Торий как ядерное топливо: принцип работы реактора на этом химическом элементе

Как был открыт

В получении тория принимали участие ученые из ряда стран.

• Первые частицы вещества были получены Йенсом Безериусом (первая треть 19 века), мастером европейской химии. Образец представлял собой минерал, содержащий сульфат тория.
• Полвека спустя его коллега и швед Ларс Нильсен выделил торий как металл.
• Радиоактивность элемента была открыта полячкой Марией Склодовской-Кюри и немцем Гербертом Шмидтом (1898).

Первооткрыватели назвали вещество торием в честь Тора, верховного бога скандинавского пантеона. Минерал стал ториевой рудой.

История науки сохранила имя человека, который отвернулся от химии. 17-летний американец, уроженец Детройта, построил ядерный реактор в пристройке к своему дому. Он смог извлечь радиоактивные элементы из сетки накаливания газовой лампы. СМИ окрестили его «радиоактивным бойскаутом» и назвали это явление «делом Дэвида Хана».

Что представляет собой

Торий, как элемент, находится под номером 90 в таблице Менделеева. Была открыта группа «Актиноиды». Он лишь слегка радиоактивен.

Это серебристо-белый, мягкий, блестящий металл.

Существует три десятка изотопных составов. Только один (232) имеет период полураспада 13,9 миллиарда лет — в три раза больше возраста Земли. У остальных время распада составляет часы или годы.

Почти 100% встречающегося в природе тория представляет собой единственный нуклид — 232.

Международное название этого элемента — торий, или торий.

Физические свойства.

Серебристо-белый ковкий металл, образующий сплавы со многими металлами. Температура плавления — 1750°C, температура кипения — 4200°C, плотность — 7,24 г/см3, при температуре ниже 1,4 К становится сверхпроводником.

Химические свойства.

Торий весьма реакционноспособен — он быстро исчезает на воздухе и покрывается пленкой диоксида серы в кипящей воде. Мелкодисперсный металлический торий сгорает в воздухе в результате высокоэнергетического окисления. Торий растворим в разбавленных минеральных кислотах: соляной, азотной и серной; пассивируется концентрированной азотной кислотой и не реагирует со щелочами.Th(IV) — наиболее устойчивое окисление, существуют также менее окисленные соединения: Th(II)I2 и Th(III)I3.При участии ионов щелочных металлов соединения тория легко образуют двойные соли K2[Th(NO3)6], Na2[Th( SO4)3], а также смешанные оксиды K2ThO3. В водных растворах ионы тория образуют гидроксильные ионы [Th(OH)3]+, [Th2(OH)2]6+, [Th4(OH)12]4+.

Получение.

Торийсодержащие минералы, такие как монацитовый песок, разлагаются серной кислотой, полученная паста нейтрализуется, а затем обрабатывается соляной кислотой. Разделение интересующих элементов основано на различной растворимости образующихся хлоридов. Иногда более тонкое отделение примесей возможно с помощью экстракции трибутилфосфатом. Металлический торий получают из ThCl4 путем восстановления Na, Ca или Mg при температуре 900-1000°C.

Соединения тория.

При нагревании тория в атмосфере водорода при 400-600°C образуется гидрид ThH2 Темно-серые кристаллы, которые быстро разлагаются при воздействии влаги воздуха, образуя диоксид углерода.

Диоксид серы образуется при сжигании металлов на воздухе, при прокаливании гидроксидов, а также некоторых солей — нитратов и карбонатов. Это соединение с чрезвычайно высокой температурой плавления — 3 350°C и температурой кипения 4 400°C; оно реагирует с карбонатами. 4 400°C; оно реагирует с оксидами металлов при 600-800°C с образованием двойных оксидов (сульфатов), таких как K2ThO3, BaThO3, ThTi2O6. Диоксид серы устойчив к кислотам и восстановителям.

Гидроксид тория(OH)4 получается при взаимодействии солей тория с растворами щелочей. Аморфное вещество; стабильно при 260-450°C, при температуре выше 470°C превращается в диоксид серы.

