toriyat li e budeshteto na yadrenata energetika

Торият ли е бъдещето на ядрената енергетика?

Сподели

Освен ако наистина не се интересувате от любопитни факти за газовите фенери и мантиите, които правят светлината им толкова ярка, вероятно никога не сте чували за торий, но може да чуете много повече за него в бъдеще. Този непретенциозен метал може един ден да съперничи на урана като предпочитано ядрено гориво.

Какво е торий?

Открит през 1828 г. от шведския химик Йонс Якоб Берцелиус, торий е кръстен на Тор, скандинавския бог на гръмотевиците. Това е леко радиоактивен метал, открит в следи в скали и почви по целия свят и е особено разпространен в Индия и щата Айдахо.

Торият има само един основен изотоп – 232Th – и другите му съществуват само в малки следи. Този изотоп в крайна сметка се разпада до оловен изотоп 208Pb Но това, което прави тория интересен, е това 232Th може лесно да абсорбира преминаващите неутрони, превръщайки го в 233Th. Този нов изотоп за броени минути излъчва електрон и антинеутрино, за да стане 233Ра, изотоп на паладий. С полуживот от 27 дни, това след това се превръща в уранов изотоп, наречен 233У.

С други думи, ядрено гориво.

Предизвикателството е да се проектират горива и реактори, които могат да произвеждат повече 233U, отколкото реакторът консумира. Ако това може да се постигне, тогава торият има предимство пред урана, който не може да произвежда повече гориво или да се „размножава“ в конвенционален реактор. Възможно е също така да се смесват торий и плутоний в хибридно гориво, където се произвежда уран, докато плутоният се консумира.

Номерът е да се намери оптималната смес и подредба на горивото, за да се справи с неутроните и тяхното поглъщане. Торият също така абсорбира бързи неутрони, така че те могат да се използват в бърза разтопена сол и други реактори от поколение IV, които се появяват сега, с ураново или плутониево гориво за иницииране на делене – въпреки че не работи толкова добре, колкото 238У.

Ториеви реактори

Редица ториеви реактори са построени от 1960 г., като се започне от ядрения реактор на базата на торий в националната лаборатория Oak Ridge и няколко изследователски реактора са в експлоатация днес. Днес торият се разглежда от някои като решение за хиляда години на енергийни и екологични проблеми, но такова, което се компенсира от високите начални разходи и редица технически препятствия.

Част от причината, поради която развитието е толкова бавно, е, че реакторите на базата на уран и инфраструктурата, която да ги поддържа, имаха дълъг старт след Втората световна война. Разработването на реактор с бърз размножител с течен метал (LMFBR) през 70-те години на миналия век изглеждаше много по-обещаващо от тория за търговски приложения и правителството на САЩ до голяма степен изостави изследванията на тория след 1973 г.

В началото на 21-ви век много инженери в областта дори не са знаели за ториевите реактори. Днес има редица различни дизайни на ториеви реактори в процес на разработка, особено в Индия и Китай. Ето един поглед към някои от ториевите реактори, които работят, се строят или все още са на чертожната дъска.

Усъвършенстван тежководен реактор (AHWR)

Това са реактори, в които неутроните