Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из цикла Thorium )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Образец тория

Ториевые топливный цикл представляет собой ядерный топливный цикл , который использует изотоп из тория ,232
Чт
, как плодородный материал . В реакторе232
Чт
является трансмутируются в делящемся искусственном уране изотоп233
U
которое является ядерным топливом . В отличие от природного урана , природный торий содержит только следовые количества делящегося материала (например,231
Чт
), которых недостаточно для инициирования цепной ядерной реакции . Для запуска топливного цикла необходим дополнительный делящийся материал или другой источник нейтронов. В реакторе, работающем на тории,232
Чт
поглощает нейтроны, чтобы произвести233
U
. Это аналогично процессу в реакторах-размножителях урана, где плодородные238
U
поглощает нейтроны с образованием делящегося 239
Пу
. В зависимости от конструкции реактора и топливного цикла генерируемые233
U
либо делится на месте, либо химически отделяется от использованного ядерного топлива и превращается в новое ядерное топливо.

Ториевого топливного цикла имеет несколько потенциальных преимуществ по сравнению с циклом уранового топлива , в том числе тория в большем количестве , улучшенные физические и ядерные свойства, уменьшенную плутоний и актинидов производство, [1] и лучшую устойчивость к распространению ядерного оружия , когда используется в традиционном реакторе на легкой воде [ 1] [2], но не в реакторе с расплавом солей . [3] [4]

История [ править ]

Обеспокоенность ограниченностью мировых запасов урана мотивировала первоначальный интерес к ториевому топливному циклу. [5] Предполагалось, что по мере истощения запасов урана торий будет дополнять уран в качестве плодородного материала. Однако для большинства стран урана было относительно много, а исследования ториевых топливных циклов были в упадке. Заметным исключением была трехэтапная ядерно-энергетическая программа Индии . [6] В двадцать первом веке потенциал тория для улучшения устойчивости к распространению и характеристик отходов привел к возобновлению интереса к ториевому топливному циклу. [7] [8] [9]

В Национальной лаборатории Ок-Ридж в 1960-х годах в эксперименте с реактором с расплавленной солью использовались233
U
в качестве делящегося топлива в эксперименте по демонстрации части реактора-размножителя 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 жидком солевом расплаве, что устраняет необходимость в изготовлении топливных элементов. Программа MSR была прекращена в 1976 году после увольнения ее покровителя Элвина Вайнберга . [10]

В 1993 году Карло Руббиа предложил концепцию усилителя энергии или «системы, управляемой ускорителем» (ADS), которую он видел как новый и безопасный способ производства ядерной энергии с использованием существующих ускорительных технологий. Предложение Руббиа предлагало возможность сжигать высокоактивные ядерные отходы и производить энергию из природного тория и обедненного урана . [11] [12]

Кирк Соренсен, бывший ученый НАСА и главный технолог Flibe Energy, был давним сторонником ториевого топливного цикла и особенно реакторов с жидким фторидом тория (LFTR). Он впервые исследовал ториевые реакторы, работая в НАСА , при оценке проектов электростанций, подходящих для лунных колоний. В 2006 году Соренсен основал сайт energyfromthorium.com для продвижения и распространения информации об этой технологии. [13]

В исследовании MIT 2011 года сделан вывод о том, что, хотя существует мало препятствий для ториевого топливного цикла, при нынешних или ближайших конструкциях легководных реакторов также мало стимулов для какого-либо значительного проникновения на рынок. Таким образом, они приходят к выводу, что вероятность того, что ториевые циклы заменят обычные урановые циклы на нынешнем рынке ядерной энергии, мала, несмотря на потенциальные выгоды. [14]

Ядерные реакции с торием [ править ]

«Торий подобен влажному дереву [… его] нужно превратить в делящийся уран, так же как влажное дерево нужно высушить в печи».

