Торий: спасет ли он планету от энергетического кризиса? Ториевый шанс.

Содержание статьи

ТОРИЙ – Th (Thorium), химический элемент III группы периодической системы элементов, металл, относится к актиноидам, атомный номер 90, атомная масса 232,0381. Торий радиоактивен, стабильных изотопов не имеет, наиболее долгоживущие изотопы 230 Th (период полураспада 7,5·10 4 лет) и 232 Th (период полураспада 1,4·10 10 лет). В природе наиболее распространен изотоп 232 Th, его содержание в земной коре 8·10 -4 %.

Интерес к соединениям тория возник после того, как в 1885 венский химик Ауэр фон Вельсбах (первооткрыватель химического элемента неодима) обнаружил, что если ввести в пламя газовой горелки оксид тория, то он очень быстро нагревается до состояния белого каления и испускает яркий белый свет. Обнаруженное явление позволяло простым способом превращать часть тепловой энергии газовой горелки в световую. В результате поиска минералов, содержащих торий в заметном количестве, на берегу Атлантического океана в Бразилии был обнаружен минерал монацит, представлявший собой смесь фосфатов церия, лантана и тория, содержание тория в нем достигало 10%. Добыча не составляла труда, монацитовый песок лежал прямо на берегу. Тысячи тонн этого минерала стали отправлять на океанских кораблях из Бразилии в Европу на переработку. Позже залежи моноцита были найдены США, Индии и на островах Цейлон и Мадагаскар.

Одновременно с этим была разработана своеобразная технология, позволяющая помещать соединения тория в горелку: из легкой ткани изготавливали тонкие колпачки, которые пропитывали солями тория, затем волокна ткани осторожно выжигали и получали легкую скорлупку, которую помещали в пламя газовой горелки. Такие колпачки по имени их создателя стали называть ауэровскими. Тусклое газовое освещение городов Европы изменилось коренным образом, вместо желтоватого неровного пламени газового рожка появился источник яркого белого света. Ауэровские колпачки почти в 20 раз увеличили яркость газового освещения и втрое снизили его стоимость. Производство таких колпачков в отдельные годы достигало 300 миллионов штук (в 1910-ые газовое освещение стало вытесняться электрическим). Фактически торий был первым радиоактивным элементом, появившимся почти в каждом доме, но из-за слабой радиоактивности угрозы для здоровья он не представлял.

Физические свойства.

Серебристо-белый пластичный металл, образует сплавы со многими металлами. Температура плавления – 1750° С, температура кипения – 4200° С, плотность – 7,24 г/см 3 , при температуре ниже 1,4 К становится сверхпроводником.

Химические свойства.

Торий весьма реакционноспособен – быстро тускнеет на воздухе, в кипящей воде покрывается пленкой ThO 2 . Мелкодисперсный металлический торий вспыхивает на воздухе из-за энергичного окисления. Торий растворим в разбавленных минеральных кислотах: соляной, азотной, серной; концентрированной азотной кислотой он пассивируется, не реагирует со щелочами. Наиболее устойчивая степень окисления у Th(IV), есть и соединения с более низкой степенью окисления: Th (II) I 2 и Th (III) I 3 . При участии ионов щелочных металлов соединения тория легко образуют двойные соли K 2 , Na 2 , а также смешанные оксиды К 2 ТhO 3 . В водных растворах ионы тория образуют гидроксо-ионы + , 6+ , 4+

Получение.

Содержащие торий минералы, например, монацитовый песок, подвергают сернокислотному расщеплению, полученную пасту нейтрализуют и затем обрабатывают соляной кислотой. Отделение сопутствующих элементов основано на различной растворимости полученных хлоридов. Иногда используют экстракцию трибутилфосфатом, позволяющую более тонко отделить примеси. Металлический торий получают из ThCl 4 восстановлением с помощью Na, Са или Mg при 900–1000° С.

Соединения тория.

При нагревании тория в атмосфере водорода при 400–600 °С образуется гидрид ThH 2 Темно-серые кристаллы, быстро разлагающиеся при действии влаги воздуха с образованием диоксида.

Диоксид ТhO 2 образуется при сгорании металла на воздухе, при прокаливании гидроксида, а также некоторых солей – нитрата, карбоната. Это исключительно высокоплавкое соединение – т. пл. 3350° С, т. кип. 4400° С; реагирует с оксидами металлов при 600–800° С, образуя двойные оксиды (тораты), например, К 2 ТhO 3 , BaThO 3 , ThTi 2 O 6 . ТhO 2 устойчив к действию кислот и восстановителей;

Гидроксид Th(ОН) 4 получают взаимодействием солей тория с растворами щелочей. Аморфное вещество; устойчиво при 260–450° С, выше 470° С превращается в ThO 2.

