Ciclul combustibilului toriu

Ciclul combustibilului cu toriu  este un ciclu al combustibilului nuclear care utilizează izotopul de toriu Th-232 ca material fisionabil . În reactor, izotopul Th-232 este transformat în izotopul artificial de uraniu fisionabil U-233 , care este combustibil nuclear , într-un proces de transmutare nucleară . Spre deosebire de uraniul natural, toriul natural conține doar urme de material fisionabil (cum ar fi Th-231) care sunt insuficiente pentru a iniția o reacție nucleară în lanț . Pentru a inițializa ciclul combustibilului în aceste condiții, sunt necesare materiale fisile suplimentare sau o sursă suplimentară de neutroni. Într-un reactor cu toriu, Th-232 absoarbe neutronii și se transformă în U-233. Acest proces este similar cu cele din  reactoarele de generare a uraniului , unde izotopul de uraniu U-238 absoarbe neutronii pentru a forma izotopul fisionabil Pu-239. În funcție de proiectarea reactorului și de ciclul combustibilului, U-233 rezultat este fie fisionabil in situ , fie separat chimic de combustibilul nuclear uzat și folosit pentru a produce combustibil nou.

Ciclul combustibilului cu toriu are mai multe avantaje potențiale față de ciclul combustibilului cu uraniu , inclusiv disponibilitate mai mare a toriu, proprietăți fizice și nucleare mai bune, producție mai mică de plutoniu și actinide , ceea ce înseamnă o mai bună conformitate cu regimul de neproliferare nucleară atunci când este utilizat în apă ușoară tradițională. reactoare [1] [2] (deși nu este cazul reactoarelor cu sare topită). [3] [4]

Istorie

Interesul inițial pentru ciclul toriu a fost motivat de preocupările legate de resursele limitate de uraniu ale lumii. S-a presupus că, după epuizarea rezervelor de uraniu, toriul va fi folosit ca aditiv la uraniu ca material fisionabil. Cu toate acestea, deoarece rezervele de uraniu sunt relativ mari în multe țări, interesul pentru ciclul combustibilului cu toriu a dispărut. O excepție notabilă a fost programul de energie nucleară în trei etape al Indiei. [5] În secolul XXI, potențialul toriului în ceea ce privește neproliferarea armelor nucleare și reducerea producției de deșeuri nucleare a condus la un interes reînnoit pentru ciclul combustibilului toriu. [6] [7] [8]

În anii 1960, la Laboratorul Național Oak Ridge , experimentele  cu reactoare cu sare topită folosind izotopul U-233 ca combustibil au demonstrat o parte a ciclului combustibilului toriu. Experimentele cu reactorul cu sare topită (MSR) au fost necesare pentru a evalua capacitățile torii au folosit fluorură de toriu (IV) sub formă de topitură, eliminând necesitatea fabricării pilelor de combustie. Programul JSR a fost închis în 1976 după ce susținătorul său, Alvin Weinberg , a fost concediat. [9]

În 2006, Carlo Rubbia a propus conceptul unui amplificator de energie (accelerator driven system, ADS), pe care l-a văzut ca o modalitate nouă și sigură de a genera energie nucleară folosind tehnologiile de accelerație existente. Conceptul lui Rubbia oferă o oportunitate de a evita acumularea deșeurilor nucleare de nivel înalt prin generarea de energie din toriu natural și uraniu sărăcit . [10] [11]

Kirk Sorensen, fost om de știință NASA și tehnolog șef la Flibe Energy, a fost de multă vreme un promotor al ciclului combustibilului cu toriu și în special al reactorului cu fluorură lichidă de toriu (LFTR). În timp ce era la NASA, el a explorat mai întâi reactoarele cu toriu ca o opțiune pentru alimentarea coloniilor lunare. În 2006, Sorensen a fondat site-ul web „energyfromthorium.com” pentru a promova și a disemina informații despre această tehnologie. [12]