- Ратан Кумар Синха , бывший председатель Комиссии по атомной энергии Индии . [15]

В ториевом цикле топливо образуется, когда 232
Чт
захватывает в нейтрон (будь то в быстрый реактор или тепловой реактор ) , чтобы стать233Чт. Обычно это испускает электрон и антинейтрино (
ν
) от β-распад, чтобы стать233Па. Затем он испускает еще один электрон и антинейтрино на секунду.
β-
распад, чтобы стать 233
U
, топливо:

Отходы продуктов деления [ править ]

При ядерном делении образуются радиоактивные продукты деления , период полураспада которых может составлять от нескольких дней до более 200000 лет . Согласно некоторым исследованиям токсичности [16] ториевый цикл может полностью перерабатывать актинидные отходы и выделять только отходы продуктов деления, и через несколько сотен лет отходы ториевого реактора могут быть менее токсичными, чем урановая руда , которая могла бы использоваться. производство низкообогащенного уранового топлива для легководного реактора той же мощности. Другие исследования предполагают некоторые потери актинидов и показывают, что отходы актинидов доминируют над радиоактивностью отходов ториевого цикла в некоторые будущие периоды. [17]

Отходы актинидов [ править ]

В реакторе, когда нейтрон попадает в делящийся атом (например, определенные изотопы урана), он либо расщепляет ядро, либо захватывается и трансмутирует атом. В случае233
U
трансмутации, как правило, производят полезное ядерное топливо, а не трансурановые отходы. Когда233
U
поглощает нейтрон, он либо делится, либо становится 234U. Вероятность деления при поглощении теплового нейтрона составляет около 92%; отношение захвата к делению233
U
, следовательно, составляет примерно 1:12 - что лучше, чем соответствующее соотношение захвата и деления 235U (примерно 1: 6) или 239
Пу
или же 241Пу(оба примерно 1: 3). [5] [18] В результате получается меньше трансурановых отходов, чем в реакторе, использующем уран-плутониевый топливный цикл.

234
U
, как и большинство актинидов с четным числом нейтронов, не делящийся, но захват нейтронов производит делящиеся235
U
. Если делящийся изотоп не может делиться при захвате нейтронов, он производит236U, 237Np, 238Пу, и в конечном итоге делящийся 239
Пу
и более тяжелые изотопы плутония . В237
Np
могут быть удалены и сохранены как отходы или сохранены и преобразованы в плутоний, где большая его часть расщепляется, а остаток становится 242Пу, затем америций и кюрий , которые, в свою очередь, могут быть удалены как отходы или возвращены в реакторы для дальнейшей трансмутации и деления.

Тем не менее 231Па (с периодом полураспада 3,27 × 10 4  года ), образовавшихся в результате ( n , 2 n ) реакций с232
Чт
(уступая 231
Чт
что распадается на 231Па), хотя и не являются трансурановыми отходами, но вносят основной вклад в долгосрочную радиотоксичность отработавшего ядерного топлива.

Загрязнение ураном-232 [ править ]

232Uтакже образуется в этом процессе за счет ( n , 2 n ) реакций между быстрыми нейтронами и233
U
, 233Па, и 232
Чт
:

В отличие от большинства тяжелых изотопов с четными номерами, 232
U
также является делящимся топливом, деление которого составляет чуть более половины времени, когда оно поглощает тепловые нейтроны. [19] 232
U
имеет относительно короткий период полураспада (68,9 лет ), а некоторые продукты распада испускают гамма-излучение высокой энергии , например224Rn, 212Би и особенно 208Tl. Полная цепочка распада , наряду с периодом полураспада и соответствующих гамма - энергии, является:

4 н Распад цепь из 232 Th, который обычно называют «торий серии»

232
U
распадается на 228Чтгде он присоединяется к цепочке распада232Чт

Топливо с ториевым циклом производит жесткое гамма-излучение , которое повреждает электронику, что ограничивает их использование в бомбах.232
U
нельзя химически отделить от 233
U
от отработанного ядерного топлива ; однако химическое отделение тория от урана удаляет продукт распада.228
Чт
и излучение от остальной части цепочки распада, которое постепенно накапливается как 228
Чт
накапливается заново. Загрязнения также можно избежать, используя реактор-размножитель с расплавленной солью и разделяя233
Па
прежде чем он распадется на 233
U
. [3] Жесткое гамма-излучение также создает радиологическую опасность, которая требует удаленного обращения во время переработки.

Ядерное топливо [ править ]

Как плодородный материал торий похож на 238
U
, большая часть природного и обедненного урана. Поглощение тепловых нейтронов сечение (σ ) и резонансный интеграл ( в среднем нейтронных сечений над промежуточными энергиями нейтронов) для232
Чт
примерно в три и одну треть больше соответствующих значений для 238
U
.

