ТОРИЙ, Th (от имени бога грома Тоpa в скандинавской мифологии; лат. Thorium * а. thorium; н. Thorium; ф. thorium; и. torio),- радиоактивный химический элемент III группы периодической системы , атомный номер 90, атомная масса 232,0381, относится к актиноидам. Природный торий состоит главным образом из одного изотопа 232 Th (ТЅ 14,00.10 9 лет). В незначительных количествах присутствуют также 228 Th (ТЅ 1,913 года) и четыре короткоживущих изотопа. Известно 18 искусственных изотопов тория с массовыми числами от 213 до 236. Торий открыт в 1828 шведским химиком И. Я. Берцелиусом.
Свойства тория
В свободном состоянии торий — серебристо-белый металл, для которого при температурах ниже 1365°С характерна гранецентрированная кубическая решетка (а=0,5086 нм) — а-Th, а при более высоких — объёмноцентрированная кубическая (а=0,411 нм) — Я-Th. 11300 кг/м 3 , t плавления 1750°С, t кипения 4200°С, молярная теплоёмкость 27,33 Дж/(моль.К), удельное электрическое сопротивление 18,62.10 -4 (Ом.м), температурный коэффициент линейного расширения 11,3.10 -6 К -1 , 35,6 Вт/(м.К). Парамагнитен, температура перехода в сверхпроводящее состояние 1,4 К. Легко деформируется на холоде.
Торий химический
В большинстве соединений для тория характерна степень окисления +4, но бывает также +2 и +3. Порошкообразный торий пирофорен, на воздухе тускнеет, в кипящей покрывается плёнкой диоксида. Реагирует со , при нагревании — с , сероводородом. Легко растворяется в соляной кислоте и царской водке, медленно — в азотной, серной и фтористоводородной кислотах. Токсичен, ПДК 0,05 мг/м 3 .
Торий (хим. элемент)
Торий
(лат. Thorium), Th, радиоактивный химический элемент, первый член семейства актиноидов
, входящих в III группу периодической системы Менделеева; атомный номер 90, атомная масса 232,038; серебристо-белый пластичный металл. Природный Т. практически состоит из одного долгоживущего изотопа 232
Th ‒ родоначальника одного из радиоактивных рядов
‒ с периодом полураспада T
1/2
= 1,39×1010
лет (содержание изотопа 228
Th, находящегося с ним в равновесии, ничтожно ‒ 1,37×10‒8
%) и четырёх короткоживущих изотопов, два из которых относятся к радиоактивному ряду урана ‒ радия: 234
Th (T
1/2
= 24,1 сут
) и 230
Th (T
1/2
= 8,0×104
лет), остальные ‒ к ряду актиния: 231
Th (T
1/2
= 25,6 ч
) и 227
Th (T
1/2
= 18,17 сут
). Из искусственно полученных изотопов наиболее устойчив 229
Th (T
1/2
= 7340 лет).
Т. открыт в 1828 И. Я. Берцелиусом
в одном из сиенитов
в Норвегии. Элемент назван по имени бога грома в скандинавской мифологии ‒ Тора , а минерал ‒ силикат тория ‒ торитом
.
Распространение в природе.
Т.‒ характерный элемент верхней части земной коры ‒ гранитного слоя и осадочной оболочки, где его в среднем содержится соответственно 1,8 ·10‒3
% и 1,3·10‒3
% по массе.
Т. сравнительно слабомигрирующий элемент; в основном он участвует в магматических процессах, накапливаясь в гранитах, щелочных породах и пегматитах. Способность к концентрации слабая. Известно 12 собственных минералов Т. (см. Ториевые руды
). Т. содержится в монаците
, уранините, цирконе, апатите, ортите и др. (см. Радиоактивные минералы
). Основной промышленный источник Т. ‒ монацитовые россыпи (морские и континентальные). В природных водах содержится особенно мало Т.: в пресной воде 2×10‒9
%, в морской воде 1×10‒9
%. Он очень слабо мигрирует в биосфере и гидротермальных растворах.
Физические и химические свойства.
Т. существует в виде двух модификаций: a-формы с гранецентрированной кубической решёткой при температуре до 1400 °С (а
= 5,086 Å) и b-формы с объёмноцентрированной кубической решёткой при температуре выше 1400 °С (a = 4,11 Å). Плотность Т. (рентгено-графическая) 11,72 г/см3
(25 °С); атомный диаметр в a-форме 3,59 Å, в b-форме 3,56 Å; ионные радиусы Th3+
1,08 Å, Th4+
0,99 Å; t
пл
1750 °С; t
kип
3500‒ 4200 °C.
