Торий запасы. Торий - это будущее атомной энергетики и арктики




Торий – радиоактивный металл, обладающий парамагнитными свойствами, серебристого цвета. В периодической таблице, он расположен между актинием и протактинием и ниже церия Торий мягкий металл сопоставимый с оловом и скандием. Твердость тория аналогична мягкой стали. Чистый торий может быть свернут в виде листов и вытянут в проволоку. Ниже температуры 1,40 K торий проявляет свойства сверхпроводника. Измеренные свойства тория широко варьируют в зависимости от количества примесей, как правило диоксида торий. Самые чистые образцы обычно содержат около десятой доли процента диоксида.




Природный торий радиоактивен, наряду с ураном тория является родоначальником собственного радиоактивного семейства (трансториевых элементов) Период полураспада природного тория составляет 1,39·10 10 лет В семействе тория имеются короткоживущие изотопы 83Bi212 и 81Tl208, обладающие жёстким β- и γ-излучением






В атомной отрасли торий применяется как источник получения вторичного ядерного топлива, U Th n 1 (γ) 90 Th 233 (β) 91 Pa 233 (β) 92 U 233 Нейтроны, для реакции, образуются при расщеплении специально введённого обогащённого урана, либо плутония. После отделения U 233 и других продуктов реакции регенерированный торий возвращают в цикл


Стратегия развития ядерной энергетики как в России, так и за рубежом, предусматривает введение ядерного топливного цикла на основе тория (так называемого «смешанного топливного цикла») с использованием природных урана и тория, урана-235, искусственных плутония-239 и урана-233 в реакторах на тепловых и быстрых нейтронах. И если учесть, что запасы тория в земной коре значительно превосходят запасы урана, то открываются широкие перспективы использования его в атомной технике. К основным недостаткам металлического тория как реакторного материала относятся необходимость добавления к нему обогащённого ядерного горючего (U235, Рu239) и необходимость надёжной биологической защиты при работе с торием.


Ториевый ядерный двигатель Прототип автомобиля создан в 2009 году компанией Cadillac Компания Laser Power Systems разработала лазер высокой тепловой энергии на тории. Теплота лазера нагревает теплоноситель, который приводит в движение турбины Вес 230 кг, мощность 250 к Вт, 1 г Th эквивалентен 7500 литрам бензина 8 г Th хватает на км пробега


Вследствие высокой электронной эмиссии и сравнительно малой работы выхода электронов металлический торий используется как электродный материал в газоразрядных и некоторых других типов лампах, которые имеют хорошие электрические характеристики и большой срок службы В электровакуумной технике для некоторых типов магнетронов применяются ториевооксидные катоды, работающие при температурах () °С Электроды из торированного вольфрама (ThO 2 0,8-1%) обладают меньшей работой выхода электронов и большей эффективностью по сравнению с чистым вольфрамом Ксеноновые дуговые лампы имеют торированные электроды


Металлический торий считается перспективной легирующей добавкой в жаропрочные сплавы Использование небольших добавок тория улучшает свойства железных, никелевых, алюминиево-магниевых и других сплавов Эти сплавы благодаря небольшой плотности, значительной прочности, высокой температуре плавления и хорошей пластичности широко применяются в авиационной промышленности


Диоксид тория химически инертен, плавится при высокой температуре (3220 °С), имеет низкую упругость диссоциации Возможно его использование в производстве огнеупорных изделий, наиболее перспективно использование в вакууме и окислительной атмосфере Однако сравнительно высокий коэффициент термического расширения и малая теплопроводность диоксида обусловливают относительно невысокую механическую прочность изделий при изменении температуры, что ограничивает масштабы применения огнеупоров на его основе Возможно применение диоксида тория в качестве элемента сопротивления в высокотемпературных электропечах (до 2000 °С)


По распространенности торий занимает 35 место. Кларк тория составляет 0,8·10 -3, его содержание По распространенности торий занимает 35 место. Кларк тория составляет 0,8·10 -3, его содержание в земной коре больше, чем сурьмы, висмута, ртути, молибдена или серебра и примерно в пять раз больше, чем урана В связи с большой склонностью тория к изоморфизму, в большинстве его минералов присутствуют U, РЗЭ, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta и др. Торий концентрируется в верхних гранитных слоях литосферы. Кислые изверженные породы (граниты, базальты, диориты) содержат в среднем 1,810-3 % масс, тория (встречаются породы и со значительно меньшим содержанием - до (0,02- 0,03) 10-3 %). Содержание тория в осадочных породах оценивается величиной 0, % масс В свободном состоянии торий не встречается, образует соединения с другими элементами: оксиды, силикаты, фосфаты, карбонаты и фториды.


Торий входит в состав около 100 минералов, большинство содержат и уран. Собственно ториевых минералов менее десяти Все они относятся к группе устойчивых в химическом отношении компонентов кислых и щелочных магматических горных пород и пегматитов Минералы тория в природе ассоциируют с минералами редких земель и урана, а также с минералами циркония, титана, ниобия и тантала, олова и других элементов Важнейшими промышленными минералами тория являются монацит, монацит, торит, торит, торианит (ураноторианит) торианит (ураноторианит)


(Се, La, Th)PO 4 содержит от 3,5 до 10 % ТhO 2 и от сотых долей до 1 % UO 2. Сумма оксидов РЗЭ в монаците в пределах от 55 до 68 % масс.; иттрий и элементы его подгруппы присутствуют до (3 - 5) %. Содержание фосфора в пересчёте на оксид изменяется от 18,4 до 31,5 % масс. Плотность монацита колеблется в пределах от 4,9 до 5,5 т/м 3, твёрдость - от 5 до 5,5 по шкале Мооса. Цвет минерала изменяется от светло-жёлтого до красно-бурого, но встречаются разновидности другой окраски (зеленоватые, коричневатые, чёрные) и почти бесцветные. Минерал умеренно парамагнитен. Это свойство монацита широко используется в обогатительной практике при электромагнитной сепарации тяжёлых минералов.


ThSiO 4 содержит до 77 % ТhO 2 Практически все ториты имеют в своем составе уран, железо, редкие земли и радиогенный свинец. В небольших количествах в торите присутствуют кальций, магний, фосфор, титан, тантал, цирконий, олово. Разновидность торита: уранторианит, содержащий от 5 до 20 % урана; ферриторит (железистая разновидность, содержащая до 14% Fе 2Oз); гидроторит ThSiO 4 4H 2 O и др. Твёрдость торита (4,5 - 5,5), Плотность (4 - 5,4) до 6,7 т/м 3. Цвет минерала от оранжево-жёлтого (оранжит) до чёрного. В промышленных количествах торит встречается главным образом в жильных месторождениях, генетически связанных со щелочными изверженными породами, а также как попутный компонент в некоторых россыпях, в частности - оловянных.