În 2011, Institutul de Tehnologie din Massachusetts a concluzionat că, deși nu există obstacole tehnice majore în calea aplicării ciclului combustibilului cu toriu, existența reactoarelor cu apă ușoară lasă puține stimulente pentru o pătrundere semnificativă pe piață a acestei tehnologii. Prin urmare, există puține șanse ca ciclul toriului să înlocuiască uraniul convențional pe piața energiei nucleare, în ciuda potențialelor sale beneficii. [13]

Reacții nucleare ale toriu

„Toriul este ca lemnul brut, trebuie mai întâi transformat în uraniu, la fel cum lemnul brut trebuie uscat pentru a lua foc”

În ciclul toriu, combustibilul nuclear se formează atunci când un neutron este captat de izotopul Th-232 (acest lucru poate apărea atât într -un reactor cu neutroni rapidi, cât și într- un reactor cu neutroni termici ), care produce izotopul Th-233. Ultimul izotop este instabil. De obicei, emite un electron și un antineutrin ( ν ) în procesul β−
-se descompun și se transformă într-un izotop de protactiniu Pa-233. Acest izotop suferă o altă descompunere β și se transformă în U-233, care poate fi folosit ca combustibil:

Deșeuri de produse de fisiune

Procesul de fisiune nucleară produce produse radioactive de fisiune care pot avea timpi de înjumătățire cuprins între câteva zile și peste 200.000 de ani. Conform unor studii [15] , ciclul toriu poate recicla complet deșeurile de actinidă, lăsând ca deșeuri doar produse de fisiune, iar în câteva sute de ani, deșeurile dintr-un reactor cu toriu vor fi mai puțin toxice decât minereul de uraniu, care este utilizat în producerea de combustibil cu uraniu slab îmbogățit pentru reactoare cu apă ușoară de aceeași putere. Alte studii indică faptul că contaminarea cu actinidă poate domina deșeurile din ciclul toriu în unele perioade viitoare. [16]

Actinide reziduale

Într-un reactor, atunci când neutronii lovesc atomi fisionabili (de exemplu, unii izotopi ai uraniului), ei fie rupe nucleul, fie sunt absorbiți de acesta, provocând transformări nucleare (transmutări) ale elementelor. În cazul U-233, transmutarea este mai probabil să producă combustibil nuclear utilizabil decât deșeurile transuraniu . Când U-233 absoarbe un neutron, acesta fie se divide, fie devine U-234. Probabilitatea de fisiune la absorbția unui neutron termic este de aproximativ 92%, adică raportul dintre captarea și probabilitățile de fisiune este de aproximativ 1:12, ceea ce este mai bun decât cifra corespunzătoare pentru U-235 (1:6), sau pentru Pu- 239 și Pu-241 (pentru ambele aproximativ 1:3). [17] [18] Rezultatul este mai puține deșeuri transuraniu decât un reactor care utilizează un ciclu de combustibil uraniu-plutoniu.

U-234, ca majoritatea nuclizilor pari , nu se fisiază, ci captează un neutron și devine U-235. Dacă acest izotop fisionabil nu se fisiază la capturarea unui neutron, se transformă în U-236, Np-237, Pu-238 și, eventual, în Pu-239 fisionabil și izotopi mai grei de plutoniu . Np-237 poate fi îndepărtat din combustibil și depozitat ca deșeuri sau transformat în plutoniu, care este parțial fisionabil și parțial transformat în Pu-242, iar apoi în americiu și curiu , care la rândul lor pot fi eliminate ca deșeuri sau returnate. în reactor pentru transmutare și fisiune.

Cu toate acestea, Pa-231 (cu un timp de înjumătățire de 32.700 de ani), care este produs din Th-232 prin reacția ( n ,2 n ) (prin izotopul Th-231, care apoi se transformă în Pa-231), este principalul factor de radiotoxicitate pe termen lung a combustibilului nuclear uzat.