Мольная теплоёмкость Т. 27,32 кдж
/(кмоль×
К) при 25 °С; теплопроводность при 20 °С 40,19 вт
/м×
К) ; температурный коэффициент линейного расширения 12,5×
10‒6
(25‒100 °С); удельное электросопротивление 13×10‒6
‒18×10‒6
ом×см
(25 °С); температурный коэффициент электросопротивления 3,6×
10‒3
‒4×10‒3
. Т. парамагнитен; удельная магнитная восприимчивость 0,54×
10‒6
(20 °С). При 1,4К переходит в состояние сверхпроводимости.
Т. легко деформируется на холоду; механические свойства Т. сильно зависят от его чистоты, поэтому предел прочности при растяжении Т. варьирует от 150 до 290 Мн
/м
2
(15‒29 кгс
/мм
2
), твёрдость по Бринеллю от 450 до 700 Мн
/м
2
(45‒70 кгс
/мм
2
). Конфигурация внешних электронов атома Th 6d
2
7s
2
.
Хотя Т. относится к семейству актиноидов, однако по некоторым свойствам он близок также к элементам второй подгруппы IV группы периодической системы Менделеева ‒ Ti, Zr, Hf. В большинстве соединений Т. имеет степень окисления +4.
На воздухе при комнатной температуре Т. окисляется незначительно, покрываясь защитной плёнкой чёрного цвета; выше 400 °С быстро окисляется с образованием ThO2
‒ единственного окисла, который плавится при 3200 °С и обладает высокой химической устойчивостью. Получают ThO2
термическим разложением нитрата, оксалата или гидроокиси Т. С водородом при температурах выше 200 °С Т. реагирует с образованием порошкообразных гидридов ThH2
, ThH3
и др. состава. В вакууме при температуре 700‒800 °С из Т. можно удалить весь водород. При нагревании в азоте выше 800 °С образуются нитриды ThN и Th2
N3
, которые разлагаются водой с выделением аммиака. С углеродом образует два карбида ‒ ThC и ThC2
; они разлагаются водой с выделением метана и ацетилена. Сульфиды ThS, Th2
S3
, Th7
S12
, ThS2
могут быть получены при нагревании металла с парами серы (600‒800 °С). Т. реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами ‒ при нагревании, с образованием галогенидов типа ThX4
(где Х ‒ галоген). Наиболее важное промышленное значение из галогенидов имеют фторид ThF4
и хлорид ThCl4
. Фторид получают действием HF на ThO2
при повышенных температурах; хлорид ‒ хлорированием смеси ThO2
с углём при повышенных температурах. Фторид мало растворим в воде и минеральных кислотах; хлорид, бромид и йодид ‒ гигроскопичны и хорошо растворимы в воде. Для всех галогенидов известны кристаллогидраты, выделяемые кристаллизацией из водных растворов.
Компактный Т. при температурах до 100 °С медленно корродирует в воде, покрываясь защитной окисной плёнкой. Выше 200 °С активно реагирует с водой с образованием ThO2
и выделением водорода. Металл на холоду медленно реагирует с азотной, серной и плавиковой кислотами, легко растворяется в соляной кислоте и царской водке. Соли Т. образуются в виде кристаллогидратов. Растворимость солей в воде различна: хорошо растворимы нитраты Th (NO3
)4
×n
H2
O; труднорастворимы сульфаты Th (SO4
)2
×n
H2
O, основной карбонат ThOCO3
×8H2
O, фосфаты Th3
(PO4
)4
×4H2
O и ThP2
O7
×2H2
O; практически нерастворим в воде оксалат Th (C2
O4
)2
×6H2
O. Растворы щелочей слабо действуют на Т. Гидроокись Th (OH)4
осаждается из солей Т. в интервале pH = 3,5‒3,6 в виде аморфного осадка. Для ионов Th4+
в водных растворах характерна ярко выраженная способность к образованию комплексных соединений и двойных солей.
Получение.