Преимущества [ править ]

Основное физическое преимущество ториевого топлива состоит в том, что оно делает возможным создание реактора-размножителя , работающего на медленных нейтронах , также известного как тепловой реактор-размножитель . [5] Эти реакторы часто считаются более простыми, чем более традиционные размножители быстрых нейтронов. Хотя сечение деления тепловыми нейтронами (σ f ) полученного233
U
сравнимо с 235
U
а также 239
Пу
, он имеет гораздо меньшее сечение захвата (σ γ ), чем два последних делящихся изотопа, обеспечивая меньшее поглощение неделящихся нейтронов и улучшенную нейтронную экономию . Отношение нейтронов, выпущенных на нейтрон, поглощенный (η) в233
U
больше двух в широком диапазоне энергий, включая тепловой спектр. Воспроизводящий реактор в уран-плутониевом цикле должен использовать быстрые нейтроны, потому что в тепловом спектре один нейтрон поглощается239
Пу
в среднем приводит к менее чем двум нейтронам.

По оценкам, содержание тория в земной коре примерно в три-четыре раза превышает содержание урана [20], хотя современные сведения о его запасах ограничены. Текущий спрос на торий как побочный продукт добычи редкоземельных элементов из монацитовых песков удовлетворяется . Примечательно, что в морской воде растворено очень мало тория, поэтому извлечение морской воды нецелесообразно, 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, улучшающие работу реактора и хранилища . По сравнению с преобладающим топливом реактора 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 обладает большей химической стабильностью и, в отличие от диоксида урана, не подвергается дальнейшему окислению . [5]

Поскольку 233
U
произведенное в ториевом топливе значительно загрязнено 232
U
В предлагаемых конструкциях энергетических реакторов отработанное ядерное топливо на основе тория обладает присущей ему устойчивостью к нераспространению .232
U
нельзя химически отделить от233
U
и имеет несколько продуктов распада, которые испускают высокоэнергетическое гамма-излучение . Эти высокоэнергетические фотоны представляют собой радиологическую опасность, которая требует использования удаленного обращения с выделенным ураном и помогает в пассивном обнаружении таких материалов.

Долгосрочные (порядка примерно 10 3 к10 6  лет ) в радиологической опасности обычного отработанного ядерного топлива на основе урана преобладают плутоний и другие второстепенные актиниды , после чего долгоживущие продукты деления снова становятся существенными составляющими. Одиночный захват нейтрона в238
U
достаточно для производства трансурановых элементов , тогда как для этого обычно требуется пять захватов из232
Чт
. 98–99% ядер топливного цикла ториевого цикла будут делиться либо при233
U
или же 235
U
, поэтому производится меньше долгоживущих трансуранов. Из-за этого торий является потенциально привлекательной альтернативой урану в смешанном оксидном (МОКС) топливе для минимизации образования трансурановых элементов и максимального разрушения плутония. [21]

Недостатки [ править ]

Есть несколько проблем, связанных с применением тория в качестве ядерного топлива, особенно для твердотопливных реакторов:

В отличие от урана, торий природного происхождения является мононуклидом и не содержит делящихся изотопов; делящийся материал, как правило233
U
, 235
U
или плутоний, необходимо добавить для достижения критичности . Это, наряду с высокой температурой спекания, необходимой для получения топлива из диоксида тория, усложняет изготовление топлива. Национальная лаборатория Окриджа экспериментировала с тетрафторидом тория в качестве топлива в реакторе с расплавом солей с 1964 по 1969 год, который, как ожидалось, будет легче обрабатывать и отделить от загрязняющих веществ, замедляющих или останавливающих цепную реакцию.

В открытом топливном цикле (т. Е. С использованием233
U
in situ), для достижения благоприятной нейтронной экономии необходимо более высокое выгорание . Хотя диоксид тория хорошо показал себя при выгорании 170 000 МВт-сут / т и 150 000 МВт-сут / т на генерирующей станции Форт-Сент-Врейн и АРН соответственно, [5] 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 менее долгоживущие трансурановые элементы, чем топливо на основе урана, некоторые долгоживущие актинидные продукты представляют собой долгосрочное радиологическое воздействие, особенно231
Па
а также 233
U
. [16] По замкнутому циклу,233
U
а также 231
Па
могут быть переработаны. 231
Па
также считается отличным поглотителем выгорающих ядов в легководных реакторах. [22]

Еще одна проблема, связанная с ториевым топливным циклом, - это сравнительно большой интервал, в течение которого 232
Чт
размножается 233
U
. Полувыведения из233
Па
составляет около 27 дней, что на порядок больше, чем период полураспада 239Np. В результате существенные233
Па
развивается в топливе на основе тория. 233
Па
является значительным поглотителем нейтронов и, несмотря на то, что в конечном итоге порождает в делящийся235
U
, это требует еще двух поглощений нейтронов, что ухудшает экономию нейтронов и увеличивает вероятность образования трансуранов .