Монокарбид ThC получают взаимодействием металлического тория со стехиометрическим количеством углерода, его т. пл. 2625° С. Дикарбид ThC 2 получают взаимодействием металлического тория с избытком углерода или восстановлением ТhО 2 углеродом при 1500° С. Его т. пл. 2655° С, т. кип. 5000° С, разлагается водой и разбавленными кислотами с образованием углеводородов, на воздухе окисляется при 600–700° С до ThO 2 .

Тетрагалогениды ТhНа1 4 (Hal = F, Cl, Br, I) получают при нагревании металлического тория или ThO 2 при 300–400° С с соответствующим галогенидами или галогенводородами. Тетрафторид ThF 4 имеет т. пл. 1100° С, т. кип. 1650° С, растворим в воде, образует кристаллогидраты. Тетрахлорид ThCl 4 имеет т. пл. 770° С, т. кип. 921° С, растворим в воде, низших спиртах, эфирах, ацетоне, бензоле. Образует гидраты с 2, 4, 7 и 12 молекулами воды.

Тетрабромид ThBr 4 имеет т. пл. 679° С, т. кип. 857° С, образует гидраты с 7, 8, 10 и 12 молекулами воды, а также сольваты с аммиаком и аминами. Тетраиодид ThI 4 имеет т. пл. 566° С, т. кип. 837° С, хорошо растворим в воде с образованием гидратов, при нагревании и действии света разлагается с выделением I 2 .

Применение.

Торий используется в качестве легирующей добавки, упрочняющей магниевые сплавы, введение тория в состав вольфрамовых нитей для электроламп накаливания увеличивает срок их службы.

Оксид тория применяется как огнеупорный материал, в качестве компонента катализаторов, его также добавляют в состав дуговых углей для увеличения яркости электрической дуги, используемой в прожекторах. Фактически, это продолжение идеи «ауэровских колпачков».

В последние годы Ауэровские колпачки вновь «вернулись к жизни». Для тех, кто длительно работает в полевых условиях, в экспедициях, а также для туристов выпускают газовые баллончики с прикрепленной горелкой, поверх которой располагают Ауэровский колпачок, прикрытый стеклянным плафоном.

Подобные источники света намного экономичнее электрических светильников такой же яркости, использующих батареи или аккумуляторы. В настоящее время торий рассматривают как перспективное ядерное топливо. При облучении нейтронами в уран-ториевых реакторах изотоп 232Тh превращается в делящийся изотоп урана 233U, пригодный для использования в ядерных реакторах. Запасы тория в земной коре (3,3 × 106 т) соизмеримы с запасами урана (3,5 × 106 т).

Михаил Левицкий

История

Нахождение в природе

Торий почти всегда содержится в минералах редкоземельных элементов, которые служат одним из источников его получения. Содержание тория в земной коре - 8-13 г/т, в морской воде - 0,05 мкг/л. В магматических породах содержание тория уменьшается от кислых (18 г/т) к основным (3 г/т). Значительное количество тория накапливается в связи с пегматитовыми и постмагматическими процессами, при этом его содержание увеличивается с повышением количества калия в породах. Основная форма нахождения тория в породах в виде основной составной части уран-ториевых, либо изоморфной примеси в акцессорных минералах. В постмагматических процессах в определённых благоприятных условиях (обогащённость растворов галогенами, щелочами и углекислотой) торий способен мигрировать в гидротермальных растворах и фиксироваться в скарновых уран-ториевых и гранат-диопсидовых ортитсодержащих месторождениях. Здесь главными минералами тория являются монацитовый песок и ферриторит . Накапливается торий также в некоторых грейзеновых месторождениях, где он концентрируется в ферриторите либо образует минералы, содержащие титан, уран и др. Входит в состав, в виде примесей, наряду с ураном, в почти любые слюды , (флогопит , мусковит и др.) - породообразующих минералов гранита . Поэтому граниты некоторых месторождений (ввиду слабой, но при длительном воздействии на человека опасной радиации) запрещено использовать в качестве наполнителя для бетона при строительстве.

Месторождения

Торий содержится в основном в 12 минералах.

Месторождения этих минералов известны в Австралии , Индии , Норвегии , США , Канаде , Южной Африке , Бразилии , Пакистане , Малайзии , Шри-Ланке , Киргизии и других странах .

Добыча

При получении тория торийсодержащие монацитовые концентраты подвергают вскрытию при помощи кислот или щелочей. Редкоземельные элементы извлекают экстракцией с трибутилфосфатом и сорбцией. Далее торий из смеси соединений металлов выделяют в виде диоксида , тетрахлорида или тетрафторида.