Т. извлекается главным образом из монацитовых концентратов, в которых он содержится в виде фосфата. Промышленное значение имеют два способа вскрытия (разложения) таких концентратов:
1) обработка концентрированной серной кислотой при 200 °С (сульфатизация);
2) обработка растворами щёлочи при 140 °С. В сернокислые растворы продуктов сульфатизации переходят все редкоземельные элементы, Т. и фосфорная кислота. При доведении pH такого раствора до 1 осаждается фосфат Т.; осадок отделяют и растворяют в азотной кислоте, а затем нитрат Т. экстрагируют органическим растворителем, из которого Т. легко вымывается в виде комплексных соединений. При щелочном вскрытии концентратов в осадке остаются гидроокиси всех металлов, а в раствор переходит тринатрий фосфат. Осадок отделяют и растворяют в соляной кислоте; понижая pH этого раствора до 3,6‒5, осаждают Т. в виде гидроокиси. Из выделенных и очищенных соединений Т. получают ThO2
, ThCl4
и ThF4
‒ основные исходные вещества для производства металлического Т. металлотермическими методами или электролизом расплавленных солей. К металлотермическим методам относятся: восстановление ThO2
кальцием в присутствии CaCl2
в атмосфере аргона при 1100‒1200 °С, восстановление ThCl4
магнием при 825‒925 °С и восстановление ThF4
кальцием в присутствии ZnCl2
с получением сплава Т. и последующим отделением цинка нагреванием сплава в вакуумной печи при 1100 °С. Во всех случаях получают Т. в форме порошка или губки. Электролиз расплавленных солей ведётся из электролитов, содержащих ThCl4
и NaCI, или ванн, состоящих из смеси ThF4
, NaCI, KCl. Т. выделяется на катоде в виде порошка, отделяемого затем от электролита обработкой водой или разбавленными щелочами. Для получения компактного Т. применяют метод порошковой металлургии (спекание заготовок ведут в вакууме при 1100‒1350 °С) или плавку в индукционных вакуумных печах в тиглях из ZrO2
или BeO. Для получения Т. особо высокой чистоты используют метод термической диссоциации лодида Т.
Применение.
Торированные катоды применяются в электронных лампах, а оксидно-ториевые ‒ в магнетронах и мощных генераторных лампах. Добавка 0,8‒1% ThO2
к вольфраму стабилизирует структуру нитей ламп накаливания. ThO2
используют как огнеупорный материал, а также как элемент сопротивления в высокотемпературных печах. Т. и его соединения широко применяют в составе катализаторов в органическом синтезе, для легирования магниевых и др. сплавов, которые приобрели большое значение в реактивной авиации и ракетной технике. Металлический Т. используется в ториевых реакторах
.
При работе с Т. необходимо соблюдать правила радиационной безопасности
.
А. Н. Зеликман.
Т. в организме.
Т. постоянно присутствует в тканях растений и животных. Коэффициент накопления Т. (то есть отношение его концентрации в организме к концентрации в окружающей среде) в морском планктоне ‒ 1250, в донных водорослях ‒ 10, в мягких тканях беспозвоночных ‒ 50‒300, рыб ‒ 100. В пресноводных моллюсках (Unio mancus) его концентрация колеблется от 3×10‒7
до 1×10‒5
%, в морских животных от 3×10‒7
до 3×10‒6
%. Т. поглощается главным образом печенью и селезёнкой, а также костным мозгом, лимфатическими железами и надпочечниками; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление Т. с продуктами питания и водой составляет 3 мкг
; выводится из организма с мочой и калом (0,1 и 2,9 мкг
соответственно). Т. ‒ малотоксичен, однако как природный радиоактивный элемент вносит свой вклад в естественный фон облучения организмов (см. Фон радиоактивный
).
Г. Г. Поликарпов.
Лит.:
Торий, его сырьевые ресурсы, химия и технология, М., 1960; Зеликман А. Н., Металлургия редкоземельных металлов, тория и урана, М., 1961; Емельянов В. С., Евстюх и н А. И., Металлургия ядерного горючего, 2 изд., М., 1968; Сиборг Г. Т., Кац Дж., Химия актинидных элементов, пер. с англ., М., 1960; Bowen Н. J. М., Trace elements in biochemistry, L.‒N. Y., 1966.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Запасы содержатся прежде всего в руде редкоземельных металлов - монацитах и ториевом минерале - торит. В отсутствии спроса на редкие земли монацит вряд ли бы добывался только для извлечения его ториевого содержания. Другие полезные ископаемые руды с более высоким содержанием тория, такие как торит, были бы более вероятными источниками, если бы спрос значительно увеличился. Новый спрос возможен в связи с развитием и тестированием ториевого ядерного топлива в России и Индии. В США запасы тория имеются прежде всего в недавно открытых и давно разрабатываемых золотых приисках и в ториевых месторождениях венного типа.Меньшие количества тория содержатся в залежах железной руды и карбонатитах. Месторождения редкого в земной коре апатита тория (FRETA) найдены в Mineville, штат Нью-Йорк; а также в штатах Миссури и Нью-Джерси.
Основные мировые ресурсы тория находятся в золотых приисках. Ресурсы в размере более чем 500,000 тонн содержатся в золотых приисках, месторождениях венного типа и карбонатитах. Распространенные месторождения тория в различных других щелочных магматических породах содержат дополнительные ресурсы в размере более чем 2 миллионов тонн. Большие ториевые ресурсы найдены в Австралии, Бразилии, Канаде, Гренландии (Дания), Индии, Южной Африке и США.
