Ториевый топливный цикл — это ядерный топливный цикл , в котором используется изотоп тория .232
че
, как плодородный материал . В реакторе,232
че
трансмутируется в делящийся искусственный изотоп урана .233
ты
что является ядерным топливом . В отличие от природного урана , природный торий содержит лишь следовые количества делящегося материала (например,231
че
), которых недостаточно для инициирования цепной ядерной реакции . Для инициирования топливного цикла необходим дополнительный делящийся материал или другой источник нейтронов. В ториевом реакторе232
че
поглощает нейтроны с образованием233
ты
. Это аналогично процессу в реакторах-размножителях урана , при котором воспроизводящие238
ты
поглощает нейтроны с образованием делящегося239
Пу
. В зависимости от конструкции реактора и топливного цикла вырабатываемый233
ты
либо делится на месте , либо химически отделяется от использованного ядерного топлива и превращается в новое ядерное топливо.
Ториевый топливный цикл имеет несколько потенциальных преимуществ по сравнению с урановым топливным циклом , в том числе большее распространение тория , превосходные физические и ядерные свойства, снижение производства плутония и актинидов [1] и лучшую устойчивость к распространению ядерного оружия при использовании в традиционном легководном реакторе [ 1]. 1] [2] хотя и не в реакторе с расплавленными солями . [3] [4] [5]
Обеспокоенность по поводу ограничений мировых ресурсов урана стимулировала первоначальный интерес к ториевому топливному циклу. [6] Предполагалось, что по мере истощения запасов урана торий будет дополнять уран в качестве воспроизводящего материала. Однако в большинстве стран урана было относительно много, а исследования ториевых топливных циклов пошли на убыль. Заметным исключением стала трехэтапная ядерно-энергетическая программа Индии . [7] В двадцать первом веке заявленный потенциал тория для улучшения устойчивости к распространению и улучшения характеристик отходов привел к возобновлению интереса к ториевому топливному циклу. [8] [9] [10] Хотя торий более распространен в континентальной коре, чем уран, и легко извлекается из монацита в качестве побочного продукта добычи редкоземельных элементов , в морской воде его гораздо меньше, чем урана. [11]
В Национальной лаборатории Ок-Ридж в 1960-х годах был проведен эксперимент с реактором на расплавленной соли.233
ты
в качестве расщепляющегося топлива в эксперименте по демонстрации части реактора-размножителя на расплавленной соли, который был разработан для работы в ториевом топливном цикле. В экспериментах с реактором на расплавленных солях (MSR) оценивалась возможность использования тория с использованием фторида тория (IV), растворенного в расплавленной солевой жидкости, что устранило необходимость изготовления топливных элементов. Программа MSR была прекращена в 1976 году после увольнения ее покровителя Элвина Вайнберга . [12]
В 1993 году Карло Руббиа предложил концепцию усилителя энергии или «системы с приводом от ускорителя» (ADS), которую он рассматривал как новый и безопасный способ производства ядерной энергии с использованием существующих ускорительных технологий. Предложение Руббиа открывает потенциал для сжигания высокоактивных ядерных отходов и производства энергии из природного тория и обедненного урана . [13] [14]
Кирк Соренсен, бывший ученый НАСА и главный технолог Flibe Energy, долгое время был сторонником ториевого топливного цикла и, в частности, реакторов с жидким фторидом тория (LFTR). Впервые он исследовал ториевые реакторы, работая в НАСА , одновременно оценивая проекты электростанций, подходящих для лунных колоний. В 2006 году Соренсен основал Energyfromthorium.com для продвижения и распространения информации об этой технологии. [15]
Исследование MIT 2011 года пришло к выводу, что, хотя барьеров для ториевого топливного цикла мало, при нынешних или ближайших конструкциях легководных реакторов также мало стимулов для какого-либо значительного проникновения на рынок. Таким образом, они приходят к выводу, что на современном рынке ядерной энергетики маловероятно, что ториевые циклы заменят традиционные урановые циклы, несмотря на потенциальные выгоды. [16]
В ториевом цикле топливо образуется, когда232
че
захватывает нейтрон (будь то в быстром или тепловом реакторе ) , чтобы стать233
че
. Обычно это испускает электрон и антинейтрино (
ν
) к
β−
распадаться , чтобы стать233
Па
. Затем он испускает еще один электрон и антинейтрино на секунду.