Монокарбиды ThC получаются при взаимодействии металлического тория со стехиометрическим углеродом и имеют температуру плавления 2625°С. Взаимодействие металлического тория с избытком углерода или восстановление ThO2 углеродом при 1500°С дает дибазовые соединения ThC2. Он имеет температуру плавления 2655°C и температуру кипения 5000°C и разлагается при контакте с водой. При 5000°C он разлагается водой и разбавленными кислотами с образованием углеводородов, а на воздухе окисляется до диоксида серы при 600-700°C.

Тетрагалогениды ThhHa14 (Hal = F, Cl, Br, I) получают при нагревании металлического тория или диоксида серы с соответствующими галогенидами или галогенированными углеводородами при 300-400°C. Тетрафторид серы имеет температуру плавления 1100°C, температуру кипения 1650°C, растворим в воде. 1650°C, растворим в воде и образует кристаллогидраты. Четыреххлористая сера имеет температуру плавления 770°C и температуру кипения 921°C. Она растворима в воде и образует кристаллогидраты. 921°C и растворима в воде, низших спиртах, эфирах, ацетоне и бензоле. Он образует гидраты с 2, 4, 7 и 12 молекулами воды.

Тетрабромид ThBr4 имеет температуру плавления 679°C и температуру кипения 857°C. Он образует гидраты при температуре 857°C, гидраты с 7, 8, 10 и 12 молекулами воды и образует сольваты с аммиаком и аминами. Тетрайодид таллия имеет точку плавления 566°C и точку кипения 837°C. Он очень легко растворяется при температуре 837°C, легко растворяется в воде, образует гидраты и разлагается при нагревании и на свету с образованием I2.

Интересные факты

• Хорошо известно, что когда непрофессионал извлекает большое количество тория из калиевой сетки газовой лампы (случай Дэвида Хана).

Соединения тория

Гидроксид тория(IV) (Th(OH)4) Нитрат тория(IV) (Th(NO3)4) Оксид тория(IV) (ThO2) Торий (IV) хлорид (Торий (IV) хлорид) Йодид тория (IV) (ThI4)

Периодическая система химических элементов Менделеева (Д. Менделеев)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 H Он 2 Ли Да B C N O F Неон 3 Натрий Магний S Кремний P S ǞǞǞǞǞ Аргон 4 K Карта ǞǞǞǞǞǞ Ti V Хром Mn Fe Mn N Cu Zn Ga Суд Ru сиденье ǞǞǞǞǞ Керр 5 Rb ǞǞǞǞǞǞ Y Zr Nb Mo Tc Лу Лунцзяо Pd Сельское хозяйство Cd В Змея Кто-л. Специальный I Xe 6 Cs B La Кукуруза ǞǞǞǞǞ Нд Pm Sniff Eu Pb Tb Краситель ho II Tm Yb Лу Hf Таобао W О сайте Oz История платина Амбер Hg Tl Pb BIS наклон в Rn 7 Фон тянуть ацетат Th поп U ǞǞǞǞǞ pu m Cm Bk Ср. ǞǞǞǞǞ Fm Мд Нет Lr Рф Db ǞǞǞǞǞǞ ǞǞǞǞǞǞ Сосьете Женераль ǞǞǞǞǞǞǞǞǞ Ds Rg Cn Nh поддержать Mak Lv Цыси Ogg 8 Юя Lv Убу Таобао Ашер таобао таобао бла космический аппарат

Электрохимическая активность металлов серии

Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu, Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H2. W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au

Как представлен в природе

Торий содержат магматические породы, пегматиты, редкие земли и другие минералы (12 наименований). Основными источниками вещества являются редкоземельные элементы и минерал монацит. Однако его не добывают отдельно, только вместе с другими элементами.

Вместе с ураном он является примесью в граните.

В одной тонне земной коры содержится 10,5 грамма тория, а в одном литре морской воды — 0,05 микрограмма.

Месторождения минералов тория есть на всех континентах.

Норвегия и Индия имеют богатые месторождения.

Ресурсы России сосредоточены за Уралом: в Омской, Томской, Новосибирской и Мурманской областях, Республике Тыва, Красноярском крае и Саха-Якутии.

Преимущества перед ураном

Торий считается заменителем урана.