Contaminarea cu uraniu-232

Uraniul-232 se formează și în acest proces prin reacția (n,2n) când neutronii rapizi lovesc U-233 de-a lungul lanțului prin Pa-233 și Th-232:

Uraniul-232 are un timp de înjumătățire relativ scurt (68,9 ani), iar unii dintre produșii săi de degradare, cum ar fi Rn-224, Bi-212 și în special Tl-208, emit raze gamma de înaltă energie . Lanțul complet de descompunere și timpii de înjumătățire ale fiecărui izotop sunt prezentate în următoarea figură:

Combustibilii ciclului de toriu emit radiații gamma dure care distrug electronicele, limitând astfel utilizarea lor ca arme atomice. U-232 nu poate fi separat chimic de U-233 în combustibilul nuclear uzat , totuși separarea chimică a toriului de uraniu îndepărtează produsul de descompunere Th-228 și previne formarea altor izotopi ciclului toriului. Poluarea poate fi evitată și prin utilizarea unui generator de sare topită și separarea Pa-233 înainte ca acesta să se descompună în U-233. Radiațiile gamma dure creează un pericol de radiații care necesită manipulare de la distanță în timpul reprocesării.

Combustibil nuclear

Ca combustibil nuclear, toriul este similar cu U-238, care constituie cea mai mare parte a uraniului natural și sărăcit. Secțiunea transversală de absorbție a neutronilor termici (σ a ) și integrala de rezonanță (secțiunea transversală medie de absorbție a neutronilor pentru neutronii de energie medie) pentru Th-232 sunt de aproximativ 3,3 ori mai mari decât valorile corespunzătoare pentru U-238.

Beneficii

Conform estimărilor existente, rezervele de toriu din scoarța terestră sunt de aproximativ trei până la patru ori mai mari decât rezervele de uraniu [19] , deși informațiile actuale despre rezervele de toriu sunt limitate. În prezent, toriul este obținut ca produs secundar al extracției elementelor pământurilor rare din nisipurile monazite .

Deși secțiunea transversală de fisiune a neutronilor termici (σ f ) a izotopului U-233 rezultat este comparabilă cu cea a U-235 și Pu-239, are o secțiune transversală de captare mult mai mică (σ γ ), permițând mai puține absorbții de neutroni neînsoțite. prin fisiune. În cele din urmă, raportul dintre numărul de neutroni emiși și un neutron absorbit (η) depășește 2 într-o gamă largă de energii, inclusiv spectrul termic și, ca urmare, combustibilul cu toriu poate deveni baza pentru un reactor de generare termică . Generatorul ciclului uraniu-plutoniu trebuie să folosească neutroni cu energie mai mare, deoarece pentru neutronii termici factorul de multiplicare este mai mic de 2.

Combustibilul cu toriu are, de asemenea, proprietăți fizice și chimice favorabile care îmbunătățesc performanța reactorului și a depozitării deșeurilor. În comparație cu combustibilul predominant din reactor, dioxidul de uraniu (UO 2 ), dioxidul de toriu (ThO 2 ) are un punct de topire mai mare, o conductivitate termică mai mare și un coeficient scăzut de dilatare termică . Dioxidul de toriu prezintă, de asemenea, o stabilitate chimică mai mare și, spre deosebire de dioxidul de uraniu, nu se oxidează în continuare .

Datorită faptului că U-233 produs în ciclul toriu este contaminat semnificativ cu izotopul U-232, combustibilul nuclear uzat al reactoarelor din proiectul propus nu este foarte potrivit pentru producerea de uraniu pentru arme, ceea ce contribuie la regimul de neproliferare nucleară. U-233 nu poate fi izolat chimic dintr-un amestec cu U-232. În plus, are mai multe produse de descompunere care emit raze gamma de înaltă energie . Acești fotoni de înaltă energie prezintă un pericol de radiații , sugerând lucrul de la distanță cu uraniu separat.

