В наши дни у ядерной энергетики плохая репутация. Хотя она может обеспечить нас энергией с нейтральным выбросом углерода, токсичные побочные продукты и потенциальный риск, который представляет каждый реактор, не столь экологичны. У нас уже хранится 250 000 тонн ядерных отходов , которые останутся смертельно радиоактивными еще 10 000 лет. А катастрофы в Чернобыле и Фукусиме являются ярким напоминанием о тех разрушениях, когда что-то идёт не так.
Это заставило многих обратиться к ядерному синтезу как более чистой альтернативе. Однако воспроизвести солнечные процессы на Земле довольно сложно, поэтому до появления жизнеспособной технологии термоядерного реактора, вероятно, будут десятилетия или даже столетия. Так стоит ли отказываться от ядерной энергии? Возможно, нет, поскольку у урана есть более чистый и безопасный родственник — торий.
Излучение Черенкова создает голубое свечение в работающем ядерном реакторе — WikiCC
Торий находится напротив урана в периодической таблице, поэтому он обладает многими уникальными особенностями урана, за исключением некоторых недостатков.
Почему до сих пор нет ториевой энергетики (Взрослый ответ на детский вопрос)
Уран
Если бы я дал вам кусок урановой руды, используемой в сегодняшних ядерных реакторах, вы бы скоро умерли от радиации. Если кусок был достаточно большим и включал несколько нейтронных отражателей, он мог бы даже стать критическим, убив вас внезапным всплеском излучения. Но что это значит?
Уран-235 (U235) — это изотоп урана, который мы хотим использовать в наших реакторах. Он составляет около 4% урановой руды. Остальное — уран-238 (U238). Разделить их достаточно сложно
Реакция деления U235 — WikiCC
U235 радиоактивен с достаточно длинным периодом полураспада — 700 миллионов лет, но основная его радиация исходит не от этого. В нем содержатся бесчисленные нейтроны, которые создают часть радиационного фона. Обычно это не проблема, но U235 также может поглотить один из этих нейтронов. Это заставляет его превращаться в уран 236 (U236), который очень нестабилен. Он расщепляется на криптон 92 (Kr92), барий 141 (Ba141) и три нейтрона.
Криптон и барий радиоактивны и распадаются на другие побочные продукты, но три свободных нейтрона делают нечто необычное. Если вокруг достаточно U235 или вокруг руды есть отражатели нейтронов, эти свободные нейтроны поглощаются большим количеством U235, вызывая их распад. Таким образом, вы можете перейти от деления U235 к трем, что, в свою очередь, приведет к делению еще девяти и так далее по экспоненте.
Цепная ядерная реакция — WikiCC
Этот каскад высвобождает огромное количество энергии. Связи, удерживающие уран-235 вместе, разрываются, высвобождая энергию, которая удерживала атом вместе. Это цепная ядерная реакция, также известная как деление ядер.
Если движение нейтронов находится под контролем, вы можете иметь медленную и устойчивую реакцию, которая питает наши атомные электростанции. Но, если оставить реакцию без присмотра, она может выпустить смертоносное количество радиации, став критической .
Торий — МЕТАЛЛ, КОТОРЫЙ НЕКУДА ДЕВАТЬ!
«Ядро демона», сферическая руда урана. В 1945 году случайно стала критической, когда ученый окружил ее нейтронными отражателями. Погибли два человека — WikiCC
Когда уран-235 проходит через эту цепную реакцию, у вас остается цезий-137 (Cs137), кобальт-60 (Co60) и иридий-92 (Ir192). Эти элементы все еще радиоактивны, но с ними относительно легко справиться и они могут использоваться для других целей, например для облучения пищевых продукто в и радиотерапии .
Но только 3-5% нашей руды — это уран-235 . Остальное — уран-238 (U238), который не участвует в цепной реакции. Вместо этого, когда уран-238 поглощает нейтрон, он распадается на нептуний-239 (Np239) и плутоний-239 (Pu 239). Они ядовиты и остаются очень радиоактивными в течение десятков тысяч лет. Это поистине смертоносная часть нашей огромной груды ядерных отходов. Что еще хуже, нептуний может самопроизвольно загореться при комнатной температуре, выбрасывая в воздух радиоактивный пепел.
Итак, подведем итоги урана. Вы не можете обращаться с ним напрямую, так как он слишком радиоактивен и может сам делиться. Это означает, что из-за несчастных случаев он может стать критическим (посмотрите на Чернобыль), а побочные продукты останутся смертельными с опасными уровнями радиации в течение десятков тысяч лет. Звучит не очень хорошо, правда?
Торий
Что ж, Торий мог бы быть гораздо лучшей альтернативой.