Тяжелый, серебристо-белый, блестящий металл — уран.

Этот элемент имеет множество преимуществ.

1. Акций в три-четыре раза больше.
2. Процесс относительно безопасен. Реакторы, заправленные торием, не имеют избыточной реактивности. Аварии, подобные Чернобылю или Фукусиме, исключены.
3. Новые топливные секции загружаются каждые 10 лет (а не раз в полтора года, как в случае с ураном).

Нуклид — 232 не делятся. Однако после захвата нейтрона он превращается в уран-233 с делящимся ядром. т.е. в реакторе торий «превращается» в топливо, пригодное для производства электроэнергии. Реально настроить цикл так, чтобы он производил больше урана-233 на выходе, чем на входе.

США, Китай, Норвегия и Индия тесно вовлечены в этот процесс. Для России значение ториевой энергетики возрастает в связи с освоением Арктического региона.

Стоимость металла не превышает 100 долларов США за килограмм.

Где используется

С этим металлом легко работать: он мягкий, податливый и пластичный.

Несмотря на слабую радиоактивность, он нашел применение в качестве мирного атома и как составная часть продукции в других областях.

Атомная промышленность

Основное применение вещества — в ядерной области.

Изотоп тория -232 облучается в реакторе и в результате ряда реакций превращается в уран-233. он легче обычного урана-235 и плутония, но столь же эффективен.

Мировые запасы тория в три-четыре раза превышают «запасы» урана. Источник энергии на его основе решил бы проблему безопасного использования атома.

Другие сферы

Металлический торий приносит пользу другим отраслям промышленности.

• Металлургия. Это лигирующий агент, который улучшает параметры сплавов (повышает прочность на разрыв, жаропрочность). Оксид тория является элементом сопротивления печи. Емкости с оксидом тория используются при температуре 2550-3150°C.
• Конструкция самолета. Оксид тория является укрепляющим элементом в композитных материалах.
• Гидроэлектростанции. Оксид тория используется в компонентах и структурах, функционирующих в экстремальных условиях. Используется в футеровке камер сгорания и газовых силовых каналов.
• Синтез. Соединения, чистые вещества являются неотъемлемой частью катализатора.

Источники света оснащены веществами для катодов, оксидов: магнетронами, электронами, ксеноновыми дугами, генераторами.

1% оксида тория «закрепляет» структуру вольфрамовой нити лампы накаливания.

Ядерные реакции с торием

Во время ториевого цикла торий-232 захватывает нейтроны (это происходит в быстрых и тепловых реакторах), которые превращаются в торий-233. Обычно это приводит к испусканию электронов и антинейтронов во время распада и производству протактиния-233, который затем, во время второго распада и повторного испускания электронов и антинейтронов, производит уран-233, который используется в качестве топлива.

Отходы после продуктов деления

При ядерном делении образуются радиоактивные продукты распада, период полураспада которых может составлять от нескольких дней до более 200 000 лет. Согласно некоторым токсикологическим исследованиям, ториевый цикл позволяет полностью утилизировать актинидные отходы и выбрасывать только отходы продуктов деления. Отходы ториевых реакторов будут менее токсичными, чем урановая руда, которая может быть использована спустя столетия для производства обедненного уранового топлива для легководных реакторов аналогичной мощности.

Актинидные отходы

В реакторе при попадании нейтронов на расщепляющиеся атомы (например, некоторые изотопы урана) происходит ядерное разделение и захват нейтронов, а также трансмутация атомов. В случае с U-233 трансмутация приводит к производству пригодного для использования ядерного топлива, а также — трансурановых отходов. Когда нейтроны поглощаются U-233, могут происходить реакции деления или превращения в U-234. вероятность отделения или поглощения тепловых нейтронов составляет около 92%, и в случае U-233 отношение сечения захвата нейтронов к сечению деления составляет около 1:12. это выше, чем соответствующие отношения для U-235 (около 1:6), плутония-239 или плутония-241 (оба с отношением около 1:3). В результате получается меньше трансурановых отходов, чем в реакторах с обычным уран-плутониевым топливным циклом.

