Что такое торий

1 грамм на 28 000 литров бензина . Таково соотношения расхода топлива в автомобильных двигателях, если заменить привычное горючее торием.

Речь о 232-ом изотопе металла . У него самый длинный период полураспада. 8 граммов тория хватит, чтобы двигатель беспрерывно работал в течение 100 лет.

Запасов нового топлива в 3 раза больше, чем урана в земной коре. Специалисты Laser Power Systems уже приступили к разработке нового двигателя.

Компания американская. Работа двигателя будет напоминать цикл стандартной электростанции. Загвоздкой стала разработка подходящего лазера.

Его задача – нагревать воду, пар которой запускает мини-турбины. Пока ученые отрабатывают процесс, узнаем побольше о топливе 21-го века, а в перспективе и всего тысячелетия.

Что такое торий?

Металл торий относится к актиноидам. В это семейство входят радиоактивные элементы . Все они располагаются в 3-ей группе 7-го периода таблицы Менделеева .

Номера актиноидов – от 90-го до 103-го. Торий стоит первым. Его и открыли первым, одновременно с ураном.

Торий — будущее дешевой, чистой энергии?

В чистом виде героя статьи выделил в 1882-ом году Ларс Нильсон. Радиоактивность элемента обнаружили не сразу.

Поэтому, торий долго не вызывал интереса общественности. Распад тория доказан лишь в 1907-ом году.

С 1907-го года изотопы тория открывались один за другим. К 2017-му насчитывается 30 модификаций металла. 9 из них получены искусственно .

Наиболее устойчива 232-я. Полураспад тория в таком виде длится 1,4*10 10 лет. Именно поэтому 232-ой изотоп повсеместно распространен, в земной коре занимает долю 8*10 -4 %.

Остальные изотопы хранятся несколько лет, а посему не представляют практического интереса и редко встречаются в природе. Правда 229-ый торий распадается за 7 340 лет. Но, этот изотоп «выведен» искусственно.

Полностью устойчивых изотопов у тория нет. В чистом виде элемент выглядит как серебристо — белый , пластичный металл .

Именно он делает столь мягким минерал торит. Камень легко режется ножом . Минерал изучал Йенс Берценлиус.

Шведский химик смог вычислить в составе камня неизвестный металл , но не смог выделить его, отдав лавры Нильсону.

Свойства тория

Торий – элемент, удельная радиоактивность которого равна 0,109 микрокюри на грамм. У 238-го урана, к примеру, показатель почти в 3 раза больше.

Соответственно, торий слаборадиоактивен. Несколько изотопов тория, кстати, являются следствием распада урана. Речь о 230-ом, 231-ом, 234-ом и 235-ом модификациях 90-го элемента.

Торий — МЕТАЛЛ, КОТОРЫЙ НЕКУДА ДЕВАТЬ!

Распад героя статьи сопровождается выделением радона. Этот газ, так же, именуют тороном. Однако, второе название не общеупотребительное.

Радон опасен при вдыхании. Однако, микродозы газа содержатся в минеральных водах и влияют на организм благостно.

Принципиален именно путь попадания торона в организм. Выпить можно, впитать кожей – да, но не вдыхать.

В плане кристаллической решетки радиоактивный торий предстает всего в двух ипостасях. До 1 400-от градусов строение металла гранецентрическое.

Оно основано на объемных кубах, состоящих из 14-ти атомов. Часть из них стоят в углах фигуры. Остальные атомы располагаются посередине каждого ребра .

При нагреве свыше 1 400-от градусов Цельсия кристаллическая решетка тория становится объемноцентрированной.

«Упаковка» таких кубов менее плотная. И без того мягковатый торий становится еще более рыхлым.

Торий – химический элемент, отнесенный к парамагнетикам. Соответственно, магнитная проницаемость металла минимальна, близка к единице.

Отличают вещества группы, так же, способность намагничиваться в направлении внешнего поля.

Мольная теплоемкость тория составляет 27,3 килоджоулей. Показатель указывает на тепловую вместимость одного моля вещества, отсюда и название.

Продолжать список сложно, поскольку основная масса свойств 90-го металла зависит от степени его загрязнения.

Так, предел прочности элемента варьируется от 150-ти до 290-та меганьютонов на квадратный метр.

Нестабильна и твердость тория. По Бринеллю металлу дают от 450-ти до 700-от килограмм-силы.