Запасы на месторождениях тория в 2012 году, тыс.тонн ThO2 *
| США | 440.0 |
| Австралия | 410.0 |
| Индия | 290.0 |
| Канада | 100.0 |
| ЮАР | 35.0 |
| Прочие страны | 125.0 |
| Всего запасы | 1,400.0 |
* данные US Geological Survey
В США торий производился как побочный продукт очистки монацита при производстве редкоземельных металов. Сам монацит получался как побочный продукт обработки тяжело-минеральных песков полезных ископаемых циркония и титана. В 2012 году монацит не призводился внутри США как коммерческий продукт. По существу все ториевые соединения и сплавы, потребляемые промышленностью США, были получены от импорта, запасов ранее импортированных материалов или материалов, ранее полученных из американских правительственных запасов. Восемь компаний занимались переработкой тория и изготовлением различных форм, содержащих торий, для неэнергетического использования, таких как катализаторы, высокотемпературная керамика и сварочные электроды. Использование тория в большинстве продуктов вообще уменьшилось из-за его естественной радиоактивности. Ориентировочная стоимость ториевых составов, используемых американской промышленностью, составляла 400,000 долларов, и не изменилась по сравнению с данными на 2011 год.
Внутренняя добыча руды отношения тория в монаците прекратилась на территории США в конце 1994 года, поскольку мировой спрос на руды, содержащие естественный радиоактивный торий, уменьшился. Импорт и существующие запасы составили по существу весь торий, потребляемый в Соединенных Штатах в 2012 году. Внутренний спрос на ториевые сплавы, соединения, металл и руды демонстрировал долгосрочную тенденцию снижения.
Торий имеет ряд областей применения, в которых подчас играет незаменимую роль. Положение этого металла в Периодической системе элементов и структура ядра предопределили его применение в области мирного использования атомной энергии.
Торий-232 - четно-четный изотоп (четное число протонов и нейтронов), поэтому не способен делиться тепловыми нейтронами и быть ядерным горючим. Но при захвате теплового нейтрона 232Th превращается в 233U. Уран-233 способен к делению подобно урану-235 и плутонию-239, что открывает более чем серьёзные перспективы для развития атомной энергетики (уран-ториевый топливный цикл, реакторы на быстрых нейтронах). В атомной энергетике применяются карбид, оксид и фторид тория (в высокотемпературных жидкосолевых реакторах) совместно с соединениями урана и плутония и вспомогательными добавками.
Так как общие запасы тория в 3-4 раза превышают запасы урана в земной коре, то атомная энергетика при использовании тория позволит на сотни лет полностью обеспечить энергопотребление человечества.
Кроме атомной энергетики, торий в виде металла с успехом применяется в металлургии (легирование магния и др.), придавая сплаву повышенные эксплуатационные характеристики (сопротивление разрыву, жаропрочность). Отчасти торий в виде окиси применяется в производстве высокопрочных композиций как упрочнитель (для авиапромышленности). Оксид тория из-за его наивысшей температуры плавления из всех оксидов (3350 K) и неокисляемости идёт на производство наиболее ответственных конструкций и изделий, работающих в сверхмощных тепловых потоках, и может быть идеальным материалом для облицовки камер сгорания и газодинамических каналов для МГД-электростанций. Тигли, изготовленные из окиси тория, применяются при работах в области температур около 2500-3100°C. Ранее оксид тория применялся для изготовления калильных сеток в газовых светильниках.
Торированные катоды прямого накала применяются в электронных лампах, а оксидно-ториевые - в магнетронах и мощных генераторных лампах. Добавка 0,8-1% ThO2 к вольфраму стабилизирует структуру нитей ламп накаливания. Ксеноновые дуговые лампы почти всегда имеют торированные катод и анод, поэтому незначительно радиоактивны. Оксид тория применяется как элемент сопротивления в высокотемпературных печах. Торий и его соединения широко применяют в составе катализаторов в органическом синтезе.
В 2012 году потребление тория, согласно оценкам, увеличилось по сравнению с предыдущим годом, и было значительным, прежде всего, в катализаторах, микроволновых трубах и оптическом оборудовании. Увеличение затрат на контроль радиоактивности и стремление ведущих производителей изделий с содержанием тория избавляться от данного металла стали причиной все большего использования заменителей - материалов без тория. Реальные и потенциальные затраты, связанные с разрешением органов государственного регулирования и нормами федерального права в США, определяющими контроль радиоактивности тория, ограничили его коммерческую ценность. Вероятно, что использование тория продолжит уменьшаться, если дешевые решения с его использованием не будут найдены или новая технология, такая, например, как a непролиферативное ядерное топливо, создаст возобновленный спрос.