Уран-233, как и большинство актинидов с разными нейтронными числами, не подвергается делению, но при «захвате» нейтронов образуется делящийся изотоп U-235. Если делящиеся изотопы не вступают в реакцию или не захватывают нейтроны, то образуются уран-236, нептуний-237, плутоний-238 и, в конечном итоге, делящийся изотоп плутония-239 и более тяжелые изотопы плутония. Нептуний-237 можно удалить и хранить как отходы, или сохранить и преобразовать в плутоний, который является более делящимся, а остаток преобразовать в плутоний-242, затем в америций и кюрий. В свою очередь, они могут быть удалены в качестве отходов или возвращены в реактор для дальнейшей трансмутации и деления.

Однако протактиний-231, период полураспада которого составляет 32 700 лет, образуется в результате реакции с торием-232 и, хотя он не является трансурановыми отходами, является основной причиной образования долгоживущих радиоактивных отходов.

Заражение Ураном-232

Уран-232 также образуется в реакциях быстрых нейтронов с ураном-233, протактинием-233 и торием-232.

Уран-232 имеет относительно короткий период полураспада (68,9 лет), и некоторые из его продуктов распада испускают высокоэнергетические гамма-лучи, как и радон-224, висмут-212 и некоторые виды таллия-208.

Ториевый цикл производит жесткое гамма-излучение, которое повреждает электронику и ограничивает его использование в качестве детонатора ядерной бомбы. Уран-232 невозможно химически отделить от урана-233 в отработанном ядерном топливе. Однако химическое отделение тория от урана удаляет радиацию из продуктов распада и других частей цепи полураспада тория-228, что постепенно приводит к повторному накоплению тория-228. Загрязнение также можно было предотвратить, используя реакторы-пропеллеры на расплавленной соли для отделения протактиния-233 до его распада на уран-233. Жесткое гамма-излучение также представляет собой радиобиологическую опасность и требует наблюдения на расстоянии.

Ядерное топливо

В качестве ядерного топлива торий похож на уран-238, который составляет основную часть природного и обедненного урана. Поглощенное сечение ядра теплового нейтрона и резонансный интеграл (среднее значение сечений ядер нейтронов для средней энергии) тория-232 приблизительно равны 3, что составляет одну треть от сечения ядра урана-238.

Влияние на живые организмы

Торий с низкой токсичностью содержится в растениях, людях и животных.

Морская флора и фауна в нем очень богата.

Человек получает 3 микрограмма вещества в день с пищей и водой. Они выводятся из организма естественным путем.

Селезенка, печень, лимфатические узлы, костный мозг и надпочечники являются «аккумуляторами» этого вещества.

Воздействие вещества может оказать неблагоприятное воздействие на организм.

Ограничения

Этот элемент ничтожно радиоактивен, но может оказывать «кумулятивный» эффект после длительного облучения. Это представляет опасность для человека.

Поэтому, когда гранит используется в качестве строительного или декоративного материала, он подвергается испытаниям. Материалы из некоторых месторождений не могут быть использованы.

Торий: спасет ли он планету от энергетического кризиса?

Элемент, названный в честь одного из главных божеств Скандинавии, может спасти человечество от энергетического кризиса в ближайшем будущем.

В 1815 году известный шведский химик Йенс Якоб Берцелиус объявил об открытии нового элемента, который он назвал торием, в честь бога грома и сына Одина, верховного бога Скандинавии, Тора. Однако в 1825 году было обнаружено, что это открытие было ошибкой. Тем не менее, название пришлось как нельзя кстати — это был новый элемент, открытый Берцелиусом в 1828 году в норвежском минерале, который сегодня известен как ториевая руда. У этого элемента может быть большое будущее, и он может играть такую же важную роль в ядерной энергетике, как и уран, основное ядерное топливо.

Дальние родственники бомбы

Атомная энергетика, на которую сегодня возлагается столько надежд, была побочным продуктом военной программы, главной целью которой была разработка ядерного оружия (а позднее — реакторов для подводных лодок). В качестве ядерного материала для бомб возможны три варианта: уран 235, плутоний 239 или уран 233.