Стоя в начале своей группы, торий перенял часть свойств от предшествующих ей элементов. Так, для героя статьи характерна 4-я степень окисления.

Чтобы торий быстро окислился на воздухе, нужно довести температуру до 400-от градусов. Металл моментально покроется пленкой оксида.

Дуэт тория с кислородом, кстати, самый тугоплавкий из земных оксидов, размягчается лишь при 3 200-от градуса Цельсия.

При этом, соединение еще и химически устойчиво. Чистый же металл вступает в реакцию с фтором .

Любой радиоактивный изотоп тория взаимодействует с ним даже при комнатной температуре.

Остальные реакции с героем статьи проходят при повышенных температурах. При 200-от градусах идет реакция с водородом .

Образуются гидриды порошкообразной формы. Нитриды получаются, если торий нагреть в атмосфере азота .

Потребуется температура в 800-от градусов Цельсия. Но, для начала нужно добыть реактив. Узнаем, как это делают.

Добыча и месторождения тория

350 000 000 долларов. Примерно такую сумму ежегодно выделяют в Китае на развитие ториевой энергетики. В стране масса месторождений 232-го изотопа.

Это настораживает Россию , которая рискует потерять лидерство на топливном рынке , если основным энергоресурсом в мире станет 90-ый элемент.

Запасы в отечестве есть. Миллионы тонн металла, к примеру, расположились под Новокузнецком.

Однако, нужно отстоять приоритетное право на применение ториевых технологий , а за них в мире ведется борьба. Все понимают, за чем будущее.

Обычно, торий находят в виде черного , блестящего песка. Это минерал монацит. Пляжи из него часто входят в курортные зоны.

На побережье Азовского моря, к примеру, стоит задуматься не только о солнечной радиации, но и той, что исходит от земли. Жильный торий встречается только в ЮАР. Рудные залежи там зовутся Стинкасмкрааль.

Если добывать торий из руд, то проще получать элемент попутно с ураном . Осталось выяснить, где торий может пригодиться, не считая автомобильных двигателей будущего.

Применение тория

Поскольку ядро тория неустойчиво, естественно применение элемента в атомной энергетике. Для ее нужд закупают карбид , фторид и оксид тория.

Помните температуру, которую выдерживает окись 90-го металла? Только такое соединение и сдюжит в жидкосолевых реакторах.

Окись тория пригождается и в авиационной промышленности. Там 90-ый металл служит упрочнителем. Служба торию находится и в организме человека .

Ежедневно с пищей поступает около 3 миллиграммов радиоактивного элемента. Он участвует в регулировке процессов нервной системы, усваивается, в основном, печенью.

Закупают торий, так же, металлурги, но не для еды. Чистый металл используют в качестве лигатуры , то есть добавки, улучшающей качество сплавов , в частности, магниевых. С лигатурой они становятся жаропрочными и лучше сопротивляются разрыву.

Напоследок дополним информацию о новом автомобильном двигателе. Торий в нем – не ядерное топливо, а лишь сырье для него.

Сам по себе 90-ый элемент не способен давать энергию. Все меняют нейтронная среда и водный реактор.

С ними торий преобразуется в 233-ий уран. Вот он – эффективное топливо. Почем платят за сырье для него? Попробуем узнать.

Цена тория

Цена тория разнится на чистый металл и его соединения. Это общая фраза из интернета . Из частностей — лишь ценник за кило оксида тория примерно в 7 500 рублей .

На этом открытые запросы заканчиваются. Продавцы просят уточнять стоимость, поскольку реализуют радиоактивный элемент.

Предложений чистого тория в интернете нет, как нет и данных о цене за грамм металла. Меж тем, заинтересованным новым видом автомобильного топлива вопрос не дает покоя, как не дает покоя и то, не подскочат ли запросы за 90-ый элемент в случае его повсеместного использования.

Изначально, ради вытеснения с рынка бензиновых двигателей, торий сделают максимально выгодным. Но, что будет потом, когда возврат к былому будет уже маловероятен?

Вопросов много. Конкретики мало, впрочем, как и во всем новом, неизведанном, кажущемся на первых парах авантюрой.

Хотя, первые варианты ториевого двигателя уже готовы. Весят они около 200-от килограммов. Такой аппарат легко поместить под капот автомобиля средних размеров.

Источник: tvoi-uvelirr.ru

Торий

Торий — химический элемент, принадлежащий к актиноидам; тяжёлый слаборадиоактивный металл.

