Елемент, названий на честь одного з головних скандинавських богів, може врятувати людство від енергетичної кризи, яка чекає нас в найближчому майбутньому.
У 1815 році знаменитий шведський хімік Йенс Якоб Берцеліус заявив про відкриття нового елемента, який він назвав торием в честь Тора, бога-громовержця і сина верховного скандинавського бога Одіна. Однак в 1825 році виявилося, що відкриття це було помилкою. Проте назва знадобилося - його Берцеліус дав новому елементу, який він виявив в 1828 році в одному з норвезьких мінералів (зараз цей мінерал називається торує). Цьому елементу, можливо, доведеться велике майбутнє, де він зможе зіграти в атомній енергетиці роль, яка не поступається за важливістю головному ядерному паливу - урану.
Тория на Землі в кілька разів більше, ніж урану + Не потрібно розділяти ізотопи + Радіоактивне зараження при видобутку торію істотно менше (за рахунок більш короткоживучого радону) + Можна використовувати вже існуючі теплові реактори + Торий має кращі термомеханічні властивості, ніж уран + Торий менш токсичний, ніж уран + при використанні торію не утворюються мінорні актинідії (довгоживучі радіоактивні ізотопи) - У процесі опромінення торію утворюються гамма-випромінюючі ізотопи, що створює труднощі при переробці палив ва
Далекі родичі бомби
Атомна енергетика, на 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 ядерного матеріалу для виготовлення бомб можна було вибрати з трьох можливих варіантів: уран-235, плутоній-239 або уран-233.
Так виглядає торієвий ядерний цикл, який ілюструє перетворення торію в 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 не існує в природі, його потрібно напрацьовувати, опромінюючи нейтронами уран-238 в реакторі, а потім виділяючи його з опроміненого урану. Таким же чином можна отримувати уран-233 шляхом опромінення нейтронами торія-232.
Ідеальна екосистема У 1960-х планувалося замкнути ядерний цикл по урану і плутонію з використанням приблизно 50% АЕС на теплових реакторах і 50% на швидких. Але розробка швидких реакторів викликала труднощі, так що в даний час експлуатується лише один такий реактор - БН-600 на Белоярской АЕС (і побудований ще один - БН-800). Тому збалансовану систему можна створити з торієвих теплових реакторів і приблизно 10% швидких реакторів, які будуть заповнювати відсутню паливо для теплових.
Перші два способи в 1940-х роках були реалізовані, а ось з третім фізики вирішили не морочитися. 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 високоенергетичних (жорсткі) гамма-кванти, для захисту від яких потрібні товстелезні свинцеві плити. Крім того, жорстке гамма-випромінювання виводить з ладу керуючі електронні ланцюги, без яких неможливо обійтися в конструкції зброї.
торієвий цикл
Проте про торії не зовсім забули. Ще в 1940-х роках Енріко Фермі запропонував напрацьовувати плутоній в реакторах на швидких нейтронах (це більш ефективно, ніж на теплових), що призвело до створення реакторів EBR-1 і EBR-2. У цих реакторах уран-235 або плутоній-239 є джерелом нейтронів, що перетворюють уран-238 на плутоній-239. При цьому плутонію може утворюватися більше, ніж «спалюється» (в 1,3-1,4 рази), тому такі реактори називаються «размножителями».
Інша наукова група під керівництвом Юджина Вігнера запропонувала свій проект реактора-размножителя, але не на швидких, а на теплових нейтронах, з торієм-232 в якості опромінюється матеріалу. Коефіцієнт відтворення при цьому зменшився, але конструкція була більш безпечною. Однак існувала одна проблема. Торієвий паливний цикл виглядає таким чином. Поглинаючи нейтрон, торій-232 переходить в торій-233, який швидко перетворюється в протактиний-233, а він вже мимовільно розпадається на уран-233 з періодом напіврозпаду 27 днів. І ось протягом цього місяця протактиний буде поглинати нейтрони, заважаючи процесу напрацювання. Для вирішення цієї проблеми добре б вивести протактиний з реактора, але як це зробити? Адже постійне завантаження і вивантаження палива зводить ефективність напрацювання майже до нуля. Вігнер запропонував дуже дотепне рішення - реактор з рідким паливом у вигляді водного розчину солей урану. У 1952 році в Національній лабораторії в Оак-Рідж під керівництвом учня Вигнера, Елвіна Вайнберга, був побудований прототип такого реактора - Homogeneous Reactor Experiment (HRE-1). А незабаром з'явилася ще більш цікава концепція, ідеально підходила для роботи з торієм: це реактор на розплавах солей, Molten-Salt Reactor Experiment. Паливо у вигляді фториду урану було розчинено в розплаві фторидів літію, берилію і 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 і дозволяє виводити з активної зони шкідливі продукти розпаду.
Рідкосольових реактор дозволяє набагато більш гнучко управляти паливним циклом, ніж звичайні теплові станції, і використовувати паливо з найбільшою ефективністю, виводячи шкідливі продукти розпаду з активної зони і додаючи нове паливо в міру необхідності.