(Th,U)O 2 содержит от 45 до 93 % ТhO 2 и до 50 % UO 2. Изоморфен с уранинитом. К разновидностям торианита относятся ураноториацит, содержащий до 50 % UO 2 и алданит, в составе которого () % UO 2. Клевеит и бреггерит, являющиеся разновидностями уранинита, содержат от 3 до 14 % ТhO 2. В состав торианита и его разновидностей, кроме тория и урана, входят редкоземельные элементы до (8-13)% и радиогенный свинец (до 13 %). Кроме того, в нём присутствуют примеси железа и циркония. Плотность торианита составляет (8,9 - 9,9) т/м 3, твердость - (6 - 7,5). Цвет торианита изменяется от тёмно-серого до коричнево-чёрного и чёрного. Распространён торианит значительно меньше, чем монацит и торит. Он встречается в пегматитах, связанных с гранитами и сиенитами, иногда в карбонатитах и россыпях.


Горнорудная ториевая промышленность базируется примерно на 80 % на монацитовых рудах, добыча которых из россыпных месторождений сравнительно проста и производительна. Разведанные достоверные запасы монацита в прибрежно-морских и элювиальных россыпях составляют примерно 8 млн. т или в пересчёте на оксид тория около 670 тыс. т. Вероятные запасы оцениваются величиной 2250 тыс. т тория. Давно известны крупнейшие мировые провинции богатых монацит-содержащих комплексных прибрежно-морских месторождений Индии (Южное побережье) и Бразилии (штаты восточного побережья). Примерно до 1913 г. главным поставщиком монацита была Бразилия. Позже на первые роли вышла Индия. Затем роли Индии и Бразилии примерно выровнялись, но обе эти страны уступили первенство в добыче монацита США и ЮАР. Примерно такое положение сохраняется и до настоящего времени. В ЮАР, кроме прибрежно-морских россыпей, разрабатываются коренные руды, содержащие монацит.


Среднее содержание монацита в россыпях составляет около (0,5-1)%. Минимальное содержание в рудах разрабатываемых месторождений составляет 0,04 %, а максимальное - до () %. При крупной механизированной добыче и обогащении, например, в штате Айдахо (США), разрабатывают россыпи с содержанием монацита всего 0,004 %. При небольших масштабах добычи в США промышленными считаются россыпи с содержанием монацита не менее 0,6 %. В Бразилии разрабатывают элювиальные россыпи с содержанием монацита от 0,25 до 1,5 % и морские россыпи с содержанием от 0,2 до 2 %. В Нигерии добывают монацит из россыпей, в которых содержание его достигает 6 %. А на Цейлоне разрабатывают россыпи с содержанием монацита всего (0,3 - 0,4) %. В Индии промышленные россыпи содержат от 0,5 до 3 % монацита. Руды коренного месторождения Стинкемпс - Краал (ЮАР) содержат монацита до () %, что составляет исключение и не характерно для монацитсодержащих месторождений.




Первоначальной черновой концентрат поступает на грохот, работающий в замкнутом цикле со стержневой мельницей. Подрешетный продукт крупностью – 1,6 мм направляется в реечный классификатор, в слив уходит кварц крупностью – 0,2 мм, направляемый в отвал. Мокрые пески классификатора подвергаются магнитной сепарации на электромагнитных сеператорах. Монацит, танталито-колумбит, эвксенит - среднепарамагнитные минералы, ильменит и магнетит Fe3O4 - сильнопарамагнитные, а циркон, рутил, бадцелеит и минералы пустой породы (топаз, полевой шпат, кварц) - немагнитные. При пропускании концентрата через сепараторы различной электромагнитной интенсивности происходит разделение его по магнитной восприимчивости на три вида: продукт слабого магнитного поля: магнетит, ильменит; продукт слабого магнитного поля: магнетит, ильменит; продукт сильного магнитного поля: монацит, танталито-колумбит, эвксенит; продукт сильного магнитного поля: монацит, танталито-колумбит, эвксенит; немагнитные продукты: циркон, рутил, бадцелеит и минералы пустой породы. немагнитные продукты: циркон, рутил, бадцелеит и минералы пустой породы. Коллективный эвксенит-монацит-колумбитовый концентрат после сушки разделяется на монацитовую и эвксенит-колумбитовую фракции в электростатических сепараторах. Принцип электростатического разделения основан на различии электропроводности минералов. Различают две основные группы: проводящие: магнетит, гематит, танталито-колумбит, ильменит, рутил, бадцелеит и минералы пустой породы; проводящие: магнетит, гематит, танталито-колумбит, ильменит, рутил, бадцелеит и минералы пустой породы; не проводящие: монацит, циркон. не проводящие: монацит, циркон.


Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение, нахождение в природе, обогащение ториевых руд Н АЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ Т ОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Ф ИЗИКО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ К АФЕДРА ХТРЭ доцент каф. ХТРЭ, к.х.н., Оствальд Р.В.

Торий
Атомный номер 90
Внешний вид простого вещества серый, мягкий,
ковкий, вязкий,
радиоактивный металл
Свойства атома
Атомная масса
(молярная масса) 		232,0381 а. е. м. ( /моль)
Радиус атома 180 пм
Энергия ионизации
(первый электрон) 		670,4 (6,95) кДж /моль (эВ)
Электронная конфигурация 6d 2 7s 2
Химические свойства
Ковалентный радиус 165 пм
Радиус иона (+4e) 102 пм
Электроотрицательность
(по Полингу) 		1,3
Электродный потенциал —
Степени окисления 4
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность 11,78 /см ³
Молярная теплоёмкость 26,23 Дж /( ·моль)
Теплопроводность (54,0) Вт /( ·)
Температура плавления 2028
Теплота плавления 16,11 кДж /моль
Температура кипения 5060
Теплота испарения 513,7 кДж /моль
Молярный объём 19,8 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки кубическая
гранецентрированая
Параметры решётки 5,080 Å
Отношение c/a n/a
Температура Дебая 100,00 K
Th 90
232,0381
6d 2 7s 2
Торий

Торий — элемент III группы таблицы Менделеева, принадлежащий к актиноидам; тяжёлый слаборадиоактивный металл. Впервые торий выделен Й. Берцелиусом в 1828 году из минерала, позже получившего название торит (содержит сульфат тория). Торий был назван его первооткрывателем по имени бога грома Тора в скандинавской мифологии.

Получение

Торий, как и некоторые другие редкоземельные элементы, выделяют из галогенидов или оксида методом металлотермии (кальцийтермии)

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. Так, например, при облучении природного тория-232 нейтронами в атомном реакторе он путём захвата нейтрона (с образованием тория-233) и двух последующих бета-распадов (через протактиний-233) превращается в лёгкий изотоп урана с массовым числом 233. Уран-233 способен к делению подобно урану-235 и плутонию, что открывает более чем серьёзные перспективы для развития атомной энергетики (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 % ThO 2 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.

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.

Любопытные факты

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

Один из ведущих мировых специалистов по ториевой энергетике, член экспертного совета журнала «Редкие земли», доктор технических наук, экс-генеральный директор нескольких самых крупных предприятийСредмаша, Валерий Константинович Ларин - о кодексе доверия, новых возмож-ностях в освоении Арктики, об эволюции и светлом будущем атомной энергетики, которое невозможно представить без использования уникального элемента - тория. Что такое торий? В чем его плюсы и минусы? Почему в других странах уже выбрали торий? финальные звонки перед большим спектаклем, приглашение на который мы можем не получить, если сегодня упустим свой шанс создать ториевую сверхтехнологию для новой технологической эпохи.