β−
распадаться, чтобы стать233
ты
, топливо:
В результате ядерного деления образуются радиоактивные продукты деления , период полураспада которых может составлять от нескольких дней до более 200 000 лет . Согласно некоторым исследованиям токсичности, [17] ториевый цикл может полностью перерабатывать актинидные отходы и выделять только отходы продуктов деления, а через несколько сотен лет отходы ториевого реактора могут быть менее токсичными, чем урановая руда , которая была бы использована. для производства низкообогащенного уранового топлива для легководного реактора такой же мощности. Другие исследования предполагают некоторые потери актинидов и обнаруживают, что актинидные отходы будут доминировать по радиоактивности отходов ториевого цикла в некоторые будущие периоды. [18] Некоторые продукты деления были предложены для ядерной трансмутации , что еще больше сократило бы количество ядерных отходов и продолжительность их хранения (будь то в глубоком геологическом хранилище или в другом месте). Однако, хотя принципиальная осуществимость некоторых из этих реакций была продемонстрирована в лабораторных масштабах, по состоянию на 2022 год не существует крупномасштабной преднамеренной трансмутации продуктов деления где-либо в мире, и предстоящий исследовательский проект MYRRHA по трансмутации в основном сосредоточен на трансурановых отходах. Кроме того, сечение некоторых продуктов деления относительно невелико, а другие, такие как цезий, присутствуют в виде смеси стабильных, короткоживущих и долгоживущих изотопов в ядерных отходах, что делает трансмутацию зависимой от чрезвычайно дорогостоящего разделения изотопов .
В реакторе, когда нейтрон сталкивается с делящимся атомом (например, некоторыми изотопами урана), он либо расщепляет ядро, либо захватывает и трансмутирует атом. В случае233
ты
, трансмутации имеют тенденцию производить полезное ядерное топливо, а не трансурановые отходы. Когда233
ты
поглощает нейтрон, он либо делится, либо превращается в234
ты
. Вероятность деления при поглощении теплового нейтрона составляет около 92%; отношение захвата к делению233
ты
следовательно, составляет около 1:12, что лучше, чем соответствующие отношения захвата и деления235
ты
(около 1:6) или239
Пу
или241
Пу
(оба примерно 1:3). [6] [19] В результате получается меньше трансурановых отходов, чем в реакторе, использующем уран-плутониевый топливный цикл.
234
ты
, как и большинство актинидов с четным числом нейтронов, не делится, но захват нейтронов приводит к делению.235
ты
. Если делящийся изотоп не делится при захвате нейтронов, он производит236
ты
,237
Нп
,238
Пу
и, в конечном итоге, делящийся239
Пу
и более тяжелые изотопы плутония . 237
Нп
можно удалить и хранить как отходы или сохранить и превратить в плутоний, где большая его часть делится, а остальная часть превращается в плутоний.242
Пу
, затем америций и кюрий , которые, в свою очередь, можно удалить как отходы или вернуть в реакторы для дальнейшей трансмутации и деления.
Однако231
Па
(с периодом полураспада3,27 × 10 4 лет ), образующихся в результате ( n ,2 n ) реакций с232
че
(уступчивый231
че
который распадается на231
Па
), хотя и не является трансурановыми отходами, но вносит основной вклад в долгосрочную радиотоксичность отработавшего ядерного топлива. Пока231
Pa в принципе можно преобразовать обратно в232
Из -за поглощения нейтронов сечение поглощения нейтронов относительно невелико, что делает этот процесс довольно трудным и, возможно, неэкономичным.
232
ты
также образуется в этом процессе посредством ( n ,2 n ) реакций между быстрыми нейтронами и233
ты
,233
Па
, и232
че
:
В отличие от большинства четных тяжелых изотопов,232
ты
также является делящимся топливом, делящимся чуть более половины времени, когда оно поглощает тепловые нейтроны. [20] 232
ты
имеет относительно короткий период полураспада (68,9 лет ), а некоторые продукты распада испускают гамма-излучение высокой энергии , например220
Рн
,212
Би
и особенно208
Тл
. Полная цепочка распада вместе с периодами полураспада и соответствующими гамма-энергиями выглядит так:
232
ты
распадается на228
че
где он присоединяется к цепочке распада232
че
Топливо ториевого цикла производит жесткие гамма-излучения , которые повреждают электронику, ограничивая их использование в бомбах.232
ты
невозможно химически отделить от233
ты
из отработанного ядерного топлива ; однако химическое отделение тория от урана удаляет продукт распада.228
че
и излучение остальной части цепочки распада, которое постепенно накапливается по мере228
че
повторно накапливается. Загрязнения можно также избежать, используя реактор-размножитель с расплавленной солью и отделяя233
Па
прежде чем он распадется на233
ты
. [3] Жесткие гамма-излучения также создают радиологическую опасность, которая требует дистанционного управления во время переработки.