Pericolul de radiație pe termen lung (de ordinul a 10 3 - 10 6 ani) al combustibilului uraniu uzat convențional este cauzat în principal de plutoniu și actinide minore și în al doilea rând de produșii de degradare cu viață lungă. Captarea unui neutron de către izotopul U-238 este suficientă pentru a produce elemente transuraniu , în timp ce Th-232 necesită captarea a cinci neutroni. 98-99% din nucleele ciclului combustibilului toriu sunt transformate în U-233 sau U-235, restul de transuranii cu viață lungă sunt produse în cantități mici. Prin urmare, toriul este o alternativă potențial atractivă la uraniu din combustibilul MOX pentru a minimiza producția de elemente transuraniu și a maximiza distrugerea plutoniului. [douăzeci]

Dezavantaje

Există mai multe dificultăți în utilizarea toriului ca combustibil nuclear, în special pentru reactoarele cu combustibil solid:

Spre deosebire de uraniu, toriul natural conține un singur izotop și nu are izotopi fisionali, așa că trebuie adăugate materiale fisile precum U-233 sau U-235 pentru o reacție în lanț . Acest lucru, împreună cu temperatura ridicată de sinterizare a oxidului de toriu, complică fabricarea combustibilului. Experimentele au fost efectuate la Laboratorul Național Oak Ridge în 1964-1969 cu tetrafluorura de toriu ca combustibil pentru un reactor cu sare topită , în care, așa cum era de așteptat, ar fi mai ușor să se separe impuritățile care încetinesc sau opresc reacția în lanț.

Într -un ciclu deschis al combustibilului (adică folosind U-233 in situ), este necesar un grad ridicat de ardere pentru a obține un echilibru favorabil al neutronilor. Deși dioxidul de toriu prezintă rate de ardere de 170.000 MWd/t și 150.000 MWd/t la centralele Fort St. Vrain și , respectiv, AVR , este dificil de recuperat acest parametru cu reactoarele cu apă ușoară (LWR), care alcătuiesc marea majoritate a reactoarelor existente.

În ciclul deschis al combustibilului cu toriu, izotopul rezidual cu viață lungă U-233 este irosit.

O altă problemă cu ciclul combustibilului cu toriu este timpul relativ lung necesar ca Th-232 să se transforme în U-233. Timpul de înjumătățire al lui Pa-233 este de aproximativ 27 de zile, ceea ce este cu un ordin de mărime mai lung decât cel al lui Np-239. În consecință, Pa-233 existent este transformat în combustibil toriu. Pa-233 este un bun absorbant de neutroni și, deși în cele din urmă generează izotopul fisionabil U-235, acest lucru necesită absorbția a doi neutroni, ceea ce înrăutățește echilibrul neutronilor și crește probabilitatea apariției transuraniilor .

În plus, dacă toriul solid este utilizat într- un ciclu închis al combustibilului care revine la ciclul U-233, este necesară controlul de la distanță în fabricarea combustibilului datorită nivelurilor ridicate de radiații din produsele de descompunere U-233. Acest lucru este valabil și pentru toriu secundar datorită prezenței Th-228 care face parte din lanțul de descompunere a U-232. În plus, spre deosebire de tehnologiile dovedite de eliminare a combustibilului uraniu rezidual (de exemplu , PUREX ), tehnologiile de prelucrare a toriu (de exemplu, THOREX) sunt doar în curs de dezvoltare.

Deși prezența U-232 complică lucrurile, există documente publicate care arată că U-233 a fost folosit o dată la un test de arme nucleare . Statele Unite au testat o bombă compozită U-233-plutoniu în timpul Operațiunii Teapot din 1955, deși cu mult mai puțin efect decât se aștepta. [21]

Deși combustibilul cu toriu produce mult mai puține elemente transuraniu cu viață lungă decât uraniul, unele actinide cu viață lungă au efecte radiologice pe termen lung, în special Pa-231.

Apărătorii reactoarelor nucleare lichide și cu sare topită , cum ar fi LFTR, susțin că aceste tehnologii compensează deficiențele toriului prezent în reactoarele cu combustibil solid. Deoarece au fost construite doar două reactoare cu fluorură lichidă (ORNL ARE și MSRE) și niciunul dintre ele nu a folosit toriu, este greu de judecat beneficiile reale ale acestor reactoare.