Три источника ядерной энергии

Уран-235 содержится в очень небольшом количестве в природном уране, всего 0,7% (остальные 99,3% — изотоп 238), и его необходимо выделить, что является дорогостоящим и сложным процессом. Плутоний-239 не встречается в природе и должен быть произведен путем облучения урана-238 в реакторе и последующего извлечения его из облученного урана. Таким же образом уран-233 может быть получен путем облучения тория-232 нейтронами.

Первые два метода были реализованы уже в 1940-х годах, но физики решили не утруждать себя третьим методом. На самом деле, при облучении тория-232 помимо полезного урана-233 образуется вредная примесь, уран-233 с периодом полураспада 74 года, а серия распадов приводит к таллию-208. Этот изотоп испускает высокоэнергетические (жесткие) гамма-лучи, для защиты от которых требуются толстые свинцовые пластины. Кроме того, жесткое гамма-излучение выводит из строя управляющие электронные схемы, без которых невозможно создание оружия.

Радиоактивные родословные

Все встречающиеся в природе радиоизотопы принадлежат к одному из трех семейств (радиоактивных рядов). Каждая такая серия представляет собой цепочку ядер, связанных последовательными радиоактивными распадами. Корнями радиоактивного ряда являются долгоживущие изотопы уран-238 (с периодом полураспада 4,47 млрд лет), уран-235 (704 млн лет) и торий-232 (14,1 млрд лет). Эти цепочки заканчиваются стабильным изотопом свинца. Существует также цепочка, начинающаяся с нептуния-237, но период его полураспада настолько мал, всего 2,14 миллиона лет, что он не существует в природе.

Ториевый цикл

Тем не менее, торий не был полностью забыт. Еще в 1940-х годах Энрико Ферми предложил производить плутоний в быстрых реакторах (более эффективных, чем тепловые реакторы), что привело к созданию реакторов EBR-1 и EBR-2. В этих реакторах U-235 или плутоний-239 является источником нейтронов для преобразования U-238 в плутоний-239. А плутония можно создать больше, чем «сжечь» (в 1,3-1,4 раза больше); поэтому такие реакторы называют «умножителями».

Идеальная экосисистема

В 1960-х годах существовали планы замкнуть ядерный цикл на уране и плутонии, используя примерно 50% тепловых реакторов и 50% быстрых реакторов. Однако разработка быстрых реакторов вызвала трудности, так что сегодня в эксплуатации находится только один такой реактор — БН-600 в Белоярске (также ведется строительство БН-800). Поэтому сбалансированная система может состоять из ториевого теплового реактора и около 10 процентов быстрых реакторов для восполнения дефицита топлива в тепловых реакторах.

Другая научная группа под руководством Юджина Вигнера разработала свой собственный проект реактора-размножителя, но с тепловыми нейтронами вместо быстрых нейтронов, используя торий-232 в качестве облучающего материала. Уровень воспроизводства был снижен, но конструкция была более безопасной. Однако возникла проблема. Ториевый топливный цикл выглядит следующим образом. После поглощения нейтронов торий-232 превращается в торий-233, который быстро преобразуется в протактиний-233 и спонтанно распадается до урана-233 с периодом полураспада 27 дней. И в течение этого месяца протактиний будет поглощать нейтроны и мешать процессу переработки. Чтобы решить эту проблему, желательно удалить протактиний из реактора, но как? В конце концов, постоянная загрузка и выгрузка топлива делает эффективность времени работы практически нулевой. Вигнер предложил весьма оригинальное решение — реактор, использующий жидкое топливо в виде водного раствора солей урана. Прототип такого реактора, эксперимент с гомогенным реактором (HRE-1), был построен в Ок-Риджской национальной лаборатории в 1952 году под руководством студента Вигнера Элвина Вайнберга. Вскоре появилась более интересная концепция, идеально подходящая для переработки тория: эксперимент с реактором на расплавленной соли. Топливо в виде фторида урана растворялось в расплаве лития, бериллия и фторида циркония. MSRE работал с 1965 по 1969 год, и хотя торий в нем не использовался, сама концепция оказалась вполне осуществимой: использование жидкого топлива повысило эффективность работы и позволило удалить вредные продукты распада из активной зоны.