Металлический торий затем выделяют из галогенидов или оксида методом металлотермии (кальций-, магний- или натрийтермии) при 900-1000 °С:

Химические свойства

Торий относится к семейству актинидов . Тем не менее специфическая конфигурация электронных оболочек делает его близким Ti, Zr, Hf по некоторым свойствам.

Торий способен проявлять степени окисления +4, +3 и +2. Наиболее устойчива +4. Степени окисления +3 и +2 торий проявляет в галогенидах с Вr и I, полученных действием сильных восстановителей в твердой фазе. Ион Th 4+ отличается сильной склонностью к гидролизу и образованию комплексных соединений .

Торий плохо растворяется в основны́х кислотах. Он растворим в концентрированных растворах НСl (6-12 моль/л) и HNO 3 (8-16 моль/л) в присутствии иона фтора. Легко растворим в царской водке. Не реагирует с едкими щелочами.

При нагреве взаимодействует с водородом, галогенами, серой, азотом, кремнием, алюминием и рядом других элементов. Например, в атмосфере водорода при 400-600°С образует гидрид ThH 2 .

Физические свойства

Торий - серебристо-белый блестящий, мягкий, ковкий металл. Металл пирофорен, потому порошок тория рекомендуют хранить в керосине. На воздухе чистый металл медленно тускнеет и темнеет, при нагревании воспламеняется и горит ярко белым пламенем с образованием диоксида. Относительно медленно корродирует в холодной воде, в горячей воде скорость коррозии тория и сплавов на его основе очень высока.

До 1400°С торий имеет кубическую гранецентрированную решетку, выше этой температуры устойчива кубическая объемно-центрированная. При температуре 1,4°К торий проявляет сверхпроводящие свойства.

Температура плавления 1750°С; температура кипения 4788°С. Энтальпия плавления 19,2, испарения 513,7 кДж/моль. Работа выхода электронов 3,51 эВ. Энергии ионизации M → M+ , M+ → M2+, M2+ → M3+, M3+ → M4+ составляют 587, 1110, 1978 и 2780 кДж/моль соответственно.

Изотопы

На 2012 г. известны 30 изотопов тория и ещё 3 возбуждённых метастабильных состояния некоторых его нуклидов .

Только один из нуклидов тория (торий-232) обладает достаточно большим периодом полураспада по отношению к возрасту Земли , поэтому практически весь природный торий состоит только из этого нуклида. Некоторые из его изотопов могут определяться в природных образцах в следовых количествах, так как входят в радиоактивные ряды радия, актиния и тория и имеют исторические, ныне устаревшие названия:

• радиоактиний 227 Th
• радиоторий 228 Th
• ионий 230 Th
• уран Y 231 Th
• уран X1 234 Th

Наиболее стабильными изотопами являются 232 Th (период полураспада составляет 14,05 миллиардов лет), 230 Th (75 380 лет), 229 Th (7340 лет), 228 Th (1,9116 года). Остальные изотопы имеют периоды полураспада менее 30 дней (большинство из них имеют периоды полураспада менее 10 минут) .

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.

Торий-232 - чётно-чётный изотоп (чётное число протонов и нейтронов), поэтому не способен делиться тепловыми нейтронами и быть ядерным горючим. Но при захвате теплового нейтрона 232 Th превращается в 233 U по схеме:

Уран-233 способен к делению подобно урану-235 и плутонию-239 , что открывает более чем серьёзные перспективы для развития атомной энергетики (

1 грамм на 28 000 литров . Таково соотношения расхода топлива в автомобильных двигателях, если заменить привычное горючее торием.

Речь о 232-ом изотопе . У него самый длинный период полураспада. 8 граммов тория хватит, чтобы двигатель беспрерывно работал в течение 100 лет.

Запасов нового топлива в 3 раза больше, чем в земной коре. Специалисты Laser Power Systems уже приступили к разработке нового двигателя.

Компания американская. Работа двигателя будет напоминать цикл стандартной электростанции. Загвоздкой стала разработка подходящего лазера.

Его задача – нагревать воду, пар которой запускает мини-турбины. Пока ученые отрабатывают процесс, узнаем побольше о топливе 21-го века, а в перспективе и всего тысячелетия.

Что такое торий?

Металл торий относится к актиноидам. В это семейство входят радиоактивные . Все они располагаются в 3-ей группе 7-го периода таблицы .

Номера актиноидов – от 90-го до 103-го. Торий стоит первым. Его и открыли первым, одновременно с ураном.

В чистом виде героя выделил в 1882-ом году Ларс Нильсон. Радиоактивность элемента обнаружили не сразу.

Поэтому, торий долго не вызывал интереса общественности. Распад тория доказан лишь в 1907-ом году.

С 1907-го года изотопы тория открывались один за другим. К 2017-му насчитывается 30 модификаций металла. 9 из них получены .