Шлях найменшого опору
Проте рідкосольових реактори (ЖСР) не набули поширення, оскільки звичайні теплові реактори на урані виявилися дешевше. Світова атомна енергетика пішла по найбільш простому і дешевому шляху, 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, являють собою іншу гілку генеалогічного древа - вони походять від реакторів для напрацювання плутонію. «Основним паливом для цих реакторів є уран-235, але його запаси хоча і досить значні, проте обмежені, - пояснює« Популярною механіці »начальник відділу системних стратегічних досліджень Науково-дослідного центру« Курчатовський інститут »Станіслав Суботін. - Це питання почало розглядатися ще в 1960-х роках, і тоді планованим рішенням цієї проблеми вважалося введення в ядерний паливний цикл відвального урану-238, запасів якого майже в 200 разів більше. Для цього планувалося побудувати безліч реакторів на швидких нейтронах, які б напрацьовували плутоній з коефіцієнтом відтворення 1,3-1,4, щоб надлишок можна було використовувати для харчування теплових реакторів. Швидкий реактор БН-600 був запущений на Белоярской АЕС - правда, не в режимі брідер. Нещодавно там же був побудований і ще один - БН-800. Але для побудови ефективної екосистеми атомної енергетики таких реакторів потрібно приблизно 50% ».
Всі радіоактивні ізотопи, які зустрічаються в природі в природних умовах, належать до одного з трьох сімейств (радіоактивних рядів). Кожен такий ряд - це ланцюжок ядер, пов'язаних послідовним радіоактивним розпадом. Родоначальники радіоактивних рядів - довгоживучі ізотопи уран-238 (період напіврозпаду 4,47 мільярда років), уран-235 (704 млн років) і торій-232 (14,1 млрд років). Ланцюжки закінчуються стабільними ізотопами свинцю. Існує ще один ряд, що починається з нептунію-237, але період його напіврозпаду занадто малий - всього лише 2,14 млн років, тому в природі він не зустрічається.
могутній торій
Ось тут якраз на сцену і виходить торій. «Торий часто називають альтернативою урану-235, але це абсолютно неправильно, - каже Станіслав Суботін. - Сам по собі торій, як і уран-238, взагалі не є ядерним паливом. Однак, помістивши його в нейтронне поле в самому звичайному водо-водяному реакторі, можна отримати відмінне паливо - уран-233, яке потім використовувати для цього ж самого реактора. Тобто ніяких переробок, ніякого серйозного зміни існуючої інфраструктури не потрібно. Ще один плюс торію - поширеність в природі: його запаси як мінімум втричі перевищують запаси урану. Крім того, немає необхідності в поділі ізотопів, оскільки при попутної видобутку разом з рідкоземельними елементами зустрічається тільки торій-232. Знову ж таки, при видобутку урану відбувається забруднення навколишньої місцевості щодо довготривалим (період напіврозпаду 3,8 доби) радоном-222 (в ряду торію радон-220 - короткоживучий, 55 секунд, і не встигає розповсюдитися). Крім того, торій має відмінні термомеханічні властивості: він тугоплавкий, менш схильний до розтріскування і виділяє менше радіоактивних газів при пошкодженні оболонки ТВЕЛ. Напрацювання урану-233 з торію в теплових реакторах приблизно в три рази більш ефективна, ніж плутонію з урану-235, так що наявність як мінімум половини таких реакторів в екосистемі атомної енергетики дозволить замкнути цикл по урану і плутонію. Правда, швидкі реактори все одно будуть потрібні, оскільки коефіцієнт відтворення у торієвих реакторів не перевищує одиниці ».
Три джерела ядерної енергії На виробництво 1 ГВт протягом року потрібно: 250 т природного урану (містять 1,75 т урану-235) потрібно добути 215 т збідненого урану (в тому числі 0,6 т урану-235) йдуть у відвали; 35 т збагаченого урану (з них 1,15 т урану-235) завантажуються в 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 рідкосольових 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 у торію є і один досить серйозний мінус. При нейтронном опроміненні торію уран-233 виявляється забрудненим ураном-232, який відчуває ланцюжок розпадів, що приводить до жорсткого гамма-випромінює ізотопу талій-208. «Це сильно ускладнює роботу з переробки палива, - пояснює Станіслав Суботін. - Але з іншого боку, полегшує виявлення такого матеріалу, зменшуючи ризик розкрадань. Крім того, в замкнутому ядерному циклі і при автоматизованій обробці палива це не має особливого значення ».
термоядерна запалювання
Експерименти з використання торієвих ТВЕЛів в теплових реакторах ведуться в Росії та інших країнах - Норвегії, Китаї, Індії, США. «Зараз саме час повернутися до ідеї рідкосольових реакторів, - вважає Станіслав Суботін. - Хімія фторидів і фторідних розплавів добре вивчена завдяки виробництву алюмінію. Для торію реактори на розплавах солей набагато ефективніші, ніж звичайні водо-водяні, оскільки дозволяють гнучко здійснювати завантаження і виведення продуктів розпаду з активної зони реактора. Більш того, з їх допомогою можна реалізувати гібридні підходи, використовуючи в якості джерела нейтронів не ядерна паливо, а термоядерні установки - хоча б ті ж токамаки. До того ж рідкосольових реактор дозволяє вирішити проблему з мінорними актинидов - довгоживучими ізотопами америцію, кюрія і нептунію (які утворюються в опроміненому паливі), «допалу» їх в реакторі-сміттяра. Так що в перспективі декількох десятиліть в атомній енергетиці без торію нам не обійтися ».
Стаття «Молот Тора» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №11, Січень 2015 ).
Для вирішення цієї проблеми добре б вивести протактиний з реактора, але як це зробити?