Ядерная энергетика на основе тория: потенциал, долгосрочные программы и перспективы

На фото: Китайская экспериментальная установка на солевых расплавах. Фото: Thorium Energy World. С точки зрения атомной промышленности торий привлекателен тем, что он может стать более доступной и эффективной заменой урану — основному источнику ядерного топлива. Однако использование тория для производства энергии связано с определенными трудностями. Что такое торий? Торий — это серебристый, слегка радиоактивный металл, встречающийся в магматических породах и тяжелых минеральных песках. Этот элемент был назван в честь Тора — бога грома из норвежской мифологии. Торий примерно в три-четыре раза более распространен в природе, чем уран, но исторически не нашел широкого применения в промышленности и энергетике. Отчасти это объясняется тем, что торий как таковой не является ядерным топливом, но может быть использован для его создания.

Торий-232 — единственный встречающийся в природе изотоп тория — является расщепляющимся, но не делящимся материалом. Это означает, что для расщепления атомных ядер тория и выделения энергии, используемой для производства электричества, необходимы высокоэнергетические нейтроны. Однако облучение тория-232 вызывает в нем ряд ядерных реакций, в результате которых образуется уран-233 — делящийся материал, который можно использовать в качестве топлива для ядерных реакторов.

В августе 2021 года Китай объявил о завершении строительства своего первого экспериментального ядерного реактора на основе тория. Реактор, расположенный на севере страны посреди пустыни Гоби, будет проходить испытания в течение нескольких последующих лет. Если эксперимент окажется успешным, Пекин планирует построить еще один реактор, способный вырабатывать электроэнергию для более 100 000 домохозяйств.

Китай — не единственная страна, задумывающаяся об использовании уникальных свойств тория. Индия, Россия, Соединенное Королевство, Соединенные Штаты Америки, Япония и другие страны также проявляли заинтересованность в проведении исследований по возможному использованию тория в ядерной энергетике.

В чем заключаются преимущества использования тория?

Торий имеет ряд преимуществ в сравнении с наиболее распространенным ядерным топливом — ураном-235. Количество делящегося материала (урана-233), производимого торием в ходе работы водоохлаждаемого реактора или реактора на соляных расплавах, может превышать количество потребляемого. По приблизительным данным, в верхнем слое земной коры содержится в среднем 10,5 частей на миллион тория по сравнению с примерно 3 частями на миллион урана.

«Благодаря своей доступности и способности производить делящийся материал, торий может стать долгосрочным решением энергетических проблем человечества», — говорит Кайлаш Агарвал, специалист МАГАТЭ по ядерному топливному циклу.

Среди других преимуществ — экологичность реакторов на тории, которая может быть гораздо выше, чем урановых аналогов. Помимо того, что эти реакторы — и ядерная энергетика в целом, в ходе работы не выделяют парниковых газов, они также производят меньше долгоживущих ядерных отходов, чем современные реакторы на урановом топливе.

Не без изъянов

Однако существует ряд экономических и технических препятствий, затрудняющих использование тория. Несмотря на его изобилие, добыча этого металла в настоящее время обходится довольно дорого.

«Минерал монацит, который является основным источником различных редкоземельных элементов, также является основным источником тория, — говорит Марк Михаласки, специалист МАГАТЭ по урановым ресурсам. — Монацит не добывался бы только из-за содержания в нем тория, если бы не нынешний спрос на редкоземельные элементы. Торий является побочным продуктом, а добыча тория требует использования более дорогостоящих методов, чем добыча урана. В связи с этим количество тория, которое можно извлечь из земли экономически эффективным способом в данный момент меньше, чем количество урана. Однако ситуация может измениться, если спрос на торий и его применение в ядерной энергетике возрастет».

Из-за отсутствия значительного опыта работы с торием и историческое преобладание использования урана в ядерной энергетике исследования, разработка и испытания установок, работающих на ториевом топливе, являются не менее дорогостоящими.

«Проблематичным в использовании тория является и то, что его может быть сложно обрабатывать, — говорит Анжелика Хаперская, технический руководитель по вопросам разработки ядерного топлива и объектам топливного цикла в МАГАТЭ. — Будучи воспроизводящим, но не делящимся материалом, торий нуждается во вспомогательных материалах, таких как уран или плутоний, которые помогут запустить и поддерживать цепную реакцию».

«Для удовлетворения растущего спроса на энергию и достижения глобальных климатических целей мир ищет альтернативные устойчивые и надежные способы энергопроизводства. Использование тория может стать одним из них, — отмечает Клеман Хилл, руководитель секции в МАГАТЭ. — Мы продолжим исследования, чтобы предоставить достоверные и научно обоснованные результаты тем, кто заинтересован в работе с торием».

Хотите узнать больше о трудностях, связанных с использованием тория?

В новой публикации МАГАТЭ Near-Term and Promising Long-Term Options for the Deployment of Thorium-Based Nuclear Energy («Краткосрочные и долгосрочные варианты развития ядерной энергетики на основе тория») обобщены результаты четырехлетнего проекта координированных исследований МАГАТЭ, посвященного возможностям развития ядерной энергетики с использованием тория. В докладе рассматриваются преимущества и трудности, связанные с использованием тория в качестве топлива, а также анализируется его применение в реакторах различных типов — от наиболее распространенных водо-водяных реакторов до реакторов на солевых расплавах.

«Многие страны мира считают торий перспективным и очень заманчивым способом выработки электроэнергии и удовлетворения своих растущих энергетических потребностей, — сказал Агарвал, один из авторов доклада. — Наш исследовательский проект способствовал обмену ценными знаниями и опытом между национальными лабораториями и исследовательскими институтами, изучающими использование тория. Результатом этой работы стала данная публикация».

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.

imageЗагрузка 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 единственный природный изотоп, который способен 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.

imageТяжеловодные 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:

  • В земной коре тория в несколько раз больше, чем урана. Это плюс торию.
  • 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, об этом ниже.
  • Однако торий надо добыть, в то время как 3,5 млн тонн урана уже лежат на складах
  • При трансмутации Th232->U233 образуется промежуточный Pa233, который довольно долго распадается и является нейтронным ядом. Это огромный минус, о нем мы поговорим ниже.
  • 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.

imageПревращение 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?

imageПревращения 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.

imageОценки 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”.

imageА 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.

imageЖидкосолевой 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 в топливе его в 1000 (2^10) раз больше. Это вызывает заметные проблемы при попытке сделать “классический” быстрый 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.

imageFLiBe 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.

imageРазрез 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 у 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.

Источники: https://www.atomic-energy.ru/, https://habr.com/
Автор обзора по ториевой энергетике: Валентин @tnenergy