В качестве альтернативы, если твердый торий используется в замкнутом топливном цикле, в котором233
U
является переработаны , дистанционное обращение необходимо для изготовления топлива из-за высоких уровней излучения , вытекающих из продуктов распада в232
U
. Это также верно и для вторичного тория из-за наличия228
Чт
, который является частью 232
U
последовательность распада. Кроме того, в отличие от проверенной технологии рециркуляции уранового топлива (например, PUREX ), технология рециркуляции тория (например, THOREX) только разрабатывается.

Хотя наличие 232
U
усложняет дело, есть публичные документы, подтверждающие, что 233
U
однажды использовался при испытании ядерного оружия . Соединенные Штаты испытали композит233
U
- ядро ​​плутониевой бомбы во время взрыва MET (Military Effects Test) во время операции «Чайник» в 1955 году, но с гораздо меньшей мощностью, чем ожидалось. [23]

Сторонники реакторов с жидкой активной зоной и расплавленных солей, таких как LFTR, утверждают, что эти технологии сводят на нет недостатки тория, присущие твердотопливным реакторам. Поскольку было построено только два реактора с жидкой активной зоной на фторидной соли (ORNL ARE и MSRE ), и ни один из них не использовал торий, трудно подтвердить точные преимущества. [5]

Реакторы на ториевом топливе [ править ]

Торий топлива питали несколько различных типов реакторов, в том числе легководных реакторов , тяжелых реакторов с водой , высокотемпературных реакторов газа , быстрых реакторов с натриевым охлаждением , и расплавленные соли реакторов . [24]

Список реакторов на ториевом топливе [ править ]

Из МАГАТЭ TECDOC-1450 «Ториевый топливный цикл - потенциальные преимущества и проблемы», таблица 1: Использование тория в различных экспериментальных и энергетических реакторах. [5] Дополнительно из Управления энергетической информации, «Выгрузки отработавшего ядерного топлива из американских реакторов», Таблица B4: Сборочный класс Dresden 1. [25]

См. Также [ править ]

 Портал ядерных технологий Энергетический портал 

  • Торий
  • Появление тория
  • Ядерная энергетика на основе тория
  • Список стран по ресурсам тория
  • Список стран по запасам урана
  • Усовершенствованный тяжеловодный реактор
  • Элвин Радковски
  • Реактор CANDU
  • Fuji MSR
  • Пик урана
  • Радиоактивные отходы
  • Ториевый Энергетический Альянс
  • Фонд Вайнберга
  • Мировые энергоресурсы и потребление

