Ториевый топливный цикл — это ядерный топливный цикл , в котором используется изотоп тория .232
Чт
, как фертильный материал . В реакторе,232
Чт
трансмутируется в делящийся искусственный изотоп урана233Учто является ядерным топливом . В отличие от природного урана , природный торий содержит только следовые количества делящегося материала (например,231
Чт
), которые недостаточны для инициирования ядерной цепной реакции . Для инициирования топливного цикла необходим дополнительный расщепляющийся материал или другой источник нейтронов. В реакторе с торием,232
Чт
поглощает нейтроны , чтобы произвести233
У
. Это соответствует процессу в реакторах-размножителях урана , в ходе которого воспроизводимый238Упоглощает нейтроны, образуя делящиеся239
Пу
. В зависимости от конструкции реактора и топливного цикла, генерируется233
У
либо расщепляется на месте , либо химически отделяется от отработанного ядерного топлива и преобразуется в новое ядерное топливо.
Ториевый топливный цикл имеет несколько потенциальных преимуществ по сравнению с урановым топливным циклом , включая большую распространенность тория , превосходные физические и ядерные свойства, сниженное производство плутония и актинидов [1] и лучшую устойчивость к распространению ядерного оружия при использовании в традиционном легководном реакторе [1] [2] , но не в реакторе на расплавленной соли . [3] [4] [5]
Опасения по поводу ограниченности мировых ресурсов урана послужили причиной первоначального интереса к ториевому топливному циклу. [6] Предполагалось, что по мере истощения запасов урана торий будет дополнять уран в качестве плодородного материала. Однако для большинства стран уран был относительно распространен, и исследования в области ториевого топливного цикла пошли на убыль. Заметным исключением стала трехступенчатая программа ядерной энергетики Индии . [7] В двадцать первом веке заявленный потенциал тория для улучшения устойчивости к распространению и характеристик отходов привел к возобновлению интереса к ториевому топливному циклу. [8] [9] [10] Хотя торий более распространен в континентальной коре, чем уран, и его легко извлекать из монацита в качестве побочного продукта добычи редкоземельных элементов , в морской воде он встречается гораздо реже, чем уран. [11]
В 1960-х годах в Национальной лаборатории Оук-Ридж был проведен эксперимент с реактором на расплавленной соли.233
У
в качестве расщепляющегося топлива в эксперименте по демонстрации части реактора-размножителя на расплавленных солях, который был разработан для работы на ториевом топливном цикле. Эксперименты с реактором на расплавленных солях (MSR) оценивали осуществимость тория, используя фторид тория (IV), растворенный в расплавленной солевой жидкости, что исключало 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, управляемой ускорителем» (ADS), которую он рассматривал как новый и безопасный способ производства ядерной энергии, использующий существующие технологии ускорителей. Предложение Руббиа предлагало возможность сжигать высокоактивные ядерные отходы и производить энергию из природного тория и обедненного урана . [13] [14]
Кирк Соренсен, бывший ученый NASA и главный технолог Flibe Energy, долгое время пропагандировал ториевый топливный цикл и, в частности, реакторы на жидком фториде тория (LFTR). Впервые он исследовал ториевые реакторы, работая в NASA , при оценке проектов электростанций, подходящих для лунных колоний. В 2006 году Соренсен запустил "energyfromthorium.com" для продвижения и предоставления информации об этой технологии. [15]
Исследование Массачусетского технологического института 2011 года пришло к выводу, что хотя существует мало препятствий для ториевого топливного цикла, при текущих или краткосрочных конструкциях легководных реакторов также мало стимулов для значительного проникновения на рынок. Таким образом, они приходят к выводу, что маловероятно, что ториевые циклы заменят обычные урановые циклы на текущем рынке ядерной энергетики, несмотря на потенциальные выгоды. [16]
В ториевом цикле топливо образуется, когда232
Чт
захватывает нейтрон (будь то в быстром реакторе или тепловом реакторе ), чтобы стать233
Чт
. Обычно это испускает электрон и антинейтрино (
ν
) к
β−
распад , чтобы стать233
Па
. Затем это испускает еще один электрон и антинейтрино вторым
β−
распад, чтобы стать233
У
, топливо:
Ядерное деление производит радиоактивные продукты деления , которые могут иметь период полураспада от нескольких дней до более чем 200 000 лет . Согласно некоторым исследованиям токсичности, [17] ториевый цикл может полностью перерабатывать отходы актинидов и выделять только отходы продуктов деления, и через несколько сотен лет отходы из ториевого реактора могут быть менее токсичными, чем урановая руда , которая использовалась бы для производства низкообогащенного уранового топлива для легководного реактора той же мощности. Другие исследования предполагают некоторые потери актинидов и обнаруживают, что отходы актинидов доминируют в радиоактивности отходов ториевого цикла в некоторые будущие периоды. [18] Некоторые продукты деления были предложены для ядерной трансмутации , что еще больше сократит количество ядерных отходов и продолжительность, в течение которой их придется хранить (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 2024 год в мире не существует преднамеренной трансмутации продуктов деления в больших масштабах, и предстоящий исследовательский проект MYRRHA по трансмутации в основном сосредоточен на трансурановых отходах. Кроме того, поперечное сечение некоторых продуктов деления относительно низкое, а другие, такие как цезий, присутствуют в виде смеси стабильных, короткоживущих и долгоживущих изотопов в ядерных отходах, что делает трансмутацию зависимой от дорогостоящего разделения изотопов .
