Торий в ядерной энергетике: плюсы, минусы, подводные камни.

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

Загрузка ториевой ТВС в норвежский исследовательский реактор Halden.

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

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

Таким образом, первый момент, почему мы не видим сотни реакторов на тории, весело снабжающих мир электричеством - торий не является ядерным топливом. Он имеет смысл только в составе замкнутого ядерного топливного цикла(ЗЯТЦ), который полноценно так нигде и не был воплощен. Так же как и ЗЯТЦ на уране, торию будут нужны быстрые реакторы с коэффициентом воспроизводства больше 1, радиохимические перерабатывающие заводы и прочие фишки ЗЯТЦ.

Фактически, Th232 - это конкурент U238 - вещество, которое можно превратить в ядерное топливо. Если говорить в общем у каждого из кандидатов в ядерное топливо есть свои плюсы и минусы

1. В земной коре тория в несколько раз больше, чем урана. Это плюс торию.

2. У тория нет проблем с минорными актиноидами, топливо на основе ториевого цикла становится не радиоактивным уже через несколько сот лет против сотен тысяч у уранового цикла. Это его главный плюс.

3. Однако торий надо добыть, в то время как 3,5 млн тонн урана уже лежат на складах

4. При трансмутации Th232->U233 образуется промежуточный Pa233, который довольно долго распадается и является нейтронным ядом. Это огромный минус, о нем мы поговорим ниже.

5. Побочный изотоп U232, который будет нарабатываться в топливе с торием дает при распаде цепочку жестких гамма-излучателей, которые резко осложняют переработку ОЯТ.

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

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

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

Итак, что за проблема минорных актиноидов? При работе ядерного реактора на обычном, человеческом топливе из 3-5% U235  и 95-97% U238 при поглощении нейтронами образуются разнообразные неприятные вещества - минорные актиноиды. К ним относят нептуний Np-237, изотопы америция Am-241, -243, кюрия Cm-242, -244, -245. Все они радиоактивны, и довольно неприятно - мощные гамма излучатели. Однако в свежем ОЯТ их будет совсем немного - несколько килограмм на тонну, против десятков килограмм продуктов деления (типа знаменитого Cs-137), которые еще более активны. В чем же проблема?

Превращения изотопов в урановом топливе в реакторе. 

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


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

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

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

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

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

Жидкосолевой реактор - вечный спутник идеи ториевой энергетики.

И тут же компенсирует его своими неприятными ядерно-физическими особенностями. Наработка ядерного топлива из U238->Pu239 и Th232->U233 происходит через генерацию промежуточных изотопов Np239 и Pa233 соответственно. Оба они являются “нейтронными ядами”, т. е. паразитно поглощают нейтроны, только вот период полураспада Протоактиния в 10 раз больше, т.е. содержание и топливе его в 10 раз больше. Это вызывает заметные проблемы при попытке сделать “классический” реактор на U233 и Th232. Из этой проблемы под руку с ториевым циклом ходит идея жидкосолевого реактора - емкости с расплавом “ядерной” соли FLiBe = LiF + BeF2 и добавленными туда фторидами Th232 и U233. 



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

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

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

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