История

Впервые торий выделен Йёнсом Берцелиусом в 1828 году из минерала, позже получившего название торит (содержит силикат тория). Первооткрыватель назвал элемент по имени бога грома из скандинавской мифологии — Тора.

Нахождение в природе

Месторождения

Торий содержится в основном в 12 минералах.

Месторождения этих минералов известны в Австралии, Индии, Норвегии, США, Канаде, ЮАР, Бразилии, Пакистане, Малайзии, Шри-Ланке, Киргизии и других странах.

Добыча

При получении тория торийсодержащие монацитовые концентраты подвергают вскрытию при помощи кислот или щелочей. Редкоземельные элементы извлекают экстракцией с трибутилфосфатом и сорбцией. Далее торий из смеси соединений металлов выделяют в виде диоксида, тетрахлорида или тетрафторида.

Металлический торий затем выделяют из галогенидов или оксида методом металлотермии (кальций-, магний- или натрийтермии) при 900—1000 °С:

электролизом ThF4 или KThF5 в расплаве KF при 800 °С на графитовом аноде.

Цена тория уменьшилась до 73,37 $/кг (2009), по сравнению с 96,55 $/кг (2008).

Химические свойства

Торий относится к семейству актинидов. Тем не менее специфическая конфигурация электронных оболочек делает его близким Ti, Zr, Hf по некоторым свойствам.

Торий способен проявлять степени окисления +4, +3 и +2. Наиболее устойчива +4. Степени окисления +3 и +2 торий проявляет в галогенидах с Вr и I, полученных действием сильных восстановителей в твердой фазе. Ион Th 4+ отличается сильной склонностью к гидролизу и образованию комплексных соединений.

Торий плохо растворяется в основны́х кислотах. Он растворим в концентрированных растворах НСl (6-12 моль/л) и HNO3 (8-16 моль/л) в присутствии иона фтора. Легко растворим в царской водке. Не реагирует с едкими щелочами.

При нагреве взаимодействует с водородом, галогенами, серой, азотом, кремнием, алюминием и рядом других элементов. Например, в атмосфере водорода при 400—600°С образует гидрид ThH2.

Физические свойства

Торий — серебристо-белый блестящий, мягкий, ковкий металл. Металл пирофорен, потому порошок тория рекомендуют хранить в керосине. На воздухе чистый металл медленно тускнеет и темнеет, при нагревании воспламеняется и горит ярко белым пламенем с образованием диоксида. Относительно медленно корродирует в холодной воде, в горячей воде скорость коррозии тория и сплавов на его основе очень высока.

До 1400°С торий имеет кубическую гранецентрированную решетку, выше этой температуры устойчива кубическая объемно-центрированная. При температуре 1,4°К торий проявляет сверхпроводящие свойства.

Температура плавления 1750°С; температура кипения 4788°С. Энтальпия плавления 19,2, испарения 513,7 кДж/моль. Работа выхода электронов 3,51 эВ. Энергии ионизации M → M+ , M+ → M2+, M2+ → M3+, M3+ → M4+ составляют 587, 1110, 1978 и 2780 кДж/моль соответственно.

Изотопы

Основная статья: Изотопы тория

На 2012 г. известны 30 изотопов тория и ещё 3 возбуждённых метастабильных состояния некоторых его нуклидов.

Только один из нуклидов тория (торий-232) обладает достаточно большим периодом полураспада по отношению к возрасту Земли, поэтому практически весь природный торий состоит только из этого нуклида. Некоторые из его изотопов могут определяться в природных образцах в следовых количествах, так как входят в радиоактивные ряды радия, актиния и тория и имеют исторические, ныне устаревшие названия:

• радиоактиний 227 Th
• радиоторий 228 Th
• ионий 230 Th
• уран Y 231 Th
• уран X1 234 Th

Наиболее стабильными изотопами являются 232 Th (период полураспада составляет 14,05 миллиардов лет), 230 Th (75 380 лет), 229 Th (7340 лет), 228 Th (1,9116 года). Остальные изотопы имеют периоды полураспада менее 30 дней (большинство из них имеют периоды полураспада менее 10 минут).

Применение

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.

Очищенный торий

Торий-232 — чётно-чётный изотоп (чётное число протонов и нейтронов), поэтому не способен делиться тепловыми нейтронами и быть ядерным горючим. Но при захвате теплового нейтрона 232 Th превращается в 233 U по схеме:

232 Th → 1n 233 Th → β− 233 Pa → β− 233 U

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, LFTR). 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 оксида 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.