Торий как альтернатива урану
По распространению в земной коре тория в несколько раз больше, чем природного урана. Торий и присутствующий в нем один из изотопов, уран-232, могут являться достаточно эффективным источником в ядерной энергетике взамен широко применяемого топлива на основе 235-го изотопа урана. Ториевая энергетика обладает рядом колоссальных преимуществ. Каких? Во-первых, безопасность: в реакторе, работающем с использованием тория как элемента питания, нет избыточной реактивности. Это гарантия неповторения таких жутких катастроф, как Три-Майл-Айленд в Америке, как Чернобыль, как Фокусима. Еще академик Лев Феоктистов писал, что любой атомный реактор, работающий в сегодняшней конфигурации и технологии, обладает сумасшедшей избыточной активностью. По сути, в одном реакторе несколько десятков, а то и сотен бомб, что вынуждает нас принимать очень серьезные меры для защиты: ловушки, специальные конструкции и так далее, что, естественно, сильно удорожает производство и обслуживание. Второе преимущество ториевой энергетики - нет проблем с утилизацией отходов. Мы вынуждены осуществлять перезагрузку топлива в нынешних ВВЭРовских реакторах раз в полтора года. Это 66 тонн активного вещества, которое надо загрузить разово. Причем степень выгорания не такая уж высокая, остается достаточно много отходов, что сопряжено с рядом трудностей. Я имею в виду вторичное захоронение активных элементов, в больших объемах нарабатывается плутоний. В ториевой энергетике всего этого нет. Почему? Цикл полураспада у тория длится намного дольше - на практике десять лет и больше. Это обеспечивает более эффективное использование, меньше затрат на выгрузку-разгрузку, повышение КИУМ и так далее. Да, надо признать, что из-за другого периода полураспада тория образуются другие актиноиды, более активные, но на нынешнем этапе эта проблема вполне решаемая. Но существуют и большие плюсы. Согласитесь, есть разница: полтора года и десять лет?
Основной минерал, содержащий торий, - это монацит, который содержит редкие земли. Поэтому, когда мы говорим о тории как о топливе для будущей энергетики, как о следующем этапе развития атомной энергетики, речь, естественно, пойдет о комплексной переработке монацитового сырья и разделении редких земель - это существенным образом делает применение тория коммерчески более экономичным и привлекательным. Здесь существует очень серьезный потенциал для развития и энергетики, и экономики, и горнодобывающей промышленности. Торий в России есть в виде монацитовых песков. Эта технология должна быть промышленно освоенной, опробованной и, самое главное, рентабельной. В лаборатории можно делать все.
Проблема поиска месторождений тория сходна с проблемой поиска месторождений редкоземельных металлов - его способность к концентрации слабая, и торий весьма неохотно собирается в сколь-либо значительные залежи, являясь очень рассеянным элементом земной коры. В небольших количествах торий присутствует в граните, грунтах и почве. Обычно отдельно торий не добывается, в качестве побочного продукта его извлекают при добыче редкоземельных элементов или урана. Во многих минералах, в том числе и в монаците, торий легко замещает атом редкоземельного элемента, что и объясняет сродство тория с редкими землями.

Торий (Thorium), Th - химический элемент III группы Периодической системы, первый член группы актиноидов. В 1828 году, анализируя редкий минерал, найденный в Швеции, Йёнс Якоб Берцелиус обнаружил в нем окись нового элемента. Этот элемент был назван торием в честь всемогущего скандинавского божества Тора (Тор - коллега Марса и Юпитера, бог войны, грома и молнии). Получить чистый металлический торий Берцелиусу не удалось. Чистый препарат тория был получен лишь в 1882 году другим шведским химиком, первооткрывателем скандия Ларсом Нильсоном. Радиоактивность тория была открыта в 1898-м независимо друг от друга одновременно Марией Склодовской-Кюри и Гербертом Шмидтом.


Надо развивать собственное производство
В свое время писались докладные на имя Ефима Павловича Славского и Игоря Васильевича Курчатова о том, что надо переходить на ториевый цикл. И ториевая энергетика в экспериментальном исполнении была: работали реакторы на «Маяке» и в Германии. Но в то же время необходимо было развивать военное направление, связанное с энергетикой, и, соответственно, работать на плутонии, и ториевая программа была заморожена. Поэтому решение, которое принято нашим Президентом, что надо работы в этом направлении начать, усилить и, быть может, даже форсировать, очень правильное и своевременное. Сегодня второго шанса нам никто не даст. В Китае, Индии, Скандинавских странах есть очень серьезная ториевая программа. Скоро все так далеко уйдут, что мы уже никого не догоним. Китай настолько далеко ушел в развитии редкоземельной промышленности со своей рудной базой, что мы Китай этим сегодня не испугаем. Мы могли догнать Китай и обязаны были делать все, чтобы Китай от нас, по крайней мере, на шаг, на два держался на втором плане в атомном машиностроении, в атомных технологиях. Но, к сожалению, мы и здесь потихоньку уступаем. Китай рвется на рынок со своими атомными реакторами, со своей технологией. И я могу заверить, при той позиции, которая у нас сейчас, мы проиграем эту борьбу.
Они вот уже предлагают реакторы малой мощности и, как ни грустно это признавать, они и плавучие реакторные установки быстрее нас промышленно освоят - наши министерские товарищи очень заинтересованы в этих реакторах, вместо того чтобы развивать собственное производство. Нам надо развиваться. Например, газовые реакторы, высокотемпературные реакторы с газовым охлаждением - это, вообще-то, очень перспективное направление. Но это мы тоже почему-то очень медленно, робко, инертно делаем.
К сожалению, на протяжении всех 1990-х годов у нас господствовала идеология, что проще и дешевле купить редкие земли, например, в Китае, чем сделать собственный продукт.

Прогноз мирового производства ядерной энергии с использованием реакторов различных типов


Сколько стоит новое топливо
Производственники - консерваторы. И их консерватизм оправдан. Философия производственника понятна: у меня отлаженное производство, я работаю, отвечаю за план, за производство, за людей, которые работают. Всякое новшество приносит мне риски. Риски нового, которое надо испытывать, а при этом всегда возможны какие-то неполадки, накладки и так далее. Оно мне надо? Я буду лучше спокойно жить. Поэтому конфликт таких интересов: развития, продвижения нового и точки зрения производственника-консерватора, он всегда был, есть и будет. Другое дело, что надо это разумно преодолевать.
Сегодня существуют разновидности уранового топлива: нитридное, керамическое, топливо с добавкой редких земель. Очень большое количество вариантов. И разве это производится без всяких затрат, без всяких денег? Совершенно не так. Чтобы получить новое топливо, в основе которого будет торий, надо наработать технологию изготовления этих материалов. И прежде чем говорить, что ториевая энергетика намного дороже урановой, надо сделать простую вещь - сравнительный экономический анализ. Например, если в качестве топлива для реактора будет использоваться расплав фторида тория, то получить фториды тория, как мне кажется, не так уж и дорого. Если мы будем получать топливо в виде шаровых элементов - это второй вариант, керамика - третий вариант. Тем более речь здесь идет, прежде всего, о сырье, о монаците, и вопрос цены будет определяться с учетом комплексного использования. То есть выделение из монацита всей суммы редких земель, урана и циркония - все это серьезным образом снизит затраты на производство топлива на основе тория.