Жидкосолевые реакторы намного гибче обычных тепловых электростанций в плане контроля топливного цикла, позволяя наиболее эффективно использовать топливо, удалять вредные продукты распада из активной зоны и добавлять новое топливо по мере необходимости.

Путь наименьшего сопротивления

Однако жидкосолевые реакторы (ЖСР) не завоевали популярности, поскольку традиционные тепловые реакторы на основе урана оказались дешевле. Мировая ядерная энергетика пошла по самому простому и дешевому пути, основываясь на проверенных реакторах с водой под давлением (PWR), потомстве реакторов, разработанных для подводных лодок, а также реакторов с кипящей водой. Реакторы с графитовым замедлителем, такие как РБМК, представляют собой другую ветвь дерева спектра — они являются потомками реакторов по производству плутония.» Станислав Субботин, руководитель отдела исследований стратегических систем Курчатовского института, объяснил «Популярной механике»: «Основным топливом для этих реакторов является U-235, но его запасы, хотя и значительные, все еще ограничены. Станислав Субботин. — Впервые эта проблема была рассмотрена еще в 1960-х годах, когда планировалось ввести в ядерный топливный цикл отработанный уран 238, которого почти в 200 раз больше. Для этого планировалось построить несколько быстрых реакторов для производства плутония с коэффициентом воспроизводства 1,3-1,4, чтобы излишки можно было использовать для питания тепловых реакторов. быстрый реактор БН-600 был запущен в Белоярске — правда, не в режиме воспроизводства. Недавно там был построен еще один БН-800. но для создания эффективной экосистемы ядерной энергетики этих реакторов необходимо около 50%.

Могучий торий

Вот для чего нужен торий». Станислав Субботин говорит: «Торий часто называют заменителем U-235, но это совершенно неверно. — Сам торий, как и уран-238, не является ядерным топливом. Однако, поместив его в нейтронное поле самого обычного водо-водяного реактора, можно получить отличное топливо — U-233, которое затем можно использовать в том же реакторе. Другими словами, нет необходимости в модификациях и серьезных изменениях существующей инфраструктуры. Еще одним преимуществом тория является его распространенность в природе: его запасы как минимум в три раза превышают запасы урана. Кроме того, нет необходимости в изотопном разделении, поскольку в процессе попутной добычи вместе с редкоземельными элементами обнаруживается только торий-232. Аналогичным образом, при добыче урана для загрязнения окружающей территории используется относительно долгоживущий (период полураспада 3,8 дня) радон-222 (радон-220 из ториевого ряда является короткоживущим, 55 секунд, и не успевает рассеяться). Кроме того, торий обладает отличными термодинамическими свойствами: он тугоплавкий, не растрескивается и выделяет меньше радиоактивного газа при повреждении оболочки топлива. Производство U-233 из тория в тепловом реакторе примерно в три раза эффективнее, чем производство плутония из U-235, поэтому наличие хотя бы половины таких реакторов в экосистеме ядерной энергетики позволит замкнуть цикл урана и плутония. Конечно, все равно потребуются быстрые реакторы, поскольку ториевые реакторы имеют коэффициент воспроизводства менее одного».

Так выглядит ториевый ядерный цикл, иллюстрирующий превращение тория в эффективное ядерное топливо — уран233.

Однако у тория есть довольно серьезный недостаток. Когда торий облучается нейтронами, уран-233 загрязняется ураном-232, который претерпевает серию распадов, приводящих к изотопу таллия-208 с жестким гамма-излучением, — объясняет Станислав Субботин, — что очень затрудняет переработку топлива. — Но с другой стороны, это облегчает поиск этого материала и снижает риск кражи. Более того, в замкнутом ядерном цикле и при автоматизированной переработке топлива это не имеет большого значения.»

Плюсы и минусы

+ В несколько раз больше тория, чем урана на Земле

+ Нет необходимости в разделении изотопов

+ Гораздо меньше радиоактивного загрязнения от ториевых шахт (из-за более короткоживущего газа радона)

+ Можно использовать существующие тепловые реакторы

+ Торий обладает лучшими термодинамическими свойствами, чем уран

+ Торий менее токсичен, чем уран

+ Торий не производит минорные актиниды (долгоживущие радиоизотопы)

— При облучении торий выделяет изотопы гамма-излучения, что затрудняет переработку топлива.

