Наступна дисертація призначена для одного з наших читачів, Таналете надав нам у відповідь на запитання та пропозиції, отримані в коментарях щодо торієвих реакторів. Редакція ще раз хоче подякувати Вам за Ваші зусилля!
Через підвищений ризик безпеки та подвійне використання палива, ядерна енергетика займає особливе місце як в енергетиці, так і в політиці безпеки, оскільки для використання в цивільних цілях при мінімізації зменшується ризик розповсюдження. З технічної точки зору, цього в даний час досягається за допомогою правильної технології та палива.
Останнім часом торій згадується дедалі частіше як паливо, яке зменшує ризики розповсюдження та має багато корисних властивостей, тому варто трохи розібратися в тому, про що йдеться. Однак перед детальним описом властивостей торію, а також його переваг та недоліків я хотів би сказати кілька слів про паливо загалом.
Уран і плутоній
На високодіючий ізотоп урану 235, необхідний для роботи реакторів, припадає лише 0,71% природного урану, а решта 99,29% ізотопу 238, що мало розщеплюється. Ступінь збільшення кількості 235U для роботи даного реактора, тобто збагачена ланцюгова реакція, при якій відбувається самопідтримувана ланцюгова реакція, залежить від технології конкретного реактора та використовуваного модератора. Так, наприклад, у випадку сповільнювачів важкої води (D2O) або графіту ланцюгова реакція відбувається навіть із використанням природного уранового палива, при 3% збагаченні підходить сповільнювач легкої води (H2O), а при 40% для збагачення модератор не потрібен. Уран для військового використання, як правило, повинен бути вище рівня збагачення 90%, але нижчих рівнів достатньо для брудних бомб.
Окрім урану, слід згадати плутоній, який є ще одним класичним матеріалом, необхідним для виготовлення атомної бомби, її утворення є природним наслідком процесів, що відбуваються в реакторі. Частина уранового палива в кожному реакторі виробляє різні ізотопи плутонію шляхом захоплення нейтронів і β-розпаду, спочатку з хорошим розподілом 239Pu, а потім 240Pu шляхом подальшого захоплення нейтронів, що, однак, вже непридатне для виробництва ядерної зброї. Коли свіже паливо вигорає, спочатку частка розподілених ізотопів у всіх ізотопах плутонію вища, але згодом більшість нерозщеплюваних стає. Ось чому, якщо з реактора потрібно витягувати збройовий плутоній, паливо часто міняють, бо хоча кількість 239Pu, яку можна витягти на той момент, ще менша, порівняно висока чистота.
Торій
Торій не є новинкою як потенційне паливо для реакторів, оскільки це відносно складна і дорога технологія, в останні роки Індія була виключена з міжнародного ядерного ринку через відсутність ДНЯЗ та індуїстської атомної бомби і має одну з найбільші у світі запаси торію. Практично єдиним, хто доклав серйозних зусиль для дослідження торієвих атомних електростанцій. Однак ця ситуація може змінитися в найближчі роки, оскільки в 2009 році AECL також уклав угоди з трьома китайськими компаніями про розробку електростанцій, що працюють на торії, а цього року Арева також домовилася з американською корпорацією Lightbridge щодо оцінки ЕРВ, що працює на торії від Areva. Однак те, що виходить за межі важливості цих конвенцій, це використання торію в майбутніх атомних енергетичних системах четвертого покоління.
Сам торій є трохи радіоактивною речовиною і приблизно в три-чотири рази перевищує кількість урану. Це відбувається в природі в чистому вигляді (найпоширеніший ізотоп 232Th розпадається дуже повільно, період напіввиведення втричі перевищує земний) і у вигляді забрудненого оксидом оксиду торію (ThO2). Через свої горючі та плавильні властивості його часто використовують, наприклад, у лампочках, дугових лампах або для термостійкої кераміки.
Найважливішим джерелом торію є рідкісний фосфатний мінерал, монацит, який може містити до 12% фосфату торію, проте в середньому він містить 6-7%. Світові запаси монозитів оцінюються приблизно в 12 мільйонів тонн, приблизно дві третини з яких розташовані на південному та східному узбережжі Індії. Іншим важливим джерелом торію є мінерал, який називається торит.
Згідно з даними МАГАТЕ-NEA "Уран 2007: ресурси, виробництво та попит", загальний запас торію у світі становить приблизно 4,4 млн. Тонн, але це не включає дані для багатьох частин світу. За їхніми оцінками, 19% економічно придатних запасів утримується Австралією, 15% - США, 13% - Туреччиною, 12-12% - Індією, Венесуелою та Бразилією, а решта розподіляється меншими пропорціями Норвегії, Росії, Гренландії ., Канада, ПАР та інші країни.
Сам торій не розщеплюється у своїй природній формі, однак 232Th можна перетворити на ізотоп 233U, який уже ділиться. У процесі 233Th утворюється з 232Th шляхом поглинання нейтронів, з якого після β-розпаду утворюється ізотоп 233U. Приблизно 11% 233U поглинається додатковим поглинанням нейтронів, утворюючи звичайне реакторне паливо, 235U. Потім отримане паливо можна видалити з реактора, 233U вибрати окремо, а потім знову заправити в інший реактор як паливо в рамках закритого паливного циклу. В якості альтернативи 233U отримують у торійвмісному покривному шарі, а потім поміщають в активну зону реактора після поділу.
Паливний цикл на основі торію має низку переваг, таких як наявність рясного джерела, хоча запаси ще не були точно оцінені (тут варто зазначити, що тоді як у випадку природного урану достатньо лише 0,7% ізотопів)., до цього часу весь видобутий торій придатний для виробництва палива). Ще однією перевагою є те, що паливний цикл на основі торію утворює набагато менше довгоживучих трансуранових елементів як відходів і, загалом, набагато менше радіоактивних відходів.
Однак його недоліком є висока вартість отримання ізотопу 233U, а сильна радіоактивність допоміжних елементів під час розпаду кожного ізотопу робить дуже дорогим і важким переробку самого торію, і все ще існують невирішені технічні проблеми з переробкою твердого палива .
Думки розділені щодо стійкості до розповсюдження паливного циклу на основі торію. Оскільки 233U придатний для виготовлення пістолетів і може бути розділений, з цього приводу виникало занепокоєння. Однак у більшості випадків реактор вже спроектований таким чином, що не створює ризику (торієвий реактор Радковського був спеціально розроблений для вирішення цієї проблеми, оскільки він не вимагає поділу 233U, і подальші кроки можуть призвести до паливо, ще більш непридатне для зброї, наприклад, можна нейтралізувати 233U додаванням природного або збідненого урану).
З точки зору розповсюдження, ще однією перевагою є те, що навіть якщо 233U відокремити, він завжди містить сліди 232U з періодом напіввиведення 69 років, продукти розпаду яких мають дуже короткий період напіввиведення і дуже сильні γ- випромінювачі. Як наслідок, з цією речовиною дуже важко поводитися і легко виявити. На практиці це означає, що людина, яка зобов’язується виготовити бомбу, без належного обладнання отримає таку дозу дуже швидко, що в ній загине. Тому використання 233U для виготовлення бомб набагато складніше і дорожче, ніж “традиційні методи”, тому національні держави вважаються малоймовірними для вибору цього методу. Для обробки матеріалів потрібне сучасне обладнання, до якого терористичні групи практично не мають доступу.
У будь-якому випадку, реактори, що працюють на торії, все ще попереду велике майбутнє і, ймовірно, зіграють важливу роль у стійкості ядерної енергетики.