Как воспроизводящий материал торий подобен238
ты
, основная часть природного и обедненного урана. Сечение поглощения тепловых нейтронов (σ a ) и резонансный интеграл (среднее значение сечений нейтронов по промежуточным энергиям нейтронов) для232
че
примерно в три и одну треть раза превышают соответствующие значения для238
ты
.
Основное физическое преимущество ториевого топлива заключается в том, что оно уникальным образом делает возможным создание реактора-размножителя , работающего на медленных нейтронах , также известного как тепловой реактор-размножитель . [6] Эти реакторы часто считаются более простыми, чем более традиционные размножители быстрых нейтронов. Хотя сечение деления тепловыми нейтронами (σ f ) образующегося233
ты
сравнимо с235
ты
и239
Пу
, он имеет гораздо меньшее сечение захвата (σ γ ), чем два последних делящихся изотопа, что обеспечивает меньшее поглощение неделящихся нейтронов и улучшенную экономию нейтронов . Отношение высвободившихся нейтронов на один поглощенный нейтрон (η) в233
ты
больше двух в широком диапазоне энергий, включая тепловой спектр. Реактор-размножитель в уран-плутониевом цикле должен использовать быстрые нейтроны, поскольку в тепловом спектре один нейтрон поглощается239
Пу
в среднем приводит к образованию менее двух нейтронов.
По оценкам, тория в земной коре примерно в три-четыре раза больше, чем урана, [21] хотя нынешние знания о его запасах ограничены. Текущий спрос на торий удовлетворяется как побочный продукт добычи редкоземельных элементов из монацитовых песков. Примечательно, что в морской воде растворено очень мало тория, поэтому добыча морской воды нецелесообразна, как в случае с ураном. Используя реакторы-размножители, известные ресурсы тория и урана могут генерировать энергию мирового масштаба в течение тысяч лет.
Топливо на основе тория также демонстрирует благоприятные физические и химические свойства, которые улучшают работу реакторов и хранилищ . По сравнению с преобладающим реакторным топливом диоксид урана ( UO
2), диоксид тория ( ThO
2) имеет более высокую температуру плавления , более высокую теплопроводность и более низкий коэффициент теплового расширения . Диоксид тория также проявляет большую химическую стабильность и, в отличие от диоксида урана, не окисляется дальше . [6]
Поскольку233
ты
произведенный на ториевом топливе, значительно загрязнен232
ты
В предлагаемых конструкциях энергетических реакторов отработанное ядерное топливо на основе тория обладает присущей ему устойчивостью к распространению .232
ты
невозможно химически отделить от233
ты
и имеет несколько продуктов распада , испускающих высокоэнергетическое гамма-излучение . Эти фотоны высокой энергии представляют собой радиологическую опасность , которая требует использования дистанционного обращения с выделенным ураном и помогает в пассивном обнаружении таких материалов.
Долгосрочный (порядка примерно10 3 до10 6 лет ) в радиологической опасности обычного отработанного ядерного топлива на основе урана преобладают плутоний и другие второстепенные актиниды , после чего долгоживущие продукты деления снова вносят значительный вклад. Одиночный захват нейтрона в238
ты
достаточно для производства трансурановых элементов , тогда как для этого обычно требуется пять захватов232
че
. 98–99% топливных ядер ториевого цикла будут делиться при любой233
ты
или235
ты
, поэтому производится меньше долгоживущих трансуранов. По этой причине торий является потенциально привлекательной альтернативой урану в составе смешанного оксидного (МОКС) топлива, поскольку позволяет свести к минимуму образование трансурановых соединений и максимизировать разрушение плутония. [22]
Существует несколько проблем при применении тория в качестве ядерного топлива, особенно для твердотопливных реакторов:
В отличие от урана, встречающийся в природе торий фактически является мононуклидным и не содержит делящихся изотопов; делящийся материал, как правило,233
ты
,235
ты
или плутоний, необходимо добавить для достижения критичности . Это, наряду с высокой температурой спекания , необходимой для изготовления топлива из диоксида тория, усложняет изготовление топлива. Национальная лаборатория Ок-Риджа экспериментировала с тетрафторидом тория в качестве топлива в реакторе с расплавленными солями с 1964 по 1969 год, который, как ожидалось, будет легче обрабатывать и отделять от примесей, которые замедляют или останавливают цепную реакцию.