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Роберт Харгрейвс; Ральф Мойр (январь 2011 г.). «Ядерные реакторы на жидком топливе» . Форум Американского физического общества по физике и обществу . Проверено 31 мая 2012 года .
  2. ^ Sublette, Кэри (20 февраля 1999). «Вопросы и ответы по ядерным материалам» . http://nuclearweaponarchive.org . Проверено 23 октября 2019 года . Внешняя ссылка в |website=( помощь )
  3. ^ а б Канг, Дж .; Фон Хиппель, FN (2001). «U-232 и устойчивость U-233 к нераспространению в отработавшем топливе». Наука и всеобщая безопасность . 9 (1): 1–32. Bibcode : 2001S & GS .... 9 .... 1K . DOI : 10.1080 / 08929880108426485 . S2CID 8033110 .  «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 03 декабря 2014 года . Проверено 2 марта 2015 .CS1 maint: archived copy as title (link)
  4. ^ " " Супер-топливо "Торий - риск распространения?" . 5 декабря 2012 г.
  5. ^ a b c d e f g "Ториевый топливный цикл IAEA-TECDOC-1450 - потенциальные преимущества и проблемы" (PDF) . Международное агентство по атомной энергии. Май 2005 . Проверено 23 марта 2009 .
  6. ^ Ganesan Венкатараман (1994). Бхабха и его великолепные навязчивые идеи . Университеты Press. п. 157.
  7. ^ "IAEA-TECDOC-1349 Возможности топливных циклов на основе тория ограничивать плутоний и снижать токсичность долгоживущих отходов" (PDF) . Международное агентство по атомной энергии. 2002 . Проверено 24 марта 2009 .
  8. Эванс, Бретт (14 апреля 2006 г.). «Ученый призывает перейти на торий» . ABC News . Архивировано из оригинала на 2010-03-28 . Проверено 17 сентября 2011 .
  9. ^ Мартин, Ричард (21 декабря 2009 г.). «Уран - это последний век - введите торий, новую зеленую ядерную бомбу» . Проводной . Проверено 19 июня 2010 .
  10. ^ Миллер, Дэниел (март 2011). «Ядерное сообщество пренебрежительно восприняло сообщение о безопасности реактора: эксперт» . ABC News . Проверено 25 марта 2012 .
  11. ^ Дин, Тим (апрель 2006 г.). «Ядерный новый век» . Космос . Проверено 19 июня 2010 .
  12. ^ Маккей, Дэвид JC (20 февраля 2009). Устойчивая энергия - без горячего воздуха . UIT Cambridge Ltd. стр. 166 . Проверено 19 июня 2010 .
  13. ^ "Flibe Energy" . Flibe Energy . Проверено 12 июня 2012 .
  14. ^ Будущее ядерного топливного цикла (PDF) (Отчет). Массачусетский технологический институт. 2011. с. 181.
  15. ^ "Дата установлена ​​для топливного реактора" . Телеграф (Калькутта) . 2 сентября 2013 . Проверено 4 сентября 2013 года .
  16. ^ a b Le Brun, C .; Л. Матье; Д. Хойер; А. Нуттин. «Влияние технологии концепции MSBR на долгоживущую радиотоксичность и устойчивость к распространению» (PDF) . Техническое совещание по стратегиям управления Материала делящихся для устойчивого развития ядерной энергетики, Вена 2005 . Проверено 20 июня 2010 .
  17. ^ Brissot R .; Heuer D .; Huffer E .; Le Brun, C .; Луазо, Дж. М.; Nifenecker H .; Нуттин А. (июль 2001 г.). "Атомная энергия без (почти) радиоактивных отходов?" . Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC). Архивировано из оригинала на 2011-05-25. согласно компьютерному моделированию, проведенному в ISN, этот протактиний доминирует над остаточной токсичностью потерь при10 000  лет
  18. ^ «Интерактивная карта нуклидов» . Брукхейвенская национальная лаборатория . Дата обращения 2 марта 2015 . Сечения тепловых нейтронов в амбарах (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.
  19. ^ "9219.endfb7.1" . atom.kaeri.re.kr .
  20. ^ «Использование тория в качестве ядерного топлива» (PDF) . Американское ядерное общество. Ноября 2006 . Проверено 24 марта 2009 .
  21. ^ "Ториевое испытание начинается" . Мировые ядерные новости. 21 июня 2013 . Проверено 21 июля 2013 года .
  22. ^ "Протактиний-231 - новый выгорающий поглотитель нейтронов" . 11 ноября 2017.
  23. ^ "Операция Чайник" . 11 ноября 2017 . Дата обращения 11 ноября 2017 . Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )
  24. ^ Выгрузки отработавшего ядерного топлива из реакторов США . Управление энергетической информации . 1995 [1993]. п. 111. ISBN 978-0-7881-2070-1. Проверено 11 июня 2012 года .Они были произведены General Electric (код сборки XDR07G) и позже отправлены на участок реки Саванна для переработки.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Kasten, PR (1998). " Обзор концепции ториевого реактора Радковского " Наука и всеобщая безопасность, 7 (3), 237–269.
  • Дункан Кларк (9 сентября 2011 г.), « Thorium выступает за группу давления на запуск. Огромный оптимизм в отношении ториевой ядерной энергии при запуске Фонда Вайнберга », The Guardian
  • Нельсон, АТ (2012). «Торий: не коммерческое ядерное топливо в ближайшем будущем» . Бюллетень ученых-атомщиков . 68 (5): 33–44. Bibcode : 2012BuAtS..68e..33N . DOI : 10.1177 / 0096340212459125 . S2CID  144725888 .
  • Б.Д. Кузьминов, В.Н. Манохин, (1998) «Состояние ядерных данных для ториевого топливного цикла» , перевод МАГАТЭ из российского журнала Ядерные Константы (Ядерные константы) Выпуск № 3–4, 1997 г.
  • Сравнение ториевого и уранового топливных циклов , проведенное Национальной ядерной лабораторией Великобритании
  • Информационный бюллетень о тории на Всемирной ядерной ассоциации .
  • Аннотированная библиография по ториевому топливному циклу из цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос

Внешние ссылки [ править ]

  • Международный комитет по ториевой энергии