Reactoare

Combustibilul cu toriu a fost folosit de mai multe tipuri diferite de reactoare, inclusiv reactoare cu apă ușoară, reactoare cu apă grea, reactoare cu gaz de temperatură înaltă, reactoare rapide răcite cu sodiu și reactoare cu sare topită . [22]

Lista reactoarelor cu toriu

Sursă de informații: IAEA TECDOC-1450 „Ciclul combustibilului toriu - Beneficii potențiale și provocări”, Tabelul 1: Utilizarea toriu în diferite reactoare experimentale și de putere. [17] Tabelul nu arată reactorul Dresden 1 (SUA), unde au fost folosite „tije unghiulare de oxid de toriu”. [23]

Note

1. ↑ Ralph Moir. Reactoare nucleare cu combustibil lichid . Forumul Societății Americane de Fizică pentru Fizică și Societate (ianuarie 2011). Preluat la 31 mai 2012. Arhivat din original la 20 septembrie 2020. (nedefinit)
2. ↑ Întrebări frecvente privind materialele nucleare
3. ↑ Kang, J.; Von Hippel, FN U-232 și rezistența la proliferare a U-233 în combustibilul uzat  (engleză)  // Science & Global Security : jurnal. - 2001. - Vol. 9 . — P. 1 . doi : 10.1080 / 08929880108426485 . Copie arhivată (link indisponibil) . Preluat la 2 martie 2015. Arhivat din original la 3 decembrie 2014. (nedefinit) 
4. ↑ „Supercombustibil” toriul un risc de proliferare? (5 decembrie 2012). Preluat la 6 aprilie 2018. Arhivat din original la 27 octombrie 2014. (nedefinit)
5. ↑ Ganesan Venkataraman. Bhabha şi obsesiile lui magnifice , pagina 157  . Presa Universităților, 1994.
6. ↑ IAEA-TECDOC-1349 Potențialul ciclurilor combustibilului pe bază de toriu de a limita plutoniul și de a reduce toxicitatea deșeurilor cu viață lungă . Agenţia Internaţională pentru Energie Atomică (2002). Preluat la 24 martie 2009. Arhivat din original la 28 aprilie 2021. (nedefinit)
7. ↑ Evans, Brett . Un om de știință îndeamnă la trecerea la toriu , ABC News  (14 aprilie 2006). Arhivat din original pe 28 martie 2010. Preluat la 17 septembrie 2011.
8. ↑ Martin, Richard . Uranium Is So Last Century - Enter Thorium, the New Green Nuke , Wired  (21 decembrie 2009). Arhivat din original pe 26 iunie 2010. Preluat la 19 iunie 2010.
9. ↑ Miller, Daniel Comunitatea nucleară a respins mesajul privind siguranța reactorului: expert . ABC News (martie 2011). Data accesului: 25 martie 2012. Arhivat din original pe 20 martie 2012. (nedefinit)
10. ↑ Dean, Tim New age nuclear (link nu este disponibil) . Cosmos (aprilie 2006). Consultat la 19 iunie 2010. Arhivat din original pe 5 ianuarie 2010. (nedefinit) 
11. ↑ MacKay, David J.C. Energie durabilă - fără aer cald  (neopr.) . - UIT Cambridge Ltd., 2009. - P. 166. Arhivat4 iunie 2016 laWayback Machine
12. ↑ Flib Energy . Energie Flib. Consultat la 12 iunie 2012. Arhivat din original pe 7 februarie 2013. (nedefinit)
13. ↑ Viitorul ciclului combustibilului nuclear, MIT, 2011, p. 181 , < https://energy.mit.edu/wp-content/uploads/2011/04/MITEI-The-Future-of-the-Nuclear-Fuel-Cycle.pdf > . Consultat la 6 aprilie 2018. . 
14. ↑ Data stabilită pentru reactorul cu combustibil  (2 septembrie 2013). Arhivat din original pe 8 septembrie 2013. Preluat la 4 septembrie 2013.
15. ↑ Le Brun, C. Impactul tehnologiei conceptului MSBR asupra radiotoxicității și rezistenței la proliferare de lungă durată (PDF). Technical Meeting on Fissile Material Management Strategies for Sustainable Nuclear Energy, Viena 2005. Consultat la 20 iunie 2010. Arhivat din original la 22 mai 2012. (nedefinit)
16. ↑ Brissot R., Heuer D., Huffer E., Le Brun, C., Loiseaux, JM, Nifenecker H., Nuttin A. Nuclear Energy With (Almost) No Radioactive Waste? (link indisponibil) . Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC) (iulie 2001). — „conform simulărilor pe computer făcute la ISN, acest Protactinium domină toxicitatea reziduală a pierderilor la 10.000 de ani ”. Arhivat din original pe 25 mai 2011. (nedefinit) 
17. ↑ 1 2 IAEA-TECDOC-1450 Ciclul combustibilului toriu - Beneficii și provocări potențiale (PDF). Agenţia Internaţională pentru Energie Atomică (mai 2005). Preluat la 23 martie 2009. Arhivat din original la 4 august 2016. (nedefinit)
18. ↑ Diagrama interactivă a nuclizilor . Laboratorul Național Brookhaven . Data accesului: 2 martie 2015. Arhivat din original pe 21 iulie 2011.  (nedefinit) Secțiuni transversale de neutroni termici în hambare (izotop, captură: fisiune, 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. ↑ Utilizarea toriului ca combustibil nuclear (PDF). Societatea Nucleară Americană (noiembrie 2006). Data accesului: 24 martie 2009. Arhivat din original la 8 septembrie 2008. (nedefinit)
20. ↑ Începe testul Thorium , World Nuclear News (21 iunie 2013). Arhivat din original pe 19 iulie 2013. Preluat la 21 iulie 2013.
21. ↑ Operațiunea ceainic . Arhiva armelor nucleare (15 octombrie 1997). Recuperat la 9 decembrie 2008. (nedefinit)
22. ↑ IAEA-TECDOC-1319 Utilizarea combustibilului toriu: opțiuni și tendințe . Agenţia Internaţională pentru Energie Atomică (noiembrie 2002). Preluat la 24 martie 2009. Arhivat din original la 30 august 2008. (nedefinit)
23. ↑ Evacuări de combustibil nuclear uzat din reactoarele americane (1993  ) . - Energy Information Administration , 1995. - P. 111. - ISBN 978-0-7881-2070-1 . Arhivate la 1 aprilie 2019 la Wayback Machine Au fost fabricate de General Electric (cod de asamblare XDR07G ) și ulterior trimise la Situl Savannah River pentru reprocesare.