Дизайн первого в мире ториевого ядерного реактора, разработанного в Центре исследования ядерной энергетики Бхаба в Мумбаи (Индия) и предназначенного для использования ториевых топливных ячеек для коммерческой выработки энергии.

Немного о реакторах на быстрых нейтронах. Неважно, по какой технологии, на каком реакторе, в каком конструкторском исполнении использовать быстрые нейтроны, зажигать природный материал - в том или ином количестве все равно будут образовываться отходы. И отходы надо перерабатывать. Если говорить о чистоте методологии и понятий, как такового замкнутого цикла нет и не может быть. Но в варианте ториевой энергетики будет меньше активных отходов, которые надо перерабатывать.
Я убежден, что мы в любом случае перейдем постепенно на ториевую энергетику, тем более что последние исследования и расчеты физиков Томского политехнического университета, теоретический расчет активной зоны, показывают, что возможен эволюционный переход на ториевую энергетику применительно и к легководным реакторным установкам. То есть не сразу революция, а постепенный перевод активной зоны существующих легководных реакторов с частичной заменой активной зоны с уранового топлива на ториевое.


Центр исследования ядерной энергетики Бхаба (Индия).

Прежде чем вешать штампы, что это - плохо, а это - хорошо, надо серьезно заняться реальным делом. Допустим, изготовить парочку твэлов и на опытных стендах это все погонять. Снять все ядерно-физические характеристики. Много исследований нужно провести, причем долговременных. И чем дальше мы оттягиваем, отговариваясь, что это сложно и тяжело, тем больше мы будем отставать в развитии. Нужно все делать вовремя. В свое время в Средмаше этим занимались, получали металлический торий на наших предприятиях, и эти технологии были. Надо поднять старый опыт, старые отчеты, они все, наверное, в архивах сохранились, и специалисты это найдут. С учетом того, что было сделано, и новых возможностей необходимо все это дело продолжить.

Некоторые месторождения тория в России:
Туганское и Георгиевское (Томская область)
Ордынское (Новосибирская область)
Ловозерское и Хибинское (Мурманская область)
Улуг-Танзекское (Республика Тыва)
Кийское (Красноярский край)
Тарское (Омская область)
Томторское (Якутия)

Торий для Арктики и не только
Существует огромная потребность в серийных мобильных и стационарных энергетических установках сверхмалой и малой мощности (от 1 до 20 МВт), которые могут быть использованы в качестве источников энергии и тепла при освоении северных территорий, разработке там новых месторождений, а также в обеспечении электроэнергией удаленных воинских гарнизонов и крупных военно-морских баз на Северном и Тихоокеанском флотах. Эти установки должны обладать как можно большим периодом работы без перегрузки ядерного топлива, при их эксплуатации не должен накапливаться плутоний, их должно быть легко обслуживать. Они не могут работать в уран-плутониевом цикле, потому что при его использовании накапливается плутоний. Перспективной альтернативой урану в данном случае является использование тория.
Проблема энергетики в Арктике - это проблема номер один. И этим надо абсолютно четко заниматься. Вот сейчас в Жодино наши уважаемые белорусские друзья сделали самый большой в мире «БелАЗ», грузоподъемность 450 тонн. Для того чтобы этот «БелАЗ» работал нормально, все его колесные пары приводятся отдельно, на каждое колесо стоит отдельный двигатель. Но для того чтобы получить электроэнергию, стоят два огромных дизеля, которые приводят в движение электрогенераторы, они распределяют все на эти электродвигатели. Давайте сделаем маленький ториевый реактор, причем не обязательно его ставить прямо на этот «БелАЗ». Можно сделать разные варианты. Например, очень эффективно будет использовать ториевые реакторы малой мощности для производства водорода. И перевести все двигатели на водородные. В этом плане у нас теоретически получается блестящая картина, потому что при сжигании водорода мы получим воду. Абсолютно «зеленая» энергетика, о которой мечтают все. Или мы сделаем атомные станции на основе реакторов малой мощности. С дальнейшим развитием и освоением Арктики передвижные локальные реакторы, реакторные установки малой мощности дадут, с моей точки зрения, сумасшедший народнохозяйственный эффект. Просто сумасшедший. Они должны быть вот именно передвижными, локальными, мобильными. И я думаю, что не так сложно сделать реакторы малой мощности на тории с периодом перегрузки в десять и более лет в условиях Арктики. Да, можно сделать реакторы малой мощности и на существующих технологиях: возьмем реакторы, которые у нас есть в военно-морском флоте, на подводных лодках, атомоходах. Поставим их. Начнем эксплуатировать. Все это можно сделать. Но сложности в эксплуатации и выводе из эксплуатации, загрузка, выгрузка и вывоз в суровых условиях северных широт сильно усложнят применение такого типа установок.
Еще один показательный пример. В громадных якутских карьерах «Алроса», на горных подразделениях Лебединского ГОКа при добыче железной руды мы используем большегрузные «БелАЗы» или «Катерпиллеры», и существует большая проблема проветривания карьеров от выхлопов и после массовых взрывов для отбойки руды. Что применяется? Вплоть до авиационных вертолетных двигателей, но они еще тоже работают на органическом топливе, на керосине и прочее, в свою очередь происходит вторичное загрязнение карьера. При переходе на транспортные средства с реакторными установками на основе тория отпадает необходимость в проветривании карьеров, не нужны склады ГСМ и т. д.
Для меня шок, когда Россия, правопреемница Советского Союза, не в силах обеспечить свою атомную отрасль природным компонентом, урановым сырьем. Я этого не понимаю, а я воспитан на старой школе и нигде, кроме Средмаша, не работал. Шутка ли, некоторое время назад, судя по официальным источникам Росатома, мы были вынуждены закупать сырье в Австралии.
Российские предприятия, говорят, убыточны, но в таком случае, почему же аналогичные предприятия на Украине, где тоже подземная добыча и содержание металла в руде аналогичное нашему, прибыльны? Наверное, настала потребность, государственная потребность иметь госрезервы стратегических материалов для развития атомной энергетики, а также в целом для промышленности. С учетом вот таких фокусов, которые происходят (санкции и прочее), нас в любой момент могут поставить в очень-очень неудобное, зависимое положение.
Там, где речь идет о принципиальных вещах, о безопасности государства, не только с точки зрения обороноспособности, государственная безопасность - понятие емкое и громадное, и это не только вооружение. Это и продукты питания, и другие стратегические вещи.