В открытом топливном цикле (т.е. с использованием233
ты
in situ), для достижения благоприятной нейтронной экономики необходимо более высокое выгорание . Хотя диоксид тория показал хорошие результаты при выгорании 170 000 МВт/т и 150 000 МВт/т на электростанции Форт-Сент-Врейн и AVR соответственно, [6] проблемы усложняют достижение этого в легководных реакторах (LWR), которые составляют подавляющее большинство существующих энергетические реакторы.
В прямоточном ториевом топливном цикле топливо на основе тория производит гораздо меньше долгоживущих трансурановых соединений , чем топливо на основе урана, некоторые долгоживущие актинидные продукты представляют собой долгосрочное радиологическое воздействие, особенно231
Па
и233
ты
. [17] В замкнутом цикле233
ты
и231
Па
могут быть переработаны.231
Па
также считается отличным поглотителем выгорающих ядов в легководных реакторах. [23]
Еще одной проблемой, связанной с ториевым топливным циклом, является сравнительно длительный интервал, в течение которого232
че
размножается233
ты
. Период полураспада _233
Па
составляет около 27 дней, что на порядок превышает период полураспада239
Нп
. В результате существенное233
Па
развивается в топливе на основе тория.233
Па
является значительным поглотителем нейтронов и, хотя со временем превращается в делящийся235
ты
, для этого требуется еще два поглощения нейтронов, что ухудшает нейтронную экономику и увеличивает вероятность производства трансурановых соединений .
Альтернативно, если твердый торий используется в замкнутом топливном цикле , в котором233
ты
перерабатывается , при изготовлении топлива необходимо дистанционное обращение из-за высоких уровней радиации , возникающих в результате продуктов распада топлива.232
ты
. Это справедливо и в отношении переработанного тория из-за присутствия228
че
, который является частью232
ты
последовательность распада. Кроме того, в отличие от проверенной технологии переработки уранового топлива (например, PUREX ), технология переработки тория (например, THOREX) находится только в стадии разработки.
Хотя наличие232
ты
Ситуация усложняется, существуют общедоступные документы, показывающие, что233
ты
однажды использовался при испытании ядерного оружия . США испытали композит233
ты
Ядро плутониевой бомбы при взрыве MET (испытание военного воздействия) во время операции «Чайник» в 1955 году, хотя и с гораздо меньшей мощностью, чем ожидалось. [24]
Сторонники реакторов с жидкой активной зоной и расплавленных солей, таких как LFTR, утверждают, что эти технологии сводят на нет недостатки тория, присутствующие в реакторах на твердом топливе. Поскольку были построены только два реактора на основе фторидных солей с жидкой активной зоной (ORNL ARE и MSRE ), и ни в одном из них не использовался торий, трудно оценить точные преимущества. [6]
Ториевое топливо используется в нескольких различных типах реакторов, включая легководные реакторы , тяжеловодные реакторы , высокотемпературные газовые реакторы , быстрые реакторы с натриевым охлаждением и реакторы на расплавленных солях . [25]
Из документа IAEA TECDOC-1450 «Ториевый топливный цикл – потенциальные выгоды и проблемы», таблица 1: Использование тория в различных экспериментальных и энергетических реакторах. [6] Дополнительно из Управления энергетической информации, «Выбросы отработанного ядерного топлива из реакторов США», Таблица B4: Дрезден 1, сборочный класс. [26]
Портал ядерных технологий Энергетический портал
{{cite web}}
: CS1 maint: archived copy as title (link)Однако мы обеспокоены тем, что другие процессы, которые могут проводиться на меньших предприятиях, могут использоваться для преобразования 232Th в 233U при минимизации загрязнения 232U, что создает угрозу распространения.
Примечательно, что химическое разделение промежуточного изотопа — протактиния-233, который распадается на 233U, вызывает беспокойство.
... Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) считает 8 килограммов урана-233 достаточным для создания ядерного оружия1.
Таким образом, 233U представляет угрозу распространения.
Согласно компьютерному моделированию, проведенному в ISN, этот протактиний доминирует по остаточной токсичности потерь при
10 000 лет
Сечения тепловых нейтронов в амбарах (изотоп, захват:деление, ж/ж+ц, ж/ц) 233U 45,26:531,3 92,15% 11,74;
235U 98,69:585,0 85,57% 5,928;
239Pu 270,7:747,9 73,42% 2,763;
241Pu 363,0:1012 73,60% 2,788.