Наиболее устойчива 232-я. Полураспад тория в таком виде длится 1,4*10 10 лет. Именно поэтому 232-ой изотоп повсеместно распространен, в земной коре занимает долю 8*10 -4 %.

Остальные изотопы хранятся несколько лет, а посему не представляют практического интереса и редко встречаются в природе. Правда 229-ый торий распадается за 7 340 лет. Но, этот изотоп «выведен» искусственно.

Полностью устойчивых изотопов у тория нет. В чистом виде элемент выглядит как —, пластичный .

Именно он делает столь мягким минерал торит. легко режется . Минерал изучал Йенс Берценлиус.

Шведский химик смог вычислить в составе камня неизвестный , но не смог выделить его, отдав лавры Нильсону.

Свойства тория

Торий – элемент , удельная радиоактивность которого равна 0,109 микрокюри на грамм. У 238-го урана, к примеру, показатель почти в 3 раза больше.

Соответственно, торий слаборадиоактивен. Несколько изотопов тория, кстати, являются следствием распада урана. Речь о 230-ом, 231-ом, 234-ом и 235-ом модификациях 90-го элемента.

Распад героя статьи сопровождается выделением радона. Этот газ, так же, именуют тороном. Однако, второе название не общеупотребительное.

Радон опасен при вдыхании. Однако, микродозы содержатся в минеральных водах и влияют на организм благостно.

Принципиален именно путь попадания торона в организм. Выпить можно, впитать – да, но не вдыхать.

В плане кристаллической решетки радиоактивный торий предстает всего в двух ипостасях. До 1 400-от градусов строение металла гранецентрическое.

Оно основано на объемных кубах, состоящих из 14-ти атомов. Часть из них стоят в углах фигуры. Остальные атомы располагаются посередине каждого .

При нагреве свыше 1 400-от градусов Цельсия кристаллическая решетка тория становится объемноцентрированной.

«Упаковка» таких кубов менее плотная. И без того мягковатый торий становится еще более рыхлым.

Торий – химический элемент, отнесенный к парамагнетикам. Соответственно, магнитная проницаемость металла минимальна, близка к единице.

Отличают вещества группы, так же, способность намагничиваться в направлении внешнего поля.

Мольная теплоемкость тория составляет 27,3 килоджоулей. Показатель указывает на тепловую вместимость одного моля вещества, отсюда и название.

Продолжать список сложно, поскольку основная масса свойств 90-го металла зависит от степени его загрязнения.

Так, предел прочности элемента варьируется от 150-ти до 290-та меганьютонов на квадратный метр.

Нестабильна и тория. По металлу дают от 450-ти до 700-от килограмм-силы.

Стоя в начале своей группы, торий перенял часть свойств от предшествующих ей элементов. Так, для героя статьи характерна 4-я степень окисления.

Чтобы торий быстро окислился на воздухе, нужно довести температуру до 400-от градусов. Металл моментально покроется пленкой оксида.

Дуэт тория с кислородом, кстати, самый тугоплавкий из земных оксидов, размягчается лишь при 3 200-от градуса Цельсия.

При этом, соединение еще и химически устойчиво. Чистый же металл вступает в реакцию с .

Любой радиоактивный изотоп тория взаимодействует с ним даже при комнатной температуре.

Остальные реакции с героем статьи проходят при повышенных температурах. При 200-от градусах идет реакция с .

Образуются гидриды порошкообразной формы. Нитриды получаются, если торий нагреть в атмосфере .

Потребуется температура в 800-от градусов Цельсия. Но, для начала нужно добыть реактив. Узнаем, как это делают.

Добыча и месторождения тория

350 000 000 долларов. Примерно такую сумму ежегодно выделяют в на развитие ториевой энергетики. В стране масса месторождений 232-го изотопа.

Это настораживает , которая рискует потерять лидерство на топливном , если основным энергоресурсом в мире станет 90-ый элемент.

Запасы в отечестве есть. Миллионы тонн металла, к примеру, расположились под Новокузнецком.

Однако, нужно отстоять приоритетное право на применение ториевых , а за них в мире ведется борьба. Все понимают, за чем будущее.

Обычно, торий находят в виде , блестящего песка. Это минерал монацит. Пляжи из него часто входят в курортные зоны.

На побережье Азовского моря, к примеру, стоит задуматься не только о солнечной радиации, но и той, что исходит от земли. Жильный торий встречается только в ЮАР. Рудные залежи там зовутся Стинкасмкрааль.

Если добывать торий из руд, то проще получать элемент попутно с . Осталось выяснить, где торий может пригодиться, не считая автомобильных двигателей будущего.

Применение тория

Поскольку ядро тория неустойчиво, естественно применение элемента в атомной энергетике. Для ее нужд закупают , фторид и оксид тория.