Плавучие АЭС - один из перспективных проектов развития Арктики - вполне могли бы оснащаться ториевыми реакторами, небольшими и «долгоиграющими»

Где штаб аналитиков и специалистов?
Мне кажется, при любом министерстве должен существовать этакий штаб аналитиков, советников, серых кардиналов, если хотите, как угодно их назовите, которые должны анализировать громадный массив информации и отделять зерна от плевел, определяя стратегию развития. К сожалению, особенно сегодня, решения зачастую принимаются без должного анализа. Руководство отрасли должно заниматься аналитикой и стратегическим планированием, четко понимать, в каком направлении дальше развиваться отрасли. А это должно основываться на правильной аналитике.
Плохо то, что мы действительно забыли о понятии «критичные металлы», о том, что нужно для развития атомной отрасли, для ее бесперебойной работы. В моем понимании, очень нужен иттрий, бериллий, литий, очень нужна средняя тяжелая группа - это неодим, празеодим, диспрозий. Эти элементы действительно нужны ближайшие 5–10–15 лет. Да, мы определили, что эти элементы нам нужны. Я задам простой вопрос: господа начальники, господа технологи, мы получили эти элементы. А что мы с ними будем делать? У нас вторичная промышленность готова, чтобы делать изделия из этих элементов? Кто будет делать, есть ли эти предприятия? Первое, могут нам сказать, что да, мы делали опытные образцы. Вопрос в другом. Вы сделали что-то, а это конкурентоспособно? Этот продукт русский и это будет продукт, который по своим характеристикам лучше, чем немецкий, и так далее? Это как с телевизором. Вам, как потребителю, поставим русский телевизор и поставим японский. Я уверен, вы купите японский. Вот в чем вопрос - готова ли промышленность правильно использовать редкие земли и в нужном направлении. Готовы ли мы делать из них конкурентоспособный продукт или мы произвели редкие земли, чтобы продать на рынке? Нас не пустит Китай с нашими редкими землями на рынок. Здесь комплекс проблем, которые мы должны комплексно решать, а мы же только декларируем.
Но гораздо хуже то, что идет старение кадрового персонала, потенциала в министерстве, в госкорпорации. И это, к сожалению, особенно наглядно в сырьевом дивизионе. А сырьевой дивизион - это основа основ. Если у вас не будет сырья, то не из чего будет что-то делать. Железо-то можно понастроить, а чем железо питать? Мы не зря говорим о том, что нам надо думать и рассматривать многообразие источников сырья, в том числе и тория. Наряду с этим не надо забывать об уране, не надо забывать о накопленных запасах (природный компонент 238 в разных формах). Все это надо использовать в узконаправленном, грамотном, нормальном, обоснованном сегменте, в разных вариантах. Выпускника Гарварда в шахту не отправишь, юриста в металлургический цех тоже. Не пойдут они туда. А кто сейчас готовит таких специалистов? На Урале существовала целая отрасль, связанная непосредственно с Минсредмашем, - это химическое машиностроение. Мощнейшие заводы химического машиностроения на Урале.

Плюсы использования тория:
+ Экономичность. Тория нужно примерно в два раза меньше, чем урана, для производства того же количества энергии.
+ Безопасность. Ядерные реакторы на ториевом топливе более безопасны, чем на урановом, поскольку ториевые реакторы не обладают запасом реактивности. Поэтому никакие разрушения аппаратуры реактора не способны вызвать неконтролируемую цепную реакцию.
+ Удобство. На базе тория возможно создание реактора, не требующего перезагрузок топлива.

Три недостатка использования тория:
- Торий - рассеянный элемент, не образующий собственных руд и месторождений, добыча его дороже, чем урана.
- Вскрытие монацита (минерала, в котором содержится торий) - процесс намного более сложный, чем вскрытие большинства урановых руд.
- Нет налаженной технологии.

Парадоксальная вещь - сегодня специалистов по химическому машиностроению не готовит ни один вуз в России. А как вообще будут проектироваться аппараты, не имея специалистов? Старики уйдут. Привезите сейчас пробу во ВНИИХТ, ее некому разделать. Если я не прав, так и напишите, что Валерий Константинович заблуждается. Это будет корректно и правильно. Вот сообщаем, вот такой-то вуз готовит. Я буду только рад, что я ошибся, искренне рад. Я говорю это на основе личного опыта. Я был недавно на Урале и встречался с людьми, которые работают в этой отрасли, это их слова. Они мне сказали: «Через пять лет можете забыть, что такая отрасль, как химическое машиностроение, в России была». Это люди, которые имеют опыт проектирования и создания аппаратов для химического машиностроения: специальные сушилки, специальные печи, агрегаты для разложения, для химического разложения. Это специальная отрасль техники, которая подразумевает работу с кислотами, в термических условиях, на аппаратах под давлением.

Где еще используется торий?
1 Оксид тория используется для производства огнеупорной керамики.
2 Металлический торий применяется для легирования легких сплавов, особо широко используемых в авиации и ракетной технике.
3 Многокомпонентные сплавы на магниевой основе, содержащие торий, применяют для деталей реактивных двигателей, управляемых снарядов, электронной и радарной аппаратуры.
4 Торий применяется как катализатор в процессах органического синтеза, крекинга нефти, при синтезе жидкого топлива из каменного угля, гидрирования углеводородов.
5 Торий используют как электродный материал для некоторых типов электронных ламп.

Зачем нужен директор?
Я был генеральным директором на трех самых крупных предприятиях Средмаша. Я горжусь этим и знаю, как выстраивались отношения между мной, как директором предприятия, начальником главка и министром. Я принимал решения в тех рамках финансирования и компетенции, которые у меня были. И я за это отвечал. Мы принимали решения, мы проводили испытания. Обосновывали? Да. Но мы это делали. Потом уже на основе всего этого мы обосновывали и доказывали необходимость подобных решений. Нам надо это делать, нам надо это внедрять, это в логику развития отрасли, это нужно, и так далее. Сейчас все ждут, какая будет команда из Москвы, что нам делать?
Любая система взаимоотношений, любая система в отрасли, в народном хозяйстве и где угодно - это есть система доверия. Если ты поставил директора, то а) значит, ты ему доверяешь, б) если ты ему доверяешь, ты даешь ему определенные рамки свободного плавания. Но нельзя директору, командиру, который отвечает за производство, за людей, за технику безопасности, за выполнение плана, миллион всяких функций, постоянно звонить из Москвы и одергивать: «так не делай, сюда не смотри, туда не ходи». Если что-то случится на производстве, отвечать будет директор, а не тот, кто его из Москвы дергает. Сейчас же директор предприятия, извините меня, кусок мыла не может купить. Все идет через Москву, через тендеры. Но если это так, то зачем вам директор нужен? Уберите его и командуйте из Москвы, что надо сделать.


Индонезийское Национальное агентство по атомной энергии (BATAN) планирует строительство экспериментального реактора (RDE) для тестирования с использованием ториевого топлива (фото из открытых источников).

Вопрос времени
Ученые, которые всерьез занимаются реакторами на быстрых нейтронах, совершенно четко говорят, что реальный пуск запланирован на 2030 год. Раньше никто ничего не планирует. Проблем куча. Расплавленный свинец - агрессивная жидкость. Течение свинца в трубках охлаждения - вопрос вопросов: что происходит на границе раздела фаз, какие особенности граничных слоев, как меняются массоперенос и теплоперенос, вопросы, вопросы, вопросы. Дело в том, что граничные слои обладают совершенно другими физико-химическими свойствами, там совсем другие коэффициенты массопереноса, теплопереноса и т. д. Свинец должен быть определенного качества, с нужным содержанием кислорода. Вопросов много. Есть ли на эти вопросы ответы? Не знаю. Нужны цифры, расчеты.
Что касается тория, то все зависит от того, как мы это организуем, как конструктивно все это оформим, какая логистика и кто будет управлять проектом. Если мы сумеем это грамотно сделать, подберем специалистов, увлеченных идеей ториевой энергетики, выделим финансирование, специальный исследовательский реактор только для этих целей, с наработкой топлива, я думаю, мы уложимся в практический результат за достаточно сжатые сроки, как было в сороковые–пятидесятые годы. В лабораториях уже проделана значительная часть работ по физике активной зоны, по переработке монацита с селективным выделением тория и получением редких земель. Надо все, что сделано раньше, аккумулировать, проанализировать, собрать вместе в рамках рабочей группы по развитию ториевой энергетики. И работать.