Образец Тория — WikiCC
Торий в четыре раза чаще встречается на Земле, чем уран, и почти весь это изотоп торий-232 (Th232). Вы можете держать кусок тория-232 в руках без каких-либо побочных эффектов, поскольку этот элемент почти не радиоактивен с периодом полураспада 14 миллиардов лет. Он также не может делиться сам по себе. Так как же он может привести в действие ядерный реактор?
Что ж, если вы бомбардируете торий-232 нейтронами, он поглотит один и превратится в уран-233 (U233), который является гораздо лучшей версией U235.
Как и уран-235, уран-233 может делиться, то есть иметь цепную ядерную реакцию. Уран-233 поглощает нейтрон, превращая его в уран-234 (U234). Он очень нестабилен и быстро расщепляется, высвобождая энергию и два нейтрона, которые могут быть поглощены еще большим количеством урана-233.
Побочные продукты распада урана-233 менее радиоактивны и распадаются быстрее, чем побочные продукты урана-235. Плюс мы начали с почти чистого тория-232. Поскольку у нас нет урана-238, нет ни плутония, ни нептуния в качестве отходов. Кроме того, на каждый киловатт произведенной энергии приходится гораздо меньше отходов, поскольку ториевая руда намного чище, чем урановая руда.
Низкоактивные ядерные отходы, хранящиеся в бочках — WikiCC
Все это означает, что отходы ториевого реактора являются радиоактивными только в течение 500 лет , а не 10 000 лет. При этом отходов значительно меньше, чем в наших урановых реакторах.
Более того, поскольку торий сам по себе не может стать критическим, для ториевого реактора почти невозможна серьезная авария, такая как Чернобыль или Фукусима. Эти реакторы изначально защищены от ядерных аварий, по крайней мере, до некоторой степени.
Итак, вы ожидаете, что ториевые реакторы будут повсюду, не так ли? К сожалению, это не так.
Ториевые реакторы не производят плутония. Плутоний не только является одной из самых смертоносных частей ядерных отходов, но также является важным ингредиентом для создания ядерных бомб.
Ядерная межконтинентальная баллистическая ракета 1980-х годов — WikiCC
Поэтому, если страна хочет сохранить запас ядерных боеголовок, ей нужно много-много атомных электростанций, чтобы снабжать их плутонием. Им просто негде разрабатывать ториевые реакторы. Так что вы не найдете ни одного действующего ториевого реактора в США, Европе или России. Когда-то они были в этих странах, но все они были выведены из эксплуатации . Вместо этого теперь они заполнены урановыми реакторами, из которых выкачиваются тысячи тонн отходов и даже более смертоносных побочных продуктов.
Но одна страна решила удвоить потребление тория — Индия . У них нет стремления увеличивать свои запасы ядерного оружия , но им нужен чистый и надежный источник энергии для обеспечения своего миллиардного населения по мере того, как они становятся развитой страной. В стране почти нет месторождений урана, а типичные возобновляемые источники энергии недостаточно надежны для производства энергии, но у них есть обширные месторождения тория. Итак, теперь у них есть все действующие ториевые реакторы в мире, и они планируют построить еще больше.
Ранний экспериментальный ториевый реактор — WikiCC
Так все еще думаете, что ядерная энергетика грязная? Уран был причиной войн, катастроф и огромных скоплений смертоносных отходов, которые никуда не денутся в течение ужасно долгого времени. Хотя торий и несовершенен, это гораздо более безопасная и эффективная альтернатива ядерным отходам, с которыми гораздо легче справиться. Кажется, единственное, что удерживает эту революционную технологию от широкого распространения, — это наша потребность в ядерном оружии.
Не пора ли разорвать связи с нашей военной ядерной зависимостью и вступить в новую эру атомной энергии? Однако без ядерного сдерживания приведет ли это только к Третьей мировой войне?
Это огромная геополитическая и экологическая дискуссия, которая затрагивает самую суть нашего существования, будь то наша национальная безопасность, ядерные отходы или катастрофы.
Источник: dzen.ru
Долгосрочный потенциал использования тория в ядерной энергетике
Торий — это серебристый, слегка радиоактивный металл, встречающийся в магматических породах и тяжелых минеральных песках. Этот элемент был назван в честь Тора — бога грома из норвежской мифологии. Торий примерно в три-четыре раза более распространен в природе, чем уран, но исторически не нашел широкого применения в промышленности и энергетике. Отчасти это объясняется тем, что торий как таковой не является ядерным топливом, но может быть использован для его создания.
Торий-232 — единственный встречающийся в природе изотоп тория — является расщепляющимся, но не делящимся материалом. Это означает, что для расщепления атомных ядер тория и выделения энергии, используемой для производства электричества, необходимы высокоэнергетические нейтроны. Однако облучение тория-232 вызывает в нем ряд ядерных реакций, в результате которых образуется уран-233 — делящийся материал, который можно использовать в качестве топлива для ядерных реакторов.