Термоядерное зажигание

Россия и другие страны — Норвегия, Китай, Индия, США — проводят эксперименты с ториевыми топливными стержнями в тепловых реакторах.» Станислав Субботин говорит: «Сейчас самое время вернуться к идее жидкосолевых реакторов. — Химия фторидов и фторидных расплавов хорошо изучена в связи с производством алюминия. Для тория реакторы на расплавленной соли намного эффективнее обычных водо-водяных реакторов, поскольку они позволяют гибко загружать и удалять продукты распада из активной зоны реактора. Кроме того, их можно использовать для реализации гибридных подходов, используя в качестве источника нейтронов не ядерное топливо, а термоядерные установки, такие как токамаки. Кроме того, проточные солевые реакторы могут решить проблему минорных актинидов — долгоживущих изотопов америция, кюрия и нептуния (образующихся в облученном топливе) — путем их «дожигания» в реакторе-мусорщике. Таким образом, в ближайшие десятилетия мы не сможем обойтись без тория в ядерной энергетике.

Сколько стоит новое топливо

Производители консервативны. И их консерватизм оправдан. Философия производственного рабочего ясна: я наладил производство, я работаю, я отвечаю за план, за производство, за людей, которые работают. Любая инновация представляет для меня риск. Риск чего-то нового, что нужно протестировать, но всегда есть вероятность сбоев, накладок и т.д. Нужна ли она мне? Я бы предпочел жить в мире. Так что конфликт интересов был, есть и будет всегда: развитие, продвижение вперед и производство консервативных взглядов. Другое дело, что мы должны преодолеть его достаточно хорошо.

Сегодня существуют различные виды уранового топлива: нитриды, керамика, топливо с добавлением редких земель. Существует очень много вариантов. И делается ли это без каких-либо затрат, без каких-либо денег? Абсолютно нет. Чтобы получить новое топливо на основе тория, мы должны разработать технологию производства этих материалов. И прежде чем говорить, что ториевая энергия намного дороже урановой, нужно сделать одну простую вещь — провести сравнительный экономический анализ. Например, если расплавленный фторид тория будет использоваться в качестве топлива для реактора, мне не кажется, что получение фторида тория будет очень дорогим. Если мы получим сферическое топливо, это будет второй вариант; керамика — третий вариант. Причем речь идет, прежде всего, о сырье, которым является монацит, а цена будет определяться с учетом комплексного использования. Другими словами, извлечение всех редких земель, урана и циркония из монацита серьезно снизит стоимость производства топлива на основе тория.

Первый в мире проект ядерного реактора на основе тория, разработанный Исследовательским центром ядерной энергии Баба в Мумбаи, Индия, использует ториевые топливные элементы для коммерческого производства электроэнергии.

Некоторые факты о реакторах на быстрых нейтронах. Технология, реактор, конструкция использования быстрых нейтронов для воспламенения природных материалов не важны — все равно останутся отходы того или иного вида. И эти отходы должны быть переработаны. Если говорить о чистоте метода и концепции, то такого замкнутого круга нет и быть не может. Но в ториевой энергетической программе будет меньше активных отходов, подлежащих переработке.

Я считаю, что в любом случае мы постепенно перейдем на ториевую энергию, тем более что последние исследования и расчеты физиков Томского политехнического университета, основные теоретические расчеты показывают, что легководные реакторные установки также могут перейти на ториевую энергию. То есть не немедленная революция, а постепенный частичный переход для замены активных зон существующих легководных реакторов с уранового топлива на ториевое.

Центр Баба по исследованию ядерной энергии (Индия).