ТОРИЙ

Торий – природный слабо радиоактивный металл, открытый в 1828 г. шведским химиком Йенсом Берцелиусом, который назвал его в честь Тора, бога войны скандинавских народов. В небольших количествах он присутствует во многих горных породах и грунтах, где его содержание почти в три раза превышает содержание урана. В почве содержится приблизительно шесть частей тория на миллион.

Торий встречается во многих минералах, наиболее распространенным из которых является редкоземельный минерал – фосфат тория – монацит, в котором содержится до 12% оксида тория. Залежи этого минерала имеются в нескольких странах. Торий-232 распадается очень медленно (его период полураспада почти в три раза превышает возраст Земли), но другие изотопы тория содержатся в нем и в цепях распада урана. Большинство из них являются короткоживущими элементами, и поэтому они намного более радиоактивны, чем Th-232, хотя в массовом отношении их содержание ничтожно мало.

Мировые запасы тория (доступные для добычи)
Страна Запасы (в тоннах)
Австралия 300000
Индия 290000
Норвегия 170000
USA 160000
Канада 100000
Южная Африка 35000
Бразилия 16000
Прочие страны 95000
Всего 1200000
(Источник – Служба геологической разведки USA, Запасы минералов, январь 1999 года)

Торий в качестве ядерного топлива

Торий, как и уран , может использоваться в качестве ядерного топлива. Сам по себе не являющийся делящимся материалом Th-232 поглощает медленные нейтроны и образует делящийся уран-233. Как и U-2238, торий-232 является топливным сырьем.

По одному из существенных показателей U-233 превосходит уран-235 и плутоний-239, имея более высокий выход нейтронов на один поглощенный нейтрон. Если начать реакцию с помощью другого делящегося материала (U-235 или Pu-239), можно реализовать цикл наработки делящегося материала, напоминающий, но более эффективный, чем цикл на U-238 и плутоний в реакторах на медленных нейтронах. Th-232 поглощает нейтрон и преобразуется в Th-233, который при распаде переходит в Ра-233, а затем в U-233. Облученное топливо можно выгрузить из реактора, U-233 отделить от тория и загрузить в другой реактор, как часть замкнутого топливного цикла.

За последние 30 лет появился интерес к торию в качестве ядерного топлива, поскольку его запасы в земной коре в три раза превышают запасы урана. Кроме того, в реакторах можно использовать весь добываемый торий в отличие от 0,7% изотопа U-235 из природного урана.

Основным вариантом в реакторах типа PWR могут быть топливные сборки, смонтированные так, что бланкет, состоящий главным образом из тория, покрывает затравочный элемент с большей степенью обогащения, содержащий U-235, который производит нейтроны для подкритического бланкета. Поскольку U-233 производится в бланкете, он там же и сгорает. Здесь речь следует о легководном реакторе-бридере, который успешно прошел демонстрационные испытания в USA в 1970 годах.

Научно-исследовательские и конструкторские разработки

Возможность реализации ториевых топливных циклов изучается уже около 30 лет, однако значительно менее интенсивно, чем урановых или уран-плутониевых циклов. Основные исследовательские и конструкторские работы проводились в Германии, Индии, Японии, Рф, Великобритании и USA. Было проведено также и пробное облучение ториевого топлива в реакторах до получения высокого уровня выгорания. Полностью или частично загружались ториевым топливом несколько опытных реакторов.

К заслуживающим внимания экспериментам по ториевому циклу относятся следующие (первые три проводились на высокотемпературных реакторах с газовым охлаждением):

  • В период с 1967 по 1988 годы в Германии более 750 недель эксплуатировался экспериментальный реактор AVR с насыпным бланкетом при мощности 15 МегаВт. 95% всего периода работы реактора составляла работа на ториевом топливе. Топливо представляло собой 100000 топливных элементов в виде шариков. Общий вес ториевого топлива составлял 1360 кг; торий использовался в смеси с высокообогащенным ураном. Максимальная глубина выгорания составила 150000 МВт·сутки/т.
  • Ториевые ТВЭЛы, состоящие из тория и урана в соотношении 10:1, в течение 741 суток облучались в реакторе Dragon мощностью 20 МегаВт в английском городе Уинфит. Реактор Dragon эксплуатировался в рамках совместного проекта, в котором, наряду с Великобританией, с 1964 по 1973 годы участвовали Австрия, Дания, Швеция, Норвегия и Швейцария. Ториево-урановое топливо использовалось для производства U-233, который заменял потребляемый U-235 примерно в том же соотношении. Топливо могло работать в реакторе в течение шести лет.
  • В 1967-1974 годах в USA работал высокотемпературный реактор Peach Bottom на уран-ториевом топливе мощностью 110 МегаВт производства компании General Atomic.
  • В Индии в 1996 г. в Калпаккаме в качестве источника нейтронов был запущен экспериментальный исследовательский реактор Kamini мощностью 30 кВт, работавший на U-233, полученном путем облучения ThO 2 на другом реакторе. Реактор был построен неподалеку от бридерного реактора на быстрых нейтронах мощностью 40 МегаВт, в котором и облучался ThO 2 .
  • В Нидерландах в течение трех лет эксплуатировался гомогенный реактор с водяной смесью мощностью 1 МегаВт. В реакторе использовалось топливо в виде раствора высокообогащенного урана и тория; с целью удаления продуктов деления непрерывно велась переработка, в результате которой с высоким К.П.Д. производился U-233.
  • Проводился ряд экспериментов с реакторами на быстрых нейтронах.

Энергетические реакторы

  • На базе реактора AVR в Германии был разработан 300 МегаВт-реактор THTR, проработавший с 1983 по 1989 годы; реактор работал на насыпном бланкете из 674000 элементов, из которых больше половины представляло собой уран-ториевое топливо, а остальные – графитовый замедлитель и нейтронные поглотители. ТВЭЛы непрерывно обновлялись при загрузке, и в среднем прошли через реактор шесть раз. Производство топлива было поставлено на промышленную основу.
  • Реактор Fort St Vrain был единственным в USA коммерческим реактором, работавшем на ториевом топливе; этот реактор также был сконструирован на базе немецкого AVR и проработал с 1976 по 1989 годы. Это был высокотемпературный реактор (1300°С) с графитовым замедлителем и гелиевым охлаждением с проектной мощностью 842 МегаВт (330 МегаВт электрических). Топливные элементы были изготовлены из карбида тория и карбида Th/U-235 в виде микросфер, для удержания продуктов деления, покрытых диоксидом кремния и пироуглеродом. ТВЭЛы имели форму шестигранных колонн («призм»). В реакторе использовалось почти 25 тонн тория; глубина выгорания составила 170000 МВт·сутки/т.
  • Исследования ториевого топлива для реакторов типа PWR проводились на американском реакторе Shippingport; в качестве исходного делящегося материала топлива использовались U-235 и плутоний. Был сделан вывод, что торий серьезно не повлияет на режимы работы и сроки эксплуатации активной зоны. Здесь же с 1977 по 1982 годы успешно прошли испытания легководного бридерного реактора затравочно-бланкетного типа на ториево-урановом топливе, покрытым сплавом циркония.
  • В 60-мегаваттном реакторе Lingen типа BWR в Германии использовались Th/Pu-ТВЭЛы.