В августе 2021 года Китай объявил о завершении строительства своего первого экспериментального ядерного реактора на основе тория. Реактор, расположенный на севере страны посреди пустыни Гоби, будет проходить испытания в течение нескольких последующих лет. Если эксперимент окажется успешным, Пекин планирует построить еще один реактор, способный вырабатывать электроэнергию для более 100 000 домохозяйств.
Китай — не единственная страна, задумывающаяся об использовании уникальных свойств тория. Индия, Россия, Соединенное Королевство, Соединенные Штаты Америки, Япония и другие страны также проявляли заинтересованность в проведении исследований по возможному использованию тория в ядерной энергетике.
В чем заключаются преимущества использования тория?
Торий имеет ряд преимуществ в сравнении с наиболее распространенным ядерным топливом — ураном-235. Количество делящегося материала (урана-233), производимого торием в ходе работы водоохлаждаемого реактора или реактора на соляных расплавах, может превышать количество потребляемого. По приблизительным данным, в верхнем слое земной коры содержится в среднем 10,5 частей на миллион тория по сравнению с примерно 3 частями на миллион урана.
«Благодаря своей доступности и способности производить делящийся материал, торий может стать долгосрочным решением энергетических проблем человечества», — говорит Кайлаш Агарвал, специалист МАГАТЭ по ядерному топливному циклу.
Среди других преимуществ — экологичность реакторов на тории, которая может быть гораздо выше, чем урановых аналогов. Помимо того, что эти реакторы — и ядерная энергетика в целом, в ходе работы не выделяют парниковых газов, они также производят меньше долгоживущих ядерных отходов, чем современные реакторы на урановом топливе.
Не без изъянов
Однако существует ряд экономических и технических препятствий, затрудняющих использование тория. Несмотря на его изобилие, добыча этого металла в настоящее время обходится довольно дорого.
«Минерал монацит, который является основным источником различных редкоземельных элементов, также является основным источником тория, — говорит Марк Михаласки, специалист МАГАТЭ по урановым ресурсам. — Монацит не добывался бы только из-за содержания в нем тория, если бы не нынешний спрос на редкоземельные элементы. Торий является побочным продуктом, а добыча тория требует использования более дорогостоящих методов, чем добыча урана. В связи с этим количество тория, которое можно извлечь из земли экономически эффективным способом в данный момент меньше, чем количество урана. Однако ситуация может измениться, если спрос на торий и его применение в ядерной энергетике возрастет».
Из-за отсутствия значительного опыта работы с торием и историческое преобладание использования урана в ядерной энергетике исследования, разработка и испытания установок, работающих на ториевом топливе, являются не менее дорогостоящими.
«Проблематичным в использовании тория является и то, что его может быть сложно обрабатывать, — говорит Анжелика Хаперская, технический руководитель по вопросам разработки ядерного топлива и объектам топливного цикла в МАГАТЭ. — Будучи воспроизводящим, но не делящимся материалом, торий нуждается во вспомогательных материалах, таких как уран или плутоний, которые помогут запустить и поддерживать цепную реакцию».
«Для удовлетворения растущего спроса на энергию и достижения глобальных климатических целей мир ищет альтернативные устойчивые и надежные способы энергопроизводства. Использование тория может стать одним из них, — отмечает Клеман Хилл, руководитель секции в МАГАТЭ. — Мы продолжим исследования, чтобы предоставить достоверные и научно обоснованные результаты тем, кто заинтересован в работе с торием».
Хотите узнать больше о трудностях, связанных с использованием тория?
В новой публикации МАГАТЭ Near-Term and Promising Long-Term Options for the Deployment of Thorium-Based Nuclear Energy external link, opens in a new tab («Краткосрочные и долгосрочные варианты развития ядерной энергетики на основе тория») обобщены результаты четырехлетнего проекта координированных исследований МАГАТЭ, посвященного возможностям развития ядерной энергетики с использованием тория. В докладе рассматриваются преимущества и трудности, связанные с использованием тория в качестве топлива, а также анализируется его применение в реакторах различных типов — от наиболее распространенных водо-водяных реакторов до реакторов на солевых расплавах.
«Многие страны мира считают торий перспективным и очень заманчивым способом выработки электроэнергии и удовлетворения своих растущих энергетических потребностей, — сказал Агарвал, один из авторов доклада. — Наш исследовательский проект способствовал обмену ценными знаниями и опытом между национальными лабораториями и исследовательскими институтами, изучающими использование тория. Результатом этой работы стала данная публикация».
Источник: www.atomic-energy.ru
Может ли торий спасти Землю от энергетического кризиса?
Элемент, названный в честь одного из главных скандинавских богов, может спасти человечество от энергетического кризиса, который поджидает нас в ближайшем будущем.
Дмитрий Мамонтов
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
Идеальная экосистема
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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».
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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 «TechInsider» 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%».
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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».
Источник: www.techinsider.ru