Literatură

• Semchenkov Yu, Sidorenko V., Subbotin S., Alekseev P. Renașterea torii în energia nucleară? . - REA, 2014, Nr. 11, p. 14-17.
• Kasyan A. I., Khamidullin R. Ya. Perspective pentru ciclul toriu. Partea 1 . - Motor, 2012, nr 1, p. 48-51.
• Kasyan A. I., Khamidullin R. Ya. Perspective pentru ciclul toriu. Partea 2 . - Motor, 2012, nr.2, p. 42-45.
• Kasten, P. R. (1998). „ Review of the Radkowsky Thorium reactor concept  (link unavailable) ” Science & Global Security, 7(3), 237-269.
• Duncan Clark (9 septembrie 2011), « Thorium pledează pentru lansarea unui grup de presiune. Optimism uriaș pentru energia nucleară cu toriu la lansarea Fundației Weinberg , The Guardian
• Nelson, A.T. Thorium: Nu este un combustibil nuclear comercial pe termen scurt  // Bulletin of the Atomic Scientists  : journal  . - 2012. - Vol. 68 , nr. 5 . — P. 33 . - doi : 10.1177/0096340212459125 .
• BD Kuz'minov, VN Manokhin, (1998) „Starea datelor nucleare pentru ciclul combustibilului toriu” , traducere AIEA din jurnalul rus Yadernye Konstanty (Constante nucleare) Numărul nr. 3-4, 1997
• Compararea ciclurilor combustibilului cu toiu și uraniu de către Laboratorul Național Nuclear al Regatului Unit
• Fișă informativă despre toriu la World Nuclear Association .
• Bibliografie adnotată pentru ciclul combustibilului toriu din Biblioteca digitală Alsos pentru probleme nucleare

Link -uri

• Comitetul Internațional pentru Energie a Toriului