Помните температуру, которую выдерживает окись 90-го металла? Только такое соединение и сдюжит в жидкосолевых реакторах.

Окись тория пригождается и в авиационной промышленности. Там 90-ый металл служит упрочнителем. Служба торию находится и в организме .

Ежедневно с пищей поступает около 3 миллиграммов радиоактивного элемента. Он участвует в регулировке процессов системы, усваивается, в основном, печенью.

Закупают торий, так же, металлурги, но не для еды. Чистый металл используют в качестве , то есть добавки, улучшающей качество , в частности, магниевых. С лигатурой они становятся жаропрочными и лучше сопротивляются разрыву.

Напоследок дополним информацию о новом автомобильном двигателе. Торий в нем – не ядерное топливо, а лишь сырье для него.

Сам по себе 90-ый элемент не способен давать энергию. Все меняют нейтронная среда и водный реактор.

С ними торий преобразуется в 233-ий уран. Вот он – эффективное топливо. Почем платят за сырье для него? Попробуем узнать.

Цена тория

Цена тория разнится на чистый металл и его соединения. Это общая фраза из . Из частностей — лишь ценник за кило оксида тория примерно в 7 500 .

На этом открытые запросы заканчиваются. Продавцы просят уточнять стоимость, поскольку реализуют радиоактивный элемент.

Предложений чистого тория в интернете нет, как нет и данных о за грамм металла. Меж тем, заинтересованным новым видом автомобильного топлива вопрос не дает покоя, как не дает покоя и то, не подскочат ли запросы за 90-ый элемент в случае его повсеместного использования.

Изначально, ради вытеснения с рынка бензиновых двигателей, торий сделают максимально выгодным. Но, что будет потом, когда возврат к былому будет уже маловероятен?

Вопросов много. Конкретики мало, впрочем, как и во всем новом, неизведанном, кажущемся на первых парах авантюрой.

Хотя, первые варианты ториевого двигателя уже готовы. Весят они около 200-от килограммов. Такой аппарат легко поместить под капот средних размеров.

Авария на японской АЭС может стимулировать исследования в области более безопасной ядерной энергетики на основе тория.

Вот уже почти год сводки с японской атомной станции “Фукусима-1” напоминают фронтовые. Во многих странах мира всерьез рассматривается вопрос об отказе от атомной энергетики как слишком опасной либо об ограничении ее использования. Между тем еще в 50-е годы были предложены проекты более безопасных ядерных реакторов. В качестве “горючего” в них используется торий - слаборадиоактивный химический элемент, мировые запасы которого, как минимум, вчетверо превышают запасы урана. Полвека назад ториевая ядерная энергетика не выдержала конкуренции с урановой, поскольку из тория нельзя получить плутоний, который используется в ядерном оружии. Но теперь, после “Фукусимы”, ей предоставляется возможность для реванша.

Хорошо забытое старое

В 40-50-е годы, когда атомная энергетика делала свои первые шаги, ученые исследовали различные варианты управляемых ядерных реакций. Их интерес привлек и торий - тяжелый слаборадиоактивный металл, занимающий 90-е место в таблице Менделеева.
Сам по себе торий (вернее, самый распространенный его изотоп торий-232, из которого почти на 100% состоит природный металл) не поддерживает цепную ядерную реакцию и не может быть материалом для атомной бомбы. Однако при облучении тория нейтронами, его атомы, захватывая эти нейтроны, распадаются с выделением значительного количества энергии.

Кроме того, в результате ряда последовательных реакций с образованием промежуточных неустойчивых изотопов (торий-233 и протактиний-233 с полураспадом соответственно 22 минуты и 27 суток) из тория-232 получается уран-233, который сам по себе является хорошим ядерным топливом, подходящим для всех типов современных реакторов.

По сравнению с ураном торий обладает рядом преимуществ. Прежде всего, для загрузки в реактор пригоден природный торий, который, в отличие от урана, не нужно обогащать, проводя сложную и дорогостоящую операцию разделения изотопов. В ториевых реакторах можно перерабатывать оружейный плутоний, а также минимизировать использование урана-235, который является единственной доступной человечеству природной “ядерной спичкой”, способной запускать ядерную реакцию.

При этом если урановые стержни нужно извлекать из реактора уже после того, как в них использовано менее 10% содержавшегося “топлива”, торий можно использовать полностью, до завершения его преобразования в уран-233, который также можно применять для поддержания ядерной реакции. Вследствие этого одна тонна тория может дать столько же энергии, сколько 200 т урана или 3.5 млн т угля.