Оксид тория(IV) в 30-40-е годы XX века использовался в медицине в составе рентгеноконтрастного препарата «Торотраст», затем его использование было прекращено из-за значительной канцерогенности. Также, оксид тория в середине XX века применялся для изготовления ториевого стекла для линз некоторых оптических приборов и объективов фотоаппаратов (Canon Lens, Asahi Opt. Co. Japan, Yashica, Ernst Leitz, Olympus, Fuiji Photo Film Co., Tokyo Kogaku).

Биологическая роль

Торий постоянно присутствует в тканях растений и животных. Коэффициент накопления тория (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 его концентрация колеблется от 3⋅10 −7 до 1⋅10 −5 %, в морских животных от 3⋅10 −7 до 3⋅10 −6 %. Торий поглощается главным образом печенью и селезёнкой, а также костным мозгом, лимфатическими узлами и надпочечниками; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека среднесуточное поступление тория с продуктами питания и водой составляет 3 мкг; выводится из организма с мочой и калом (0,1 и 2,9 мкг соответственно). Торий малотоксичен, однако как природный радиоактивный элемент вносит свой вклад в естественный фон облучения организмов.

Интересные факты

• Известен случай, когда значительные количества тория были добыты неспециалистом из калильных сеток в газовых светильниках (случай с Дэвидом Ханом).

Соединения тория

• Гидроксид тория (IV) (Th(OH)4)
• Нитрат тория (IV) (Th(NO3)4)
• Оксид тория (IV) (ThO2)
• Хлорид тория (IV) (ThCl4)
• Йодид тория (IV) (ThI4)

Источник: chem.ru

Торий в ядерной энергетике: плюсы, минусы, подводные камни

В мире людей, далеких от атомной энергетики существует почти конспирологическая идея о том, что ТОРИЙ — это то, что злобные атомные буратины скрывают от пушистых потребителей электричества. Дешевый, безопасный и не оставляющий радиоактивных отходов — он мог бы привести атомную энергетику на вершины могущества, но по каким-то причинам не привел.

Загрузка ториевой ТВС в норвежский исследовательский реактор Halden.

Сегодняшний парк промышленных ядерных реакторов, целиком и полностью использует урановое топливо, а конкретно изотоп U235. Произошло это по простой причине — это единственный природный изотоп, который способен поддерживать цепную реакцию распада. Остальные природные тяжелые элементы, например U238 и Th232 (тот самый торий) цепную ядерную реакцию не поддерживают. Есть еще несколько искусственно получаемых которые способны работать в реакторе — например всем известный Pu239 или U233 — получаемые путем трансмутации тех самых U238, Th232.

Тяжеловодные реакторы — один из трех главных дизайнов (наряду с газоохлаждаемыми и жидкосолевыми), в которых может быть применен ториевый цикл.

• 1. В земной коре тория в несколько раз больше, чем урана. Это плюс торию.
• 2. У тория нет проблем с минорными актиноидами, топливо на основе ториевого цикла становится не радиоактивным уже через несколько сот лет против сотен тысяч у уранового цикла. Это его главный плюс, об этом ниже.
• 3. Однако торий надо добыть, в то время как 3,5 млн тонн урана уже лежат на складах
• 4. При трансмутации Th232->U233 образуется промежуточный Pa233, который довольно долго распадается и является нейтронным ядом. Это огромный минус, о нем мы поговорим ниже.
• 5. Побочный изотоп U232, который будет нарабатываться в топливе с торием дает при распаде цепочку жестких гамма-излучателей, которые резко осложняют переработку ОЯТ.

Понятно, что с таким гандикапом (пункт 3) и отсутствием ЗЯТЦ у тория не очень-то много шансов на реализацию, как минимум на сегодня. Да и в остальном у тория нет каких-то недостатков или преимуществ. Часто ему приписывают, например, что он не имеет проблем распространения ядерно-оружейных технологий. Это не так. Да, тут нет плутония, но есть U233, из которого отлично получаются ядерные бомбы.

Превращение материалов в топливе современного реактора: 3,5% U235 распадается в продукты деления, паралельно из U238 нарабатывается 3% Pu, 2% из которых тоже распадается, давая тепло и нейтроны.

Теперь давайте поговорим о пунктах 2 и 4 поподробнее, т.к. они являются определяющими для будущего тория.

