Возможно, вы никогда не слышали о тории или слышали очень мало, но в будущем вы можете услышать о нем гораздо больше. Этот неприхотливый металл однажды может составить конкуренцию урану.
Что такое торий?
Торий (Th, 90-й элемент), который в 1828 г. открыт шведским химиком Йонсом Якобом Берзелем. Это слаборадиоактивный металл, следы которого обнаруживаются в горных породах и почвах по всему миру, особенно в Индии и Айдахо (США).
Торий имеет только один основной изотоп, 232-й, а остальные существуют только в небольших количествах. Этот изотоп в конечном итоге распадается на изотоп свинца Pb-208.
Но что интересно в отношении тория, так это то, что Th-232 может легко поглощать пролетающие нейтроны и превращаться в Th-233. Этот новый изотоп испускает электрон и антинейтрин в течение нескольких минут и становится изотопом-прототопом Pa-233. Его период полураспада составляет 27 дней, после чего он превращается в изотоп урана U-233. Другими словами, ядерное топливо.
Задача состоит в том, чтобы разработать топливо и реакторы, которые могут производить больше урана-233, чем потребляет сам реактор. Если это достигается, то торий имеет преимущество перед ураном, который не может производить больше топлива или «размножаться» в обычном реакторе. Также возможно смешать торий и плутоний в гибридное топливо, в котором уран образуется с использованием плутония.
Все дело в том, чтобы найти оптимальную топливную смесь и компоновку для управления нейтронами и их поглощением. Торий также поглощает быстрые нейтроны, что делает их пригодными для использования в высокоскоростных расплавленных солях и других реакторах поколения IV, которые в настоящее время разрабатываются.
Ториевые реакторы
С 1960 г. было построено ряд ториевых реакторов, начиная с ядерного реактора на основе тория в Ок-Риджской национальной лаборатории (США), а несколько исследовательских реакторов эксплуатируются до сих пор.
Сегодня некоторые считают, что торий является решением энергетических и экологических проблем, но его развитию мешают высокие начальные затраты и множество технических препятствий.
Одна из причин медленных темпов развития заключается в том, что урановые реакторы и поддерживающая их инфраструктура имели большее преимущество после Второй мировой войны.
В 1970-х годах разработка жидкометаллического реактора быстрого охлаждения (LMFBR) для коммерческого использования казалась гораздо более многообещающей, чем торий, и правительство США после 1973 года по существу отказались от исследований тория.
В начале 21 века многие инженеры в этой области даже не знали о ториевых реакторах. Сегодня разрабатывается много различных проектов ториевых реакторов, особенно в Индии и Китае.
Усовершенствованный тяжеловодный реактор (AHWR)
Это реакторы, в которых нейтроны замедляются или останавливаются тяжелой водой, химически идентичной обычной легкой воде, но атомы водорода заменены дейтерием, то есть водородом с дополнительным нейтроном (Н2). Охлаждение происходит за счет гравитации легкой воды, которая естественным образом циркулирует в бассейне.
Поскольку торий поглощает нейтроны, это очень хорошее топливо для AHWR. Кроме того, эта технология десятилетиями использовалась в тяжеловодных реакторах, таких как CANDU. Когда топливо заменяется переработанным ураном-233, 80% производимой энергии приходится на ториевый цикл.
В последнем проекте Индии, реакторе AHWR-300, будет использоваться ториевая активная зона, когда он будет запущен в Центре атомных исследований Бхабха (BARC) в Мумбаи.
Водяной гомогенный реактор (AHR)
Водные гомогенные реакторы (AHR) отличаются от других реакторов тем, что они содержат ядерные соли, такие как сульфат урана или нитрат урана, растворенные в легкой или тяжелой воде, которая действует как источник топлива, теплоноситель и замедлитель. Растворимые соли тория можно добавлять в смесь с использованием тяжелой воды.
Реактор с кипящей водой (BWR)
Как следует из названия, реакторы с кипящей водой работают от теплоносителя для производства пара, который приводит в движение турбины. Их преимущество в том, что они имеют гибкую конструкцию с твэлами разной длины и состава, которые можно расположить в активной зоне в соответствии с ториево-плутониевым топливом.
В этих реакторах элементы тория могут быть сконфигурированы для преобразования BWR в генерирующий реактор, который производит больше топлива, чем потребляет, что обычно невозможно с ядрами тепловых нейтронов.
Реактор с водой на сжатом воздухе (PWR)
Реакторы с водой на сжатом воздухе (PWR) являются одними из наиболее распространенных ядерных реакторов, в которых используется активная зона в корпусе высокого давления для повышения температуры воды.
Хотя для этих реакторов можно производить ториевые топливные элементы, их конструкция не очень гибкая и не может производить много урана-233.