Оксид тория является более тугоплавким и устойчивым веществом, чем оксид урана, что открывает возможность для создания высокотемпературных реакторов на тории с рабочей температурой 700-800 градусов. Такой реактор может работать с обычным парогенераторным оборудованием, для него не нужно сложных и небезопасных систем охлаждения (напомним, именно отказ этих систем и привел к аварии на “Фукусиме-1”), его КПД может достигать 50-55%, что почти вдвое выше, чем у традиционных урановых. Полученная тепловая энергия также может использоваться в различных химических процессах (получение аммиака, водорода, ряда углеводородных продуктов).

Вследствие того, что торий требует внешнего источника нейтронов для осуществления ядерной реакции, этот элемент более безопасен в эксплуатации. Нетрудно создать такую схему, при которой в случае аварии реакция просто автоматически прекращалась бы (правда, из-за особенностей ториевого цикла такой реактор все равно бы продолжал работу, пока промежуточные элементы не превратились в более устойчивый уран-233, но выделение энергии было бы значительно меньшим). Наконец, радиоактивные отходы, образующиеся в результате ядерных реакций, в случае использования тория гораздо менее опасны, чем традиционных урановых реакторов, да и образуется их в несколько раз меньше.

В 50-70-е годы в ряде стран мира (США, Великобритания, Индия, ФРГ, СССР и др.) проводились различные эксперименты с ториевыми и торий-урановыми реакторами. В 70-80-е годы американская компания General Atomics и немецкая Siemens даже создали опытные образцы энергетических реакторов мощностью 300 МВт с использованием ториевого топлива, однако на этом исследования в данной области практически полностью прекратились.

Падение интереса к торию было обусловлено рядом объективных и субъективных причин. Прежде всего, фундаментальным недостатком тория была его непригодность для производства ядерного оружия. В 50-е годы в США проводились опыты по использованию урана-233 в ядерных бомбах, однако предпочтение было в итоге отдано более эффективному плутонию. Львиная доля средств на НИОКР в результате выделялась на исследования, связанные с урановым циклом, что позволило достаточно быстро создать и оптимизировать соответствующие технологии. Появление эффективных и относительно безопасных легководных реакторов, доступность и невысокая цена уранового ядерного топлива привели к тому, что энергетики отказались от рассмотрения альтернативных вариантов, не сулящих быстрой отдачи. Как говорится, от добра добра не ищут.

Вследствие этого адекватной технологии изготовления ториевых или торий-урановых топливных элементов так и не было создано. Не была решена и главная, пожалуй, проблема ториевого цикла. В ходе реакций, помимо урана-233, непременно образовывалось небольшое количество (порядка десятых долей процента) урана-232 - короткоживущего изотопа, распад которого приводил к появлению очень опасных радиоактивных “обломков”.

Реакторы General Atomics и Siemens обладали массой “детских болезней”, вызванных именно неотработанностью процессов. Окончательно же исследования в области ториевой энергетики “похоронила” катастрофа на Чернобыльской АЭС. После 1986 г. ассигнования на развитие “мирного атома” были резко сокращены, а все долгосрочные альтернативные проекты просто закрыты.
Единственной страной, где ториевые исследования все еще продолжались, была Индия. Обладающая большими запасами тория (около 300 тыс т, второй показатель в мире после Австралии), Индия еще в 50-е годы разработала оригинальную трехступенчатую программу развития атомной энергетики, в которой предполагалось задействовать эти ресурсы.

Так как Индия не подписала договор о нераспространении ядерного оружия, до недавнего времени ее атомная отрасль развивалась изолированно, а поставки урана в страну были запрещены. Не обладая значительными запасами урана, индийские атомщики предложили использовать имеющиеся скудные ресурсы этого ядерного топлива в реакторах первого уровня, где вырабатывался бы делящийся материал (уран-235 или плутоний-239). Его планировалось использовать в качестве источника нейтронов для ториевых реакторов второй стадии, а на них, в свою очередь, получался уран-233, который использовался бы в качестве ядерного топлива в реакторах третьего поколения.

Первую стадию своего плана Индия успешно реализовала, построив к настоящему времени более 20 ядерных реакторов, а вот со второй произошла заминка. В 90-е годы индийские атомщики вышли из международной изоляции, что и объясняет снижение интереса к торию. Пока что достижения в этой области ограничиваются экспериментальным реактором мощностью 13 МВт на АЭС “Калпаккам”, где осуществляется выработка урана-233 из тория.

Однако в начале прошлого десятилетия ториевые разработки вышли из состояния “комы”. В настоящее время рассматриваются два перспективных направления, которые могут стать основой будущей ториевой ядерной энергетики.

Новые горизонты

Одну из перспективных технологий предложил нобелевский лауреат Карло Руббиа из Европейского центра по ядерным исследованиям (CERN). По его проекту предлагается использовать ториевое ядерное топливо, а в качестве “запала” применять ускоритель протонов. Попадая в атомы тория, протоны с высокой энергией вызывают их распад с выделением нейтронов, которые используются для стимулирования ядерных реакций. В качестве теплоносителя используется свинец.