В 2012 году в Австралии, предприятие в Mount Weld, Западная Австралия, производила монацитовый концентрат жуе второй год. С сентября 2012 года 14,400 тонн концентрата, содержащего 5,200 тонн окисей редких земель и некоторое количество тория, были готовы к экспорту и ожидали запуска предприятия по дальнейшей переработке концентрата в Малайзии. В Южной Африке планы состояли в том, чтобы в стадии реализации продолжить добывать и обрабатывать монацит на действующем предприятии по производству редких земель Steenkampskraal. Когда потребуется, торий, произведенный во время производства редких земель, может быть продан или сохранен локально в восстанавливаемой форме. В 2012 году государственный доклад по предприятию Steenkampskraal содержал данные о ресурсах приблизительно 14,000 тонн окисей редких земель.
В США цены на торий снизились до 73,7 долл./кг в 2009 году, по сравнению с 96,55 долл./кг в 2008 году. На основе данных в течение сентября 2012 года средние цены на импортированные в США ториевые соединения уменьшились до 68 долл./кг по сравнению с 70 долл./кг (вес брутто) в среднем за 2011 год.
Во Франции цены на ториевые компоненты также снизились в последние годы и в 2012 году составили 153 долл./кг по равнению с 158 долл./кг годом ранее.
Нерадиоактивные замены были найдены во многих областях применения тория. Соединия иттрия заменили торий в лампах накаливания. Сплав магния, содержащий лантаниды, иттрий и цирконий, способен заменить торий в космической промышленности.
В нынешнее время трудно себе представить нашу повседневную жизнь без энергии. Без ее использования и применения ее производных. Энергетика красной нитью проходить через все существование человечества. Во все времена, «ученые мужи», стремились использовать полученные знания и окружающие нас природные источники, элементы для получения и преобразование энергии и использования ее для удовлетворения своих потребностей.
В связи с этим рассматривались и изучались разные научные направления. Непосредственно широкие исследования проводились , в изучении различных химических элементов их реакции при взаимодействии и при определенных условиях. Остановим свой выбор на таком на первый взгляд «неприметном» радиоактивном химическом элементе, как торий.
Преимущества ториевой энергетики
Торий
Скромный торий при более глубоком рассмотрении раскрывает достаточно интересных фактов об истории своего появления в научном химическом мире.
- Первым фактом, будем считать, что элемент торий, был открыт задолго до появления самого понятия «радиоактивность»;
- Вторым, то, что название элемента «Торий» появилось на 13 лет раньше открытия самого химического элемента;
- Третьим интересным фактом, можно считать то, что элемент торий получил свое название в честь древнего скандинавского всемогущего божества Тора. Скандинавы считали Тора богом войны, грома и молнии;
- Следующим историческим фактом идет получение чистого тория, а именно то, что изначально торий был открыт не в чистом виде, а в сплаве, в который впоследствии получил название торит в 1828 году – некоронованным королем химиков Берцелиусом. Сам элемент торий в чистом виде был впервые получен в 1882 году известным шведским химиком Нильсоном;
- Еще одно важное событие в истории появления тория происходит в 1898 году в момент определения радиоактивности чистого тория, которая по утверждению Марии Склодовской-Кюри даже превышает радиоактивность урана.
И все же – торий, что это за элемент: радиоактивный химический элемент, находящийся в таблице Менделеева под номером 90 и входящий в ІІІ группу периодической системы. Внешние характеристики его – это серебристо-белый мягкий метал, который при взаимодействии с воздухом комнатной температуры незначительно окисляется и покрывается черной защитной пленочкой.
Ториевые электростанции -- энергетика будущего
Применение тория в быту
Как уже говорилось, любые исследования и научные открытия делаются для блага человечества. Для использования их в бытовой и социальной сферах. Изначально торий начали использовать еще в 19 веке для освещения.
Для того что бы освещение было ровнее и ярче на газовые рожки надевались колпачки в составе которых, присутствовали оксиды тория и церия.
В дальнейшем при развитии электроники, торий стали использовать в электронных лампах и . Так же ториевая добавка к вольфраму помогает стабилизировать структуру нити лампы накаливания.
Ториевая энергетика
В современном научном и техническом мире торий используется в разных областях, где он играет часто незаменимую роль. В металлургии, торий с успехом, используется, в качестве метала для повышения жаропрочности и сопротивления разрыву, также он используется в авиационной промышленности как упрочнитель, в оптической промышленности торий используют как добавку к стеклу, что позволяет увеличить показатель преломления.
Но самая перспективна ветвь развития использования тория это все, же атомная энергетика. Хотя сейчас. После Чернобыля и Фукусимы, ядерная гонка потеряла свою актуальность, все же имеет смысл развивать и исследовать ториевую атомных электростанций.