Индия

В Индии с целью повышения эффективности после запуска в блоки 1 и 2 А.Э.С в Какрапаре было загружено 500 кг ториевого топлива. 1-Ый блок А.Э.С был первым в мире реактором, в котором для выравнивания мощности в активной зоне использовался не обедненный уран, а торий. Работая на ториевом топливе, 1-й блок вышел на полную мощность за 300 суток, а 2-й блок – за 100 суток. Ториевое топливо планируется использовать в блоках 1 и 2 А.Э.С в Кайга и в блоках 3 и 4 А.Э.С в Раджастане, которые находятся в стадии строительства.

Обладая запасами тория, в шесть раз превышающими запасы урана, Индия в качестве основной задачи промышленного производства энергии поставила задачу внедрения ториевого цикла, которая будет решаться в три этапа:

  • тяжеловодные реакторы CANDU, работающие на топливе из природного урана, будут использоваться для наработки плутония;
  • реакторы-бридеры на быстрых нейтронах (FBR) на основе полученного плутония будут производить U-233 из тория;
  • перспективные тяжеловодные реакторы будут работать на U-233 и тории, получая 75% энергии из тория.

Отработанное топливо затем будет перерабатываться для восстановления делящихся материалов и их последующей переработки;

В качестве еще одной возможности для третьего этапа рассматриваются подкритические комплексы на ускорителях (ADS).

Разработка перспективных реакторов

Конструкторские решения по перспективным реакторам на ториевом топливе включают:

  • Легководные реакторы, использующие в качестве топлива оксид плутония (PuO 2), оксид тория (ThO 2) и(или) оксид урана (UO 2), из которых изготовляются стержневые ТВС.
  • Высокотемпературные реакторы с газовым охлаждением (HTGR) двух типов – с насыпным бланкетом и призматическими топливными сборками.
  • Газотурбинные модульные реакторы с гелиевым охлаждением (GT-MHR). Результатом проведенных в USA исследований на реакторах типа HTGR стали призматические ТВС. Использование гелия для охлаждения при высоких температурах и сравнительно небольшая выходная энергия на модуль (600 МВт) позволяет скомбинировать модульную конструкцию с газовой турбиной (цикл Брайтона), что повышает производство тепловой энергии почти на 50%. Активная зона таких реакторов допускает применение широкого спектра конструкций ТВС, в том числе ВОУ/Th и Pu/Th. Использование ВОУ/Th-топлива было продемонстрировано на американском реакторе Fort St Vrain.
  • Модульный реактор с насыпным бланкетом (PBMR). Сконструирован в Южной Африке на основе результатов проведенных в Германии исследований. Сейчас работы ведутся международным консорциумом. Позволяет использовать ториевые насыпные бланкеты.
  • Реакторы на солевом расплаве. Перспективный реактор-бридер, в котором ториевое топливо используется в виде солевого расплава, не требуя дополнительного внешнего охлаждения. Хладагент первичного контура проходит через теплообменник, где тепловая энергия реакции деления передается в рабочий материал вторичного контура с целью генерации пара. Детальные исследования концепции проводились в 60-е годы ХХ века; сейчас они возобновились в связи с появлением передовых технологий производства материалов.
  • Перспективные тяжеловодные реакторы (AHWR). В Индии в настоящее время ведутся работы по этому направлению. Как и канадский реактор CANDU-NG, индийский реактор мощностью 250 МегаВт охлаждается обычной водой. Основная часть активной зоны состоит из смеси оксидов тория и U-233 в подкритическом состоянии; пропорции смеси таковы, что U-233 самовоспроизводится. Реакция управляется несколькими затравочными зонами на основе обычного МОХ-топлива.
  • Утилизация плутония. Сегодня в некоторых реакторах используется МОХ-топливо (U, Pu). Альтернатива состоит в использовании торий-плутониевого топлива; в этом случае реактор работает на плутонии, производя делящийся U-233, который после разделения можно использовать в составе уран-ториевого топливного цикла.

Применение тория в комплексах с ускорителями (ADS)

В комплексах с ускорителями высокоэнергетические нейтроны производятся за счет реакции расщепления ядер высокоэнергетическими протонами ускорителя, соударяющимися с тяжелыми ядрами мишени (свинец, свинец-висмут или другие элементы). Эти нейтроны можно направить в субкритический реактор, содержащий торий, где нейтроны производят U-233 и обеспечивают его деление. Существует возможность обеспечения самоподдерживающейся реакции деления, которую можно направить либо на производство энергии, либо на трансмутацию актиноидов, образующихся в результате U/Pu топливного цикла. Использование тория вместо урана означает, что в самом реакторе ADS будет производиться меньшее число актиноидов.

Разработка ториевого топливного цикла

Проблемы, связанные с решением этой задачи, сводятся к высокой стоимости производства топлива частично вследствие высокой радиоактивности U-233, который всегда содержит U-232; аналогичные проблемы касаются и переработки тория вследствие высокой радиоактивности Th-228, определенного риска распространения U-233 как оружейного материала, а также ряда технических проблем переработки (пока не решенных должным образом). Предстоит проделать большую работу, прежде чем ториевый цикл будет поставлен на коммерческую основу, но пока можно в больших количествах добывать уран, такая работа представляется маловероятной.

Тем не менее, ториевый цикл с его потенциалом по воспроизводству без использования реакторов на быстрых нейтронах сохранит свою перспективность еще в течение длительного времени. Этот цикл является определяющим фактором в развитии самодостаточной ядерной энергетики.

Входящих в III группу периодической системы Менделеева; атомный номер 90, атомная масса 232,038; серебристо-белый пластичный металл. Природный Торий практически состоит из одного долгоживущего изотопа 232 Th - родоначальника одного из радиоактивных рядов - с периодом полураспада Т ½ = 1,39·10 10 лет (содержание изотопа 228 Th, находящегося с ним в равновесии, ничтожно - 1,37·10 -8 %) и четырех короткоживущих изотопов, два из которых относятся к радиоактивному ряду урана - радия: 234 Th (Т ½ = 24,1 сут) и 230 Th (Т ½ = 8,0·10 4 лет), остальные - к ряду актиния: 23l Th (Т ½ = 25,6 ч) и 227 Th (Т ½ = 18,17 сут). Из искусственно полученных изотопов наиболее устойчив 229 Th (Т ½ = 7340 лет).

Торий открыт в 1828 году Й. Я. Берцелиусом в одном из сиенитов в Норвегии. Элемент назван по имени бога грома в скандинавской мифологии - Тора, а минерал - силикат тория - торитом.