По расчетам К.Руббиа, этот реактор будет генерировать достаточную энергию, чтобы не только питать ускоритель протонов, но и выдавать определенную мощность в сеть. При этом установка достаточно безопасна, поскольку выключение протонного ускорителя приводит к прекращению работы реактора (не считая распада промежуточных элементов).

В 2010 г. норвежская компания Aker Solutions приобрела патент у К.Руббиа и уже приступила к проектированию реактора ADTR (субкритический реактор с ускорительной системой). Мощность установки оценивается в 600 МВт, ее стоимость, по предварительным данным, может превысить $3 млрд с учетом всех предварительных исследовательских работ. Реактор планируется разместить под землей, что даст возможность обойтись без мощного железобетонного защитного купола. Предполагается, что на одной загрузке ториевого топлива он сможет проработать несколько лет.

Однако КПД реактора К.Руббиа будет не очень высоким из-за использования энергоемкого ускорителя протонов, который будет забирать часть мощности. В США, Индии и Китае в последние годы рассматривается вариант, впервые предложенный американским физиком Элвином Вайнбергом еще в 60-х годах.

В этом реакторе типа LFTR (Liquid Fluoride Thorium Reactor) предлагается отойти от применения твердых топливных элементов и использовать в качестве теплоносителя расплавы солей - фторидов, в которых хорошо растворяются оксиды тория и урана. В таком реакторе рабочее давление составляет всего около 0.1 атм, что практически исключает возможность аварии вследствие разрыва корпуса (конечно, при условии, что его материал не поддастся коррозии). Солевой расплав имеет температуру порядка 540 градусов, что дает возможность использовать все преимущества высокотемпературного реактора.

При этом система обладает способностью к саморегуляции. Если расплав перегревается, он расширяется в объеме, в результате в поле действия источника нейтронов (топливный элемент из плутония или урана-235) попадает меньше атомов тория, и реакция замедляется. При охлаждении смесь, соответственно, сжимается, что позволяет ускорить реакцию. Таким образом, ториевый реактор не требует наличия сложной системы управления, как на традиционных АЭС.

Проект позволяет организовать непрерывный вывод продуктов деления из зоны реакции и подпитку его свежим топливом. Это означает, что расплав с повышенным содержанием продуктов деления тория можно перекачать в отстойник, где будет происходить преобразование исходного материала в уран-233, который можно будет химическим путем отделить от непрореагировавшего тория и использовать в качестве ядерного топлива во второй активной зоне реактора. Впрочем, есть проекты, предусматривающие только одну активную зону с использованием в качестве ядерного топлива сначала тория, а потом - урано-ториевой смеси.

В ториевом реакторе весьма интересно решена проблема безопасности. Под корпусом реактора планируется установить бак, заткнутый “пробкой” из той же смеси фторидов, поддерживаемых в твердом состоянии благодаря непрерывному охлаждению. В случае отключения электроэнергии, как при аварии на “Фукусиме”, охлаждение прекращается, “пробка” расплавляется, и смесь стекает в бак, где ядерная реакция прекращается из-за отсутствия источника нейтронов, а расплав остывает.

Важным преимуществом реактора LFTR является возможность создания установок небольшой мощности - вплоть до единиц мегаватт. По мнению эксперта канадской компании Accelerating Future Майкла Анисимова, такие небольшие реакторы, размещенные под землей, можно использовать в качестве “городских” или “районных” электростанций, способных работать годами при минимальном присмотре.

По оценкам М.Анисимова, стоимость 1-мегаваттного реактора составит около $250 тыс, а для его работы будет достаточно всего 20 кг тория в год. Компания, установившая такой реактор, могла бы один раз в несколько лет проводить его обслуживание, выгружая использованное топливо и загружая новое.

В конце января 2011 г., всего за полтора месяца до катастрофического землетрясения в Японии, в Китае объявлено о запуске новой программы по созданию ториевой ядерной энергетики. Исследования будут проводиться под эгидой национальной Академии наук. Через пять лет планируется создание рабочего прототипа, который мог бы генерировать энергию стоимостью не более 6.8 центов за 1 кВтч, а к 2030 г. предполагается создание первой действующей ториевой АЭС.

О необходимости ускорить исследования в области ториевой энергетики в прошлом году было объявлено и в Индии. А после аварии на “Фукусиме” о тории заговорили и многие другие отраслевые специалисты.