В реакторе, когда нейтрон сталкивается с делящимся атомом (например, с некоторыми изотопами урана), он либо расщепляет ядро, либо захватывается и трансмутирует атом. В случае233
У
, трансмутации, как правило, производят полезное ядерное топливо, а не трансурановые отходы. Когда233
У
поглощает нейтрон, он либо делится, либо становится234У. Вероятность деления при поглощении теплового нейтрона составляет около 92%; отношение захвата к делению233
У
, следовательно, составляет около 1:12 – что лучше, чем соответствующие отношения захвата к делению235У(примерно 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
У
, как и большинство актинидов с четным числом нейтронов, не делится, но захват нейтронов приводит к образованию делящихся235
У
. Если делящийся изотоп не делится при захвате нейтронов, он производит236У,237
Нп
,238
Пу
, и в конечном итоге расщепляющийся239
Пу
и более тяжелые изотопы плутония .237
Нп
может быть удален и сохранен как отходы или сохранен и преобразован в плутоний, где большая его часть делится, а остальная часть становится242
Пу
, затем америций и кюрий , которые в свою очередь могут быть удалены как отходы или возвращены в реакторы для дальнейшей трансмутации и деления.
Однако,231
Па
(с периодом полураспада3,27 × 10 4 лет ) образовалось в результате ( n ,2 n ) реакций с232
Чт
(уступающий231
Чт
который распадается на231
Па
), хотя и не является трансурановым отходом, вносит основной вклад в долгосрочную радиотоксичность отработанного ядерного топлива.231
Па в принципе можно преобразовать обратно в232
Благодаря поглощению нейтронов сечение поглощения нейтронов относительно невелико, что делает этот процесс довольно сложным и, возможно, неэкономичным.
232Утакже образуется в этом процессе посредством ( n ,2n ) реакций между быстрыми нейтронами и233
У
,233
Па
, и232
Чт
:
В отличие от большинства четных тяжелых изотопов,232
У
также является расщепляющимся топливом, расщепляющимся чуть более половины времени, когда оно поглощает тепловой нейтрон. [20] 232
У
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 следующим образом:
232
У
распадается на228
Чт
где он присоединяется к цепочке распада232
Чт
Топливо ториевого цикла производит жесткое гамма-излучение , которое повреждает электронику, что ограничивает его использование в бомбах.232
У
химически не может быть отделен от233
У
из отработанного ядерного топлива ; однако химическое разделение тория от урана удаляет продукт распада228
Чт
и излучение от остальной части цепочки распада, которое постепенно накапливается по мере228
Чт
повторно накапливается. Загрязнения также можно избежать, используя реактор-размножитель на расплавленной соли и разделяя233
Па
прежде чем он распадется на233
У
[3] Жесткое гамма-излучение также создает радиологическую опасность, требующую дистанционного управления во время переработки.
Как воспроизводимый материал торий похож на238
У
, основная часть природного и обедненного урана. Сечение поглощения тепловых нейтронов (σ a ) и резонансный интеграл (среднее значение сечений нейтронов по промежуточным энергиям нейтронов) для232
Чт
примерно в три и одну треть раза больше соответствующих значений для238
У
.
Основное физическое преимущество ториевого топлива заключается в том, что оно уникально делает возможным реактор-размножитель , работающий на медленных нейтронах , иначе известный как тепловой реактор-размножитель . [6] Эти реакторы часто считаются более простыми, чем более традиционные быстрые нейтронные размножители. Хотя сечение деления тепловых нейтронов (σ f ) полученного233
У
сопоставимо с235
У
и239
Пу
, он имеет гораздо меньшее сечение захвата (σ γ ), чем два последних делящихся изотопа, обеспечивая меньшее поглощение неделящихся нейтронов и улучшенную нейтронную экономичность . Отношение нейтронов, выпущенных на поглощенный нейтрон (η) в233
У
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 современные знания о запасах ограничены. Текущий спрос на торий удовлетворяется в качестве побочного продукта извлечения редкоземельных элементов из монацитовых песков. Примечательно, что в морской воде растворено очень мало тория, поэтому извлечение из морской воды нецелесообразно, как и в случае с ураном. При использовании реакторов-размножителей 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 реактора и хранилища . 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 далее . [6]
Потому что233
У
произведенное в ториевом топливе значительно загрязнено232
У
В предлагаемых конструкциях энергетических реакторов отработанное ядерное топливо на основе тория обладает изначальной устойчивостью к распространению .232
У
химически не может быть отделен от233
У
и имеет несколько продуктов распада , которые испускают гамма-излучение высокой энергии . Эти фотоны высокой энергии представляют собой радиологическую опасность , которая требует использования дистанционного обращения с отделенным ураном и помогает в пассивном обнаружении таких материалов.