Распространение Тория в природе. Торий - 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. Торий 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 Торий. Торий содержится в монаците, уранините, цирконе, апатите, ортите и других. Основной промышленного источник Тория - монацитовые россыпи (морские и континентальные). В природных водах содержится особенно мало Тория: в пресной воде 2·10 -9 %, в морской воде 1·10 -9 %. Он очень слабо мигрирует в биосфере и гидротермальных растворах.

Физические свойства Тория. Торий существует в виде двух модификаций: α-формы с гранецентрированной кубической решеткой при температуре до 1400 °С (а = 5,086 Å) и β-формы с объемноцентрированной кубической решеткой при температуре выше 1400 °С (а = 4,11 Å). Плотность Тория (рентгенографическая) 11,72 г/см 3 (25 °С); атомный диаметр в α-форме 3,59 Å, в β-форме 3,56 Å; ионные радиусы Th 3+ 1,08 Å, Th 4+ 0,99 Å; t пл 1750 °С; t кип 3500-4200 °С.

Мольная теплоемкость Тория 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 . Торий парамагнитен; удельная магнитная восприимчивость 0,54·10 -6 (20 °С). При 1,4К переходит в состояние сверхпроводимости.

Торий легко деформируется на холоду; механические свойства Тория сильно зависят от его чистоты, поэтому предел прочности при растяжении Тория варьирует от 150 до 290 Мн/м 2 (15-29 кгс/мм 2), твердость по Бринеллю от 450 до 700 Мн/м 2 (45-70 кгс/мм 2). Конфигурация внешних электронов атома Th 6d 2 7s 2 .

Химические свойства Тория. Хотя Торий 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 Торий имеет степень окисления +4.

На воздухе при комнатной температуре Торий окисляется незначительно, покрываясь защитной пленкой черного цвета; выше 400 °С быстро окисляется с образованием ThO 2 - единственного оксида, который плавится при 3200 °С и обладает высокой химические устойчивостью. Получают ThO 2 термическим разложением нитрата, оксалата или гидрооксида Тория. С водородом при температурах выше 200 °С Торий реагирует с образованием порошкообразных гидридов ThH 2 , ТhН 3 и другого состава. В вакууме при температуре 700-800 °С из Тория можно удалить весь водород. При нагревании в азоте выше 800 °С образуются нитриды ThN и Th 2 N 3 , которые разлагаются водой с выделением аммиака. С углеродом образует два карбида - ThC и ThC 2 ; они разлагаются водой с выделением метана и ацетилена. Сульфиды ThS, Th 2 S 3 , Th 7 S 12 , ThS 2 могут быть получены при нагревании металла с парами серы (600-800 °С). Торий реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами - при нагревании, с образованием галогенидов типа ThX 4 (где X - галоген). Наиболее важное промышленное значение из галогенидов имеют фторид ThF 4 и хлорид ТhCl 4 . Фторид получают действием HF на ThO 2 при повышенных температурах; хлорид - хлорированием смеси ThO 2 с углем при повышенных температурах. Фторид малорастворим в воде и минеральных кислотах; хлорид, бромид и иодид - гигроскопичны и хорошо растворимы в воде. Для всех галогенидов известны кристаллогидраты, выделяемые кристаллизацией из водных растворов.

Компактный Торий при температурах до 100 °С медленно корродирует в воде, покрываясь защитной оксидной пленкой. Выше 200 °С активно реагирует с водой с образованием ThO 2 и выделением водорода. Металл на холоду медленно реагирует с азотной, серной и плавиковой кислотами, легко растворяется в соляной кислоте и царской водке. Соли Тория образуются в виде кристаллогидратов. Растворимость солей в воде различна: хорошо растворимы нитраты Th(NO 3) 4 ·nH 2 O; труднорастворимы сульфаты Th(SO 4) 2 ·nH 2 O, основной карбонат ThOCO 3 ·8Н 2 О, фосфаты Th 3 (PO 4) 4 ·4Н 2 О и ThP 2 O 7 ·2H 2 O; практически нерастворим в воде оксалат Th(C 2 O 4) 2 ·6H 2 O. Растворы щелочей слабо действуют на Торий. Гидрооксид Th(OH) 4 осаждается из солей Тория в интервале рН = 3,5-3,6 в виде аморфного осадка. Для ионов Th 4+ в водных растворах характерна ярко выраженная способность к образованию комплексных соединений и двойных солей.

Получение Тория. Торий 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 щелочи при 140 °С. В сернокислые растворы продуктов сульфатизации переходят все редкоземельные элементы, Торий и фосфорная кислота. При доведении рН такого раствора до 1 осаждается фосфат Тория; осадок отделяют и растворяют в азотной кислоте, а затем нитрат Тория экстрагируют органических растворителем, из которого Торий легко вымывается в виде комплексных соединений. При щелочном вскрытии концентратов в осадке остаются гидрооксиды всех металлов, а в раствор переходит тринатрийфосфат. Осадок отделяют и растворяют в соляной кислоте; понижая рН этого раствора до 3,6-5, осаждают Торий в виде гидрооксида. Из выделенных и очищенных соединений Тория получают ThO 2 , ThCl 4 и ThF 4 - основные исходные вещества для производства металлического Тория металлотермическими методами или электролизом расплавленных солей. К металлотермическим методам относятся: восстановление ThO 2 кальцием в присутствии СаCl 2 в атмосфере аргона при 1100-1200 °С, восстановление ТhCl 4 магнием при 825-925 °С и восстановление ThF 4 кальцием в присутствии ZnCl 2 с получением сплава Тория и последующим отделением цинка нагреванием сплава в вакуумной печи при 1100 °С. Во всех случаях получают Торий в форме порошка или губки. Электролиз расплавленных солей ведется из электролитов, содержащих ThCl 4 и NaCl, или ванн, состоящих из смеси ThF 4 , NaCl, KCl. Торий выделяется на катоде в виде порошка, отделяемого затем от электролита обработкой водой или разбавленными щелочами. Для получения компактного Торий применяют метод порошковой металлургии (спекание заготовок ведут в вакууме при 1100-1350 °С) или плавку в индукционных вакуумных печах в тиглях из ZrO 2 или ВеО. Для получения Тория особо высокой чистоты используют метод термической диссоциации иодида Тория.

Применение Тория. Торированные катоды применяются в электронных лампах, а оксидно-ториевые - в магнетронах и мощных генераторных лампах. Добавка 0,8-1% ThO 2 к вольфраму стабилизирует структуру нитей ламп накаливания. ThO 2 используют как огнеупорный материал, а также как элемент сопротивления в высокотемпературных печах. Торий и его соединения широко применяют в составе катализаторов в органических синтезе, для легирования магниевых и других сплавов, которые приобрели большое значение в реактивной авиации и ракетной технике. Металлический Торий используется в ториевых реакторах.

При работе с Торий необходимо соблюдать правила радиационной безопасности.

Торий в организме. Торий постоянно присутствует в тканях растений и животных. Коэффициент накопления Тория (т. е. 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 %. Торий поглощается главным образом печенью и селезенкой, а также костным мозгом, лимфатическими железами и надпочечниками; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное 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.