Итак, что за проблема минорных актиноидов? При работе ядерного реактора на обычном, человеческом топливе из 3-5% U235 и 95-97% U238 при поглощении нейтронами образуются разнообразные неприятные вещества — минорные актиноиды. К ним относят нептуний Np-237, изотопы америция Am-241, -243, кюрия Cm-242, -244, -245. Все они радиоактивны, и довольно неприятно — мощные гамма излучатели.

Однако в свежем ОЯТ их будет совсем немного — несколько килограмм на тонну, против десятков килограмм продуктов деления (типа знаменитого Cs-137), которые еще более активны. В чем же проблема?

Превращения изотопов в урановом топливе в реакторе.

Проблема в периоде полураспада. Самый длинный период полураспада продуктов деления как раз у Cs-137 — и он составляет ~30 лет. За 300 лет его активность уменьшится в 1000 раз, а за 900 — в миллиард. Это значит, что за исторически обозримое время можно перестать беспокоиться о коррозии ОЯТ и охранять его от нехороших любителей радиоактивности.

Оценки для ядерной энергетики: мощности в ГВт Pel, исторической выработки энергии в ГВт*годах Qel, массы ОЯТ в тоннах, массы плутония в этом ОЯТ MPu в тонных, и остальных изотопах в килограммах

А вот для минорных актиноидов периоды полураспада составляют тысячи лет. Это значит, что сроки хранения удлиняются с сотен лет до десятков тысяч. Такое время уже довольно сложно представить, зато можно представить, что при интенсивной работе атомной энергетики через несколько тысяч лет ОЯТом будет заставлена довольно большая территория, а самой популярной профессией будет “охранник хранилища ОЯТ”.

А шведы уже захоранивают ядерное топливо навсегда по такой схеме в хранилище Forsmark.

Ситуация меняется, если вместо цикла с однократным использованием топлива (который существует сейчас) мы переходим к замкнутому циклу — нарабатывая из U238 или Th232 ядерное топливо и сжигая его в реакторе. С одной стороны объем ОЯТ по понятным причинам резко уменьшается, а вот с другой — количество минорных актиноидов будет расти и расти. Проблема уничтожения (путем трансмутации и расщепления) минорных актиноидов в ядерных реакторов с 70х является одной из существенных на пути к разворачиванию ЗЯТЦ.

И вот тут Th232 на коне. В его ЯТЦ не будут образовываться МА, а значит нет и проблем с хранением ОЯТ “вечно”, и проблем с обращением с этими очень сложными и неприятными субстанциями в ходе переработки уранового ОЯТ. Таким образом торий получает важное преимущество — ЗЯТЦ на нем чем-то может быть проще.

Жидкосолевой реактор — вечный спутник идеи ториевой энергетики.

FLiBe с примесью фторида U233 в твердом и жидком виде имеет правильный для ядерного реактора цвет.

Такой реактор управляется с помощью контроля утечки нейтронов из активной зоны, и фактически не имеет никаких исполнительных механизмов внутри АЗ, а главное — постоянно очищается радиохимическим способом от Pa233 и продуктов распада U233. Идея ЖСР — святой грааль ядерной инженерии, но одновременно кошмар материаловедов — в этом расплаве быстро образуется вся таблица менделеева в буквальном смысле, и сделать материал, который будет удерживать такую смесь без коррозии в условиях высокой температуры и радиации пока не получается.

Разрез индийского AHWR — единственного в мире промышленного реактора, планируемого к работе на Th/U233 и Th/Pu239 MOX.

Таким образом можно резюмировать: пока у атомной индустрии нет ни особых потребностей, ни возможностей по строительству ториевой энергетики. Экономически это выглядит так — торий не интересен, пока стоимость килограмма урана не превысит 300$, как это сформулировано в выводах отчета МАГАТЭ по ториевому циклу. Даже индусы, в условиях ограничения поставок урана (и отсутствия его ресурсов внутри страны) сделавшие в 80х ставку на ториевый ЗЯТЦ сегодня постепенно сворачивают усилия по его запуску. Ну а у нашей страны есть только интересно наследие из эпохи, когда плюсы и минусы тория были непонятны — склады с 80 тысячами тонн монацитового песка (ториевой руды) в Красноуфимске, но нет больших экономически оправданных месторождений тория и планов по его освоению для ядерной энергетики.

• торий
• ядерная энергетика

• Научно-популярное
• Физика

Источник: habr.com