Пробуждение интереса к торию объясняется несколькими причинами. Во-первых, ториевые реакторы типа LFTR (похоже, эта технология пока считается наиболее перспективной) значительно безопаснее, чем традиционные урановые. Им не угрожают разрывы трубопроводов высокого давления охлаждающих систем из-за отсутствия таковых. В них можно полностью избежать использования воды, которая может разложиться на кислород и взрывоопасный водород. Они дают меньше радиоактивных отходов. Наконец, ториевый реактор, в отличие от уранового, не может “пойти в разнос”.

Во-вторых, тория в мире гораздо больше, чем урана. Именно опасность исчерпания резервов последнего является одним из весомых стимулов для развития ториевой энергетики в Китае и Индии, где в ближайшие четверть века планируется построить по несколько десятков ядерных реакторов.

В-третьих, потенциально использование тория может дать миру дешевую энергию. По расчетам М.Анисимова, стоимость энергии, генерируемой небольшими ториевыми реакторами, может составлять менее 1 цента за 1 кВтч - меньше, чем на любом другом энергоблоке.

Конечно, прежде чем строить ториевые реакторы, нужно решить массу проблем, начиная с создания целой отрасли по добыче тория и получения концентрированного оксида или чистого металла и заканчивая ураном-232 с его радиоактивными продуктами деления. Особые требования предъявляются и к корпусам, и трубопроводам, которые должны выдерживать температуру в сотни градусов и корродирующее действие раскаленного расплава солей при непрерывной работе на протяжении нескольких лет.

Впрочем, по мнению экспертов, все эти проблемы решаемы - при создании современных урановых АЭС пришлось преодолеть не меньше технических препятствий. Главное, чтобы кто-то решился выделить средства на исследования и реализацию опытных проектов.

Пока ториевая ядерная энергетика остается в мире редкой экзотикой. По состоянию на сегодня, только Китай и Индия намерены проводить исследования в этой области, и первых практических результатов, очевидно, следует ожидать не скоро. Тем не менее, в долгосрочной перспективе использование тория представляется весьма многообещающим.

В СССР исследования в области ториевой атомной энергии проводились в Курчатовском институте. Продолжались они даже в 90-е годы. Более того, российским ученым принадлежит базовый патент на способ управления ториевым реактором и тепловыделяющую сборку для его осуществления. Однако его срок истекает в 2013 г., а никаких практических шагов в этой области так и не было сделано и не предвидится в обозримом будущем. Тем не менее, Россия входит в первую мировую десятку по запасам тория, а в начале 50-х была налажена даже его промышленная добыча. Технологии по получению металлического тория и его соединений не утрачены до сих пор.

Для Украины с ее сократившимся за последние 20 лет научным потенциалом исследования в области ториевой энергетики в настоящее время вряд ли возможны. Тем не менее, база для этого есть. К тому же Украина располагает месторождением монацитовых песков (монацит - самый распространенный минерал тория, содержащий до 10% металла) - титано-циркониевые россыпи на юге Донецкой области.

Даже после “Фукусимы” человечество вряд ли откажется от ядерной энергии. Но использование тория в перспективе может сделать ее более дешевой и безопасной.

ТОРИЙ, Th (от имени бога грома Тоpa в скандинавской мифологии; лат. Thorium * а. thorium; н. Thorium; ф. thorium; и. torio),- радиоактивный химический элемент III группы периодической системы , атомный номер 90, атомная масса 232,0381, относится к актиноидам. Природный торий состоит главным образом из одного изотопа 232 Th (ТЅ 14,00.10 9 лет). В незначительных количествах присутствуют также 228 Th (ТЅ 1,913 года) и четыре короткоживущих изотопа. Известно 18 искусственных изотопов тория с массовыми числами от 213 до 236. Торий открыт в 1828 шведским химиком И. Я. Берцелиусом.

Свойства тория

В свободном состоянии торий — серебристо-белый металл, для которого при температурах ниже 1365°С характерна гранецентрированная кубическая решетка (а=0,5086 нм) — а-Th, а при более высоких — объёмноцентрированная кубическая (а=0,411 нм) — Я-Th. 11300 кг/м 3 , t плавления 1750°С, t кипения 4200°С, молярная теплоёмкость 27,33 Дж/(моль.К), удельное электрическое сопротивление 18,62.10 -4 (Ом.м), температурный коэффициент линейного расширения 11,3.10 -6 К -1 , 35,6 Вт/(м.К). Парамагнитен, температура перехода в сверхпроводящее состояние 1,4 К. Легко деформируется на холоде.

Торий химический

В большинстве соединений для тория характерна степень окисления +4, но бывает также +2 и +3. Порошкообразный торий пирофорен, на воздухе тускнеет, в кипящей покрывается плёнкой диоксида. Реагирует со , при нагревании — с , сероводородом. Легко растворяется в соляной кислоте и царской водке, медленно — в азотной, серной и фтористоводородной кислотах. Токсичен, ПДК 0,05 мг/м 3 .