Поскольку при сравнении нынешних АЭС и атомных электростанций, работающих на ториевых генераторах, ториевые АЭС сразу же выгодно выделяются по нескольким параметрам.
- Запасы тория в земной коре в несколько раз превышают запасы урана и обнаруживаются в большинстве горных пород, а также и присутствие тория обнаруживается и в морской воде.
- Следующим преимуществом есть то, что торий можно загружать сразу в реактор непосредственно после его добычи не обогащая, что снижает утечку материала и значительно увеличивается уровень безопасности;
- Сравнение количества получаемой энергии, тоже не в пользу урана. При прохождении цикла из одной тоны тория получают в двести раз больше энергии, чем из такого же количества урана;
- Так же бесспорным преимуществом ториевого реактора является то, что его создание возможно в различных масштабах, то есть на лицо возможность и соответственно выгода создания малых ;
- Ну и главным, преимуществом ториевого реактора является его безопасность. Он может работать как при нормальном, так и при пониженном давлении. Если вдруг возникает ситуация, которая ведет к повышению давления, происходит увеличение объема ториевой смеси, что вызывает уменьшение плотности и замедление ядерной реакции, а соответственно и остановку роста давления. Из чего видно, что взрыв такого реактора исключается по всем физическим законам.
Торий или уран
И кроме всего прочего, если говорить о переходе на ториевую энергетику, это не есть таким фантастическим и затратным мероприятием. Ведь даже при модернизации реакторов нынешних существующих атомных электростанций и переводе их на ториевое топливо необходимо будет затратить 100 миллионов долларов, то при этом мощность такой модернизированной атомной ториевой возрастет как минимум в два раза. Если же строить АЭС на ториевом реакторе с нуля – новую, то на ее возведение необходимо будет выделить около 2-3 миллиардов долларов.
Но при более детальном анализе эти суммы не кажутся таким заоблачными потому что во-первых, эти затраты очень быстро окупятся в связи выросшей на несколько прядкой отдачей энергии. Во-вторых, срок службы ториевого реактора не менее 100 лет, при работе без перезагрузки топлива до пятидесяти лет (для сравнения урановые реакторы перезагружают каждые полтора-два года). Ну и, в-третьих, если все мировое сообщество сориентируется в направлении перехода ядерной энергетики на ториевое топливо, то себестоимость электроэнергии значительно снизится, а также позволит избежать неотвратимо приближающегося энергетического кризиса.
В 1815 году знаменитый шведский химик Йенс Якоб Берцелиус заявил об открытии нового элемента, который он назвал торием в честь Тора, бога-громовержца и сына верховного скандинавского бога Одина. Однако в 1825 году обнаружилось, что открытие это было ошибкой. Тем не менее название пригодилось — его Берцелиус дал новому элементу, который он обнаружил в 1828 году в одном из норвежских минералов (сейчас этот минерал называется торит). Этому элементу, возможно, предстоит большое будущее, где он сможет сыграть в атомной энергетике роль, не уступающую по важности главному ядерному топливу — урану.
| Плюсы и минусы | |
| + | Тория на Земле в несколько раз больше, чем урана |
| + | Не нужно разделять изотопы |
| + | Радиоактивное заражение при добыче тория существенно меньше (за счет более короткоживущего радона) |
| + | Можно использовать уже существующие тепловые реакторы |
| + | Торий имеет лучшие термомеханические свойства, чем уран |
| + | Торий менее токсичен, чем уран |
| + | При использовании тория не образуются минорные актиниды (долгоживущие радиоактивные изотопы) |
| - | В процессе облучения тория образуются гамма-излучающие изотопы, что создает трудности при переработке топлива |
Дальние родственники бомбы
Атомная энергетика, на которую сейчас возлагается столько надежд, — это побочная ветвь военных программ, основными целями которых было создание атомного оружия (а чуть позднее реакторов для подводных лодок). В качестве ядерного материала для изготовления бомб можно было выбрать из трех возможных вариантов: уран-235, плутоний-239 или уран-233.
Так выглядит ториевый ядерный цикл, иллюстрирующий превращение тория в высокоэффективное ядерное топливо — уран-233.
Уран-235 содержится в природном уране в очень небольшом количестве — всего 0,7% (остальные 99,3% составляет изотоп 238), и его нужно выделить, а это дорогостоящий и сложный процесс. Плутоний-239 не существует в природе, его нужно нарабатывать, облучая нейтронами уран-238 в реакторе, а затем выделяя его из облученного урана. Таким же образом можно получать уран-233 путем облучения нейтронами тория-232.
В 1960-х планировалось замкнуть ядерный цикл по урану и плутонию с использованием примерно 50% АЭС на тепловых реакторах и 50% на быстрых. Но разработка быстрых реакторов вызвала трудности, так что в настоящее время эксплуатируется лишь один такой реактор — БН-600 на Белоярской АЭС (и построен еще один — БН-800). Поэтому сбалансированную систему можно создать из ториевых тепловых реакторов и примерно 10% быстрых реакторов, которые будут восполнять недостающее топливо для тепловых.
Первые два способа в 1940-х годах были реализованы, а вот с третьим физики решили не возиться. Дело в том, что в процессе облучения тория-232 помимо полезного урана-233 образуется еще и вредная примесь — уран-232 с периодом полураспада в 74 года, цепочка распадов которого приводит к появлению таллия-208. Этот изотоп излучает высокоэнергетичные (жесткие) гамма-кванты, для защиты от которых требуются толстенные свинцовые плиты. Кроме того, жесткое гамма-излучение выводит из строя управляющие электронные цепи, без которых невозможно обойтись в конструкции оружия.
Ториевый цикл
Тем не менее о тории не совсем забыли. Еще в 1940-х годах Энрико Ферми предложил нарабатывать плутоний в реакторах на быстрых нейтронах (это более эффективно, чем на тепловых), что привело к созданию реакторов EBR-1 и EBR-2. В этих реакторах уран-235 или плутоний-239 являются источником нейтронов, превращающих уран-238 в плутоний-239. При этом плутония может образовываться больше, чем «сжигается» (в 1,3−1,4 раза), поэтому такие реакторы называются «размножителями».
Другая научная группа под руководством Юджина Вигнера предложила свой проект реактора-размножителя, но не на быстрых, а на тепловых нейтронах, с торием-232 в качестве облучаемого материала. Коэффициент воспроизводства при этом уменьшился, но конструкция была более безопасной. Однако существовала одна проблема. Ториевый топливный цикл выглядит таким образом. Поглощая нейтрон, торий-232 переходит в торий-233, который быстро превращается в протактиний-233, а он уже самопроизвольно распадается на уран-233 с периодом полураспада 27 дней. И вот в течение этого месяца протактиний будет поглощать нейтроны, мешая процессу наработки. Для решения этой проблемы хорошо бы вывести протактиний из реактора, но как это сделать? Ведь постоянная загрузка и выгрузка топлива сводит эффективность наработки почти к нулю. Вигнер предложил очень остроумное решение — реактор с жидким топливом в виде водного раствора солей урана. В 1952 году в Национальной лаборатории в Оак-Ридже под руководством ученика Вигнера, Элвина Вайнберга, был построен прототип такого реактора — Homogeneous Reactor Experiment (HRE-1). А вскоре появилась еще более интересная концепция, идеально подходившая для работы с торием: это реактор на расплавах солей, Molten-Salt Reactor Experiment. Топливо в виде фторида урана было растворено в расплаве фторидов лития, бериллия и циркония. MSRE проработал с 1965 по 1969 год, и хотя торий там не использовался, сама концепция оказалась вполне работоспособной: использование жидкого топлива повышает эффективность наработки и позволяет выводить из активной зоны вредные продукты распада.
Жидкосолевой реактор позволяет намного более гибко управлять топливным циклом, чем обычные тепловые станции, и использовать топливо с наибольшей эффективностью, выводя вредные продукты распада из активной зоны и добавляя новое топливо по мере необходимости.
Путь наименьшего сопротивления
Тем не менее жидкосолевые реакторы (ЖСР) не получили распространения, поскольку обычные тепловые реакторы на уране оказались дешевле. Мировая атомная энергетика пошла по наиболее простому и дешевому пути, взяв за основу проверенные водо-водяные реакторы под давлением (ВВЭР), потомки тех, которые были сконструированы для подводных лодок, а также кипящие водо-водяные реакторы. Реакторы с графитовым замедлителем, такие как РБМК, представляют собой другую ветвь генеалогического древа — они происходят от реакторов для наработки плутония. «Основным топливом для этих реакторов является уран-235, но его запасы хотя и довольно значительны, тем не менее ограничены, — объясняет «Популярной механике» начальник отдела системных стратегических исследований Научно-исследовательского центра «Курчатовский институт» Станислав Субботин. — Этот вопрос начал рассматриваться еще в 1960-х годах, и тогда планируемым решением этой проблемы считалось введение в ядерный топливный цикл отвального урана-238, запасов которого почти в 200 раз больше. Для этого планировалось построить множество реакторов на быстрых нейтронах, которые бы нарабатывали плутоний с коэффициентом воспроизводства 1,3−1,4, чтобы избыток можно было использовать для питания тепловых реакторов. Быстрый реактор БН-600 был запущен на Белоярской АЭС — правда, не в режиме бридера. Недавно там же был построен и еще один — БН-800. Но для построения эффективной экосистемы атомной энергетики таких реакторов нужно примерно 50%».