Долгосрочные (примерно порядка10 3 к10 6 лет ) радиологическая опасность обычного уранового отработанного ядерного топлива определяется плутонием и другими второстепенными актинидами , после чего долгоживущие продукты деления снова становятся значительными вкладчиками. Одиночный захват нейтрона в238
У
достаточно для получения трансурановых элементов , тогда как для этого обычно необходимо пять захватов из232
Чт
. 98–99% ядер топлива ториевого цикла будут делиться либо233
У
или235
У
, поэтому образуется меньше долгоживущих трансурановых элементов. Из-за этого торий является потенциально привлекательной альтернативой урану в смешанном оксидном (МОКС) топливе для минимизации образования трансурановых элементов и максимального разрушения плутония. [22]
Применение тория в качестве ядерного топлива, особенно для твердотопливных реакторов, сопряжено с рядом проблем:
В отличие от урана, природный торий фактически является мононуклидным и не содержит делящихся изотопов; делящийся материал, как правило,233
У
,235
У
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-Ридж экспериментировала с тетрафторидом тория в качестве топлива в реакторе на расплавленной соли с 1964 по 1969 год, который, как ожидалось, будет легче обрабатывать и отделять от загрязняющих веществ, замедляющих или останавливающих цепную реакцию.
В открытом топливном цикле (т.е. с использованием233
У
in situ) для достижения благоприятной нейтронной экономики необходимо более высокое выгорание . Хотя диоксид тория показал себя хорошо при выгорании 170 000 МВт·д/т и 150 000 МВт·д/т на генерирующей станции Форт-Сент-Врейн и AVR соответственно, [6] проблемы усложняют достижение этого в легководных реакторах (LWR), которые составляют подавляющее большинство существующих энергетических реакторов.
В однократном ториевом топливном цикле топливо на основе тория производит гораздо меньше долгоживущих трансурановых элементов , чем топливо на основе урана, некоторые долгоживущие актинидные продукты оказывают долгосрочное радиологическое воздействие, особенно231
Па
и233
У
. [17] В замкнутом цикле,233
У
и231
Па
может быть подвергнут повторной переработке.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
Чт
породы для233
У
. Период полураспада233
Па
составляет около 27 дней, что на порядок больше периода полураспада239
Нп
. В результате, существенные233
Па
развивается в топливе на основе тория.233
Па
является значительным поглотителем нейтронов и, хотя в конечном итоге он размножается в делящиеся235
У
, это требует еще двух поглощений нейтронов, что ухудшает нейтронную экономичность и увеличивает вероятность образования трансурановых элементов .
В качестве альтернативы, если твердый торий используется в замкнутом топливном цикле , в котором233
У
перерабатывается , для изготовления топлива необходима дистанционная обработка из-за высокого уровня радиации , возникающего в результате распада продуктов232
У
. Это также относится к переработанному торию из-за присутствия228
Чт
, который является частью232
У
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 присутствие232
У
усложняет ситуацию, есть публичные документы, показывающие, что233
У
был использован один раз в испытании ядерного оружия . Соединенные Штаты провели испытания композитного233
У
-плутониевый сердечник бомбы при взрыве MET (испытание на военные эффекты) во время операции «Чайник» в 1955 году, хотя и с гораздо меньшей мощностью, чем ожидалось. [24]
Сторонники реакторов с жидким сердечником и расплавленными солями , таких как LFTR, утверждают, что эти технологии сводят на нет недостатки тория, присутствующие в твердотопливных реакторах. Поскольку было построено только два реактора с жидким сердечником на фторидных солях (ORNL ARE и MSRE ), и ни один из них не использовал торий, трудно подтвердить точные преимущества. [6]
Ториевое топливо использовалось в качестве топлива для нескольких различных типов реакторов, включая реакторы на легкой воде , реакторы на тяжелой воде , высокотемпературные газовые реакторы , быстрые реакторы с натриевым охлаждением и реакторы на расплавленных солях . [25]
Из МАГАТЭ 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, «Сбросы отработанного ядерного топлива из реакторов США», Таблица B4: Класс сборки Dresden 1. [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 установках, могут использоваться для преобразования 232Th в 233U при минимизации загрязнения 232U, что создает угрозу распространения. В частности, химическое разделение промежуточного изотопа — протактиния-233 — который распадается на 233U, вызывает беспокойство. ... Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) считает, что 8 килограммов 233U достаточно для создания ядерного оружия1. Таким образом, 233U представляет опасность распространения.
Согласно компьютерному моделированию, проведенному в ISN, этот протактиний доминирует над остаточной токсичностью потерь при
10 000 лет
Сечения тепловых нейтронов в барнах (изотоп, захват:деление, f/f+c, f/c) 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.