Реактор с расплавленной солью (MSR)
В жидкосолевом реакторе (ЖСР) смесь солей, нагретых до 700°С, используется как в качестве теплоносителя, так и в качестве резервуара для ядерного топлива. В этом случае смесь фторида тория и фторида урана подмешивается в соли, а не в твэлы. Это не только повышает КПД реактора, но и устраняет необходимость в тяжелых конструкциях для удержания реактора, так как он работает при атмосферном давлении и позволяет использовать системы пассивной безопасности в случае останова.
Кроме того, реактор можно регулярно заправлять топливом и очищать от побочных продуктов с помощью химического контура, поэтому он может быть генераторным реактором.
Высокотемпературный реактор с газовым охлаждением (HTR)
Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (HTR) представляют собой реакторы поколения IV, в которых используется ископаемое топливо на основе тория, покрытое слоями пиролитического углерода и карбида кремния для улавливания газа деления, действия замедлителя и защиты топлива от высоких температур.
Реакторное топливо для этих слоев породы подается сверху, а отработанная порода удаляется снизу. Охлаждение происходит за счет циркуляции инертного газа гелия.
Высокоскоростной нейтронный реактор (FNR)
Реакторы на быстрых нейтронах (FNR) используют быстрые нейтроны вместо медленных или тепловых нейтронов, используемых в обычных реакторах.
Этот тип реактора не требует замедлителя и может сжигать торий, но также может использовать обедненный уран, которого много и он относительно недорог.
Реактор с ускорителем (ADS)
Реактор с ускорителем (ADS) — это концептуальный реактор, который может использовать торий, смешанный с плутонием. В этой конструкции плотность топлива ниже, чем требуется для поддержания ядерной реакции. Вместо этого топливо бомбардируется нейтронами, генерируемыми ускорителем частиц. В результате он очень безопасен и производит только очень короткоживущие ядерные отходы, но разработка достаточно надежного ускорителя для такого реактора остается серьезным препятствием.
Плюсы и минусы
Торий как будущее ядерное топливо имеет много преимуществ и недостатков по сравнению с ураном. И последнее, но не менее важное: еще один источник топлива значительно расширит наш доступ к имеющимся энергетическим ресурсам.
Торий присутствует в земной коре в таком же количестве, как и свинец, и поставки из США могли бы удовлетворить потребности страны в энергии на тысячу лет без тяжелого обогащения, необходимого для уранового топлива.
Кроме того, некоторые конструкции ториевых реакторов могут производить меньше ядерных отходов, чем нынешние реакторы на компримированном топливе, а образующиеся в результате отходы разлагаются намного быстрее, чем изотопы обычного топлива.
С другой стороны, разработка ториевой ядерной энергетической системы потребует дорогостоящих разработок и испытаний, что трудно оправдать, поскольку уран относительно дешев. Кроме того, топливо на основе урана по-прежнему будет необходимо в качестве двигателя для запуска ядерной реакции, а это означает, что необходимо сохранить как ториевую, так и урановую инфраструктуру.
Кроме того, существует проблема урана-233, которую трудно решить из-за проблем с излучением, поскольку он содержит следы урана-232, который является очень активным излучателем гамма-излучения.
Заблуждения
Идея использования тория для производства энергии привела ко многим заблуждениям и даже к откровенным теориям заговора. Отчасти это связано с тем, что многие проекты ториевых реакторов представляют собой усовершенствованные реакторы поколения IV и улучшенные реакторы.
Похоже, это сбило с толку людей, которые думают, что все ториевые реакторы — это нечто более продвинутое, чем урановые, а ториевые реакторы и энергетические реакторы — синонимы. В некоторых слоях это превратило торий в магическую технологию, якобы подавляемую «темными силами», но безрезультатно.
Одно устойчивое заблуждение состоит в том, что торий нельзя использовать для изготовления ядерного оружия, и от этой технологии отказались. Это верно, если мы говорим о самом тории, но U-233, который он производит, может и использовался в бомбах, хотя он слишком радиоактивен, и если конструкция бомбы неверна, оружие не будет работать должным образом.
На самом деле от тория отказались в основном по экономическим причинам — производство топлива было дорогим, а уран по-прежнему требовался в смеси.
Будущее
В настоящее время торий переживает возрождение — Нидерланды экспериментируют с технологией расплавленной соли тория, а реакторы строятся не только в Индии, но также в Китае и других странах. В мире растет озабоченность по поводу выбросов углерода, и все чаще звучат призывы увеличить долю ядерной энергетики с нулевым выбросом углерода на мировом рынке. Не исключено, что с внедрением технологии реакторов поколения IV наша энергия будет поступать из сети, содержащей уран и торий.