Прежде чем ставить штамп о том, что это плохо, а это хорошо, нужно серьезно отнестись к реальному положению вещей. Допустим, несколько топливных стержней изготовлены и запущены на испытательном стенде. Возьмем, к примеру, все свойства ядерной физики. Необходимо провести много исследований, и они должны быть долгосрочными. Чем больше вы откладываете и говорите, что это трудно и сложно, тем дальше вы отстаете в развитии. Мы должны все делать своевременно. В свое время этим занимался Средмаш, получал металлический торий на наших предприятиях, и эти технологии были. Нужно поднять старые опыты, старые отчеты, которые наверняка хранятся в архивах, и эксперты их найдут. Необходимо продолжать всю эту работу, учитывая проделанную работу и новые возможности.

Некоторые месторождения тория в России:

— Туганское и Георгиевское (Томская область)

— Ординск (Новосибирская область)

— Ловозеро и Хибины (Мурманская область)

— Улуг-Танзекское (Республика Тыва)

— Кийское (Красноярский край)

— Тарское (Омская область)

— Томск (Якутия)

Плюсы использования тория:

+ Экономическая эффективность. Для производства одинакового количества энергии требуется примерно в два раза меньше тория, чем урана.

+ Безопасность. Ядерные реакторы на ториевом топливе более безопасны, чем реакторы на урановом топливе, поскольку в ториевых реакторах нет запаса реактивности. Поэтому любое повреждение оборудования реактора не вызовет неконтролируемой цепной реакции.

+ Удобство. Реакторы на основе тория могут быть построены без перезагрузки топлива.

Три недостатка использования тория:

— Торий — это рассеянный элемент, не образующий собственных руд и месторождений, и его добыча обходится дороже, чем урана.

— Вскрыша монацита (минерала, содержащего торий) — гораздо более сложный процесс, чем вскрыша большинства урановых руд.

— Нет установленной технологии.

Это парадокс — сегодня в России нет ни одного вуза, который готовил бы специалистов в области химической инженерии. А при полном отсутствии экспертов, как будет спроектировано оборудование? Старики уйдут. Теперь возьмите образец во ВНИИХТ, и никто не сможет его разрезать. Если я не прав, напишите, что Валерий Константинович не прав. Это было бы правильно и достойно. Мы отчитываемся здесь, и здесь же проходит обучение в университете. Я буду только рад, что я ошибаюсь, искренне. Я говорю это на основании личного опыта. Недавно я был на Урале и встречался с людьми, которые работают в этой отрасли, и вот их слова. Они сказали мне: «Через пять лет ты можешь забыть, что в России существует такая отрасль, как химическое машиностроение». Эти люди имеют опыт проектирования и создания приборов для химической инженерии: специальных сушилок, специальных печей, установок для разложения химических веществ. Это особая отрасль техники, которая подразумевает работу с кислотами в термических условиях и на аппаратах под давлением.

Производители ядерного топлива: рейтинг

1. Французская компания Areva до недавнего времени занимала 31% мирового рынка топливных сборок. Компания производит ядерное топливо и собирает компоненты для атомных электростанций. В 2017 году компания Areva пережила качественное обновление: в компанию пришли новые инвесторы, а огромные убытки 2015 года сократились в три раза.
2. Westinghouse является американским подразделением японской компании Toshiba. Она активно осваивает рынок Восточной Европы, поставляя тепловыделяющие сборки на украинские атомные электростанции. Вместе с Toshiba она обеспечивает 26% мирового рынка производства ядерного топлива.
3. ТВЭЛ, топливная компания национальной компании «Росатом» (Россия), занимает третье место. ТВЭЛ обеспечивает 17% мирового рынка и имеет десятилетний портфель контрактов на сумму 30 млрд долларов США, поставляя топливо для более чем 70 реакторов. ТВЭЛ разрабатывает топливные сборки для реакторов ВВЭР, а также вышла на рынок ядерных установок западного дизайна.
4. Согласно последним данным, Japan Nuclear Fuel Ltd. занимает 16% мирового рынка и поставляет топливные сборки для большинства собственных ядерных реакторов Японии.
5. Mitsubishi Heavy Industries — японский гигант, который производит турбины, танкеры, кондиционеры и, с недавних пор, ядерное топливо для реакторов западного дизайна. Mitsubishi Heavy Industries (подразделение материнской компании) строит ядерный реактор APWR и сотрудничает с Areva в области исследований. Именно эта компания была выбрана японским правительством для разработки новых реакторов.