Все радиоактивные изотопы, которые встречаются в природе в естественных условиях, принадлежат к одному из трех семейств (радиоактивных рядов). Каждый такой ряд — это цепочка ядер, связанных последовательным радиоактивным распадом. Родоначальники радиоактивных рядов — долгоживущие изотопы уран-238 (период полураспада 4,47 млрд лет), уран-235 (704 млн лет) и торий-232 (14,1 млрд лет). Цепочки заканчиваются стабильными изотопами свинца. Существует еще один ряд, начинающийся с нептуния-237, но период его полураспада слишком мал — всего лишь 2,14 млн лет, поэтому в природе он не встречается.
Могучий торий
Вот тут как раз на сцену и выходит торий. «Торий часто называют альтернативой урану-235, но это совершенно неправильно, — говорит Станислав Субботин. — Сам по себе торий, как и уран-238, вообще не является ядерным топливом. Однако, поместив его в нейтронное поле в самом обычном водо-водяном реакторе, можно получить отличное топливо — уран-233, которое затем использовать для этого же самого реактора. То есть никаких переделок, никакого серьезного изменения существующей инфраструктуры не нужно. Еще один плюс тория — распространенность в природе: его запасы как минимум втрое превышают запасы урана. Кроме того, нет необходимости в разделении изотопов, поскольку при попутной добыче вместе с редкоземельными элементами встречается только торий-232. Опять же, при добыче урана происходит загрязнение окружающей местности относительно долгоживущим (период полураспада 3,8 суток) радоном-222 (в ряду тория радон-220 — короткоживущий, 55 секунд, и не успевает распространиться). Кроме того, торий имеет отличные термомеханические свойства: он тугоплавкий, менее склонен к растрескиванию и выделяет меньше радиоактивных газов при повреждении оболочки ТВЭЛ. Наработка урана-233 из тория в тепловых реакторах примерно в три раза более эффективна, чем плутония из урана-235, так что наличие как минимум половины таких реакторов в экосистеме атомной энергетики позволит замкнуть цикл по урану и плутонию. Правда, быстрые реакторы все равно будут нужны, поскольку коэффициент воспроизводства у ториевых реакторов не превышает единицы».
На производство 1 ГВт в течение года требуется: 250 т природного урана (содержат 1,75 т урана-235) требуется добыть 215 т обедненного урана (в том числе 0,6 т урана-235) уходят в отвалы; 35 т обогащенного урана (из них 1,15 т урана-235) загружаются в реактор; отработанное топливо содержит 33,4 т урана-238, 0,3 т урана-235, 0,3 т плутония-239, 1 т продуктов распада. 1 т тория-232 при загрузке в жидкосолевой реактор полностью конвертируется в 1 т урана-233; 1 т продуктов распада, из них 83% - короткоживущие изотопы (распадаются до стабильных примерно за десять лет).
Однако у тория есть и один достаточно серьезный минус. При нейтронном облучении тория уран-233 оказывается загрязненным ураном-232, который испытывает цепочку распадов, приводящую к жесткому гамма-излучающему изотопу таллий-208. «Это сильно затрудняет работу по переработке топлива, — объясняет Станислав Субботин. — Но с другой стороны, облегчает обнаружение такого материала, уменьшая риск хищений. Кроме того, в замкнутом ядерном цикле и при автоматизированной обработке топлива это не имеет особого значения».
Термоядерное зажигание
Эксперименты по использованию ториевых ТВЭЛов в тепловых реакторах ведутся в России и других странах — Норвегии, Китае, Индии, США. «Сейчас самое время вернуться к идее жидкосолевых реакторов, — считает Станислав Субботин. — Химия фторидов и фторидных расплавов хорошо изучена благодаря производству алюминия. Для тория реакторы на расплавах солей гораздо более эффективны, чем обычные водо-водяные, поскольку позволяют гибко производить загрузку и вывод продуктов распада из активной зоны реактора. Более того, с их помощью можно реализовать гибридные подходы, используя в качестве источника нейтронов не ядерное топливо, а термоядерные установки — хотя бы те же токамаки. К тому же жидкосолевой реактор позволяет решить проблему с минорными актинидами — долгоживущими изотопами америция, кюрия и нептуния (которые образуются в облученном топливе), «дожигая» их в реакторе-мусорщике. Так что в перспективе нескольких десятилетий в атомной энергетике без тория нам не обойтись».