій слаборадіоактивний. Декілька ізотопів торію, до речі, є наслідком розпаду урану. Мова про 230-му, 231-му, 234-му і 235-му модифікаціях 90-го елемента.
Розпад героя статті супроводжується виділенням радону. Цей газ, так само, називають тороном. Однак, друга назва не є загальновживаною.
Радон небезпечний при вдиханні. Однак мікродози містяться в мінеральних водах і впливають на організм благостно.
Принциповим є саме шлях попадання торону в організм. Випити можна, увібрати – так, але не вдихати.
У плані кристалічних ґрат радіоактивний торійпостає лише у двох іпостасях. До 1 400 градусів будова металу гранецентрична.
Воно засноване на об'ємних кубах, що складаються з 14 атомів. Частина з них стоять у кутах фігури. Інші атоми розташовуються посередині кожного.
При нагріванні понад 1 400 градусів Цельсія кристалічна решітка торію стає об'ємноцентрованою.
"Упаковка" таких кубів менш щільна. І так м'якуватий торій стає ще більш пухким.
Торій – хімічнийелемент, віднесений до парамагнетиків. Відповідно, магнітна проникність металу мінімальна, близька до одиниці.
Відрізняють речовини групи, як і, здатність намагнічуватися у бік зовнішнього поля.
Мольна теплоємність торію становить 27,3 кілоджоулів. Показник вказує на теплову місткість одного молячи речовини, звідси й назву.
Продовжувати список складно, оскільки основна маса властивостей 90 металу залежить від ступеня його забруднення.
Так, межа міцності елемента варіюється від 150 до 290 меганьютонів на квадратний метр.
Нестабільна та торія. По металу дають від 450 до 700 кілограм-сили.
Стоячи на початку своєї групи, торій перейняв частину властивостей від попередніх елементів. Так, для героя статті характерна 4-я ступінь окислення.
Щоб торій швидко окислився на повітрі, потрібно довести температуру до 400 градусів. Метал вмить покриється плівкою оксиду.
Дует торію з киснем, до речі, найтугоплавкіший із земних оксидів, розм'якшується лише при 3 200 градусів Цельсія.
При цьому з'єднання ще й хімічно стійке. Чистий метал входить у реакцію з .
Будь-який радіоактивний ізотоп торіювзаємодіє з ним навіть за кімнатної температури.
Інші реакції з героєм статті проходять за підвищених температур. При 200 градусах йде реакція з .
Утворюються гідриди порошкоподібної форми. Нітриди виходять, якщо торій нагріти в атмосфері.
Потрібна температура в 800 градусів Цельсія. Але для початку потрібно видобути реактив. Дізнаємось, як це роблять.
Видобуток та родовища торію
350 000 000 доларів. Приблизно таку суму щорічно виділяють на розвиток торієвої енергетики. У країні маса родовищ 232-го ізотопу.
Це насторожує, яка ризикує втратити лідерство на паливному, якщо основним енергоресурсом у світі стане 90-й елемент.
Запаси на батьківщині є. Мільйони тонн металу, наприклад, розташувалися під Новокузнецьком.
Однак, потрібно відстояти пріоритетне право на застосування торієвих, а за них у світі ведеться боротьба. Усі розуміють, за чим майбутнє.
Зазвичай, торій знаходять у вигляді блискучого піску. Це мінерал монацит. Пляжі з нього часто входять до курортних зон.
На узбережжі Азовського моря, наприклад, варто задуматися не тільки про сонячну радіацію, а й про те, що походить від землі. Житловий торій зустрічається лише у ПАР. Рудні поклади там звуться Стінкасмкрааль.
Якщо видобувати торій із руд, то простіше отримувати елемент попутно з . Залишилося з'ясувати, де торій може стати в нагоді, не рахуючи автомобільних двигунів майбутнього.
Застосування торію
Оскільки ядро торіюнестійке, природне застосування елемента в атомній енергетиці. Для її потреб закуповують фторид і оксид торію.
Пам'ятаєте температуру, яку витримує окис 90 металу? Тільки таке з'єднання і сдужить в рідкосольових реакторах.
Окис торію знадобиться і в авіаційній промисловості. Там 90-ий метал є зміцнювачем. Служба торію знаходиться і в організмі.
Щодня з їжею надходить близько 3 міліграм радіоактивного елемента. Він бере участь у регулюванні процесів системи, засвоюється, переважно, печінкою.
Закуповують торій, також металурги, але не для їжі. Чистий метал використовують як, тобто добавки, що покращує якість, зокрема, магнієвих. З лігатурою вони стають жароміцними і краще опираються розриву.
Насамкінець доповнимо інформацію про новий автомобільний двигун. Торій у ньому – не ядерне паливо, а лише сировина для нього.
Сам собою 90-ий елемент не здатний давати енергію. Усі міняють нейтронне середовище та водний реактор.
З ними торій перетворюється на 233-й уран. Ось він – ефективне паливо. Скільки платять за сировину для нього? Спробуємо дізнатися.
Ціна торію
Ціна торіювідрізняється на чистий метал та його з'єднання. Це загальна фраза з . Зокрема — лише цінник за кіло оксидаторію приблизно 7 500 .
На цьому відкриті запити закінчуються. Продавці просять уточнювати вартість, бо реалізують радіоактивний елемент.
Пропозицій чистого торію в інтернеті немає, як немає і даних про заграм металу. Тим часом, зацікавленим новим видом автомобільного палива питання не дає спокою, як не дає спокою і те, чи не підскочать запити за 90-й елемент у разі повсюдного використання.
Спочатку, задля витіснення з ринку бензинових двигунів, які зроблять максимально вигідним. Але, що буде потім, коли повернення до колишнього буде малоймовірним?
Запитань багато. Конкретики мало, втім, як і у всьому новому, незвіданому, що здається на перших парах авантюрою.
Хоча перші варіанти торієвого двигуна вже готові. Важать вони близько 200 кілограмів. Такий апарат легко розмістити під капот середніх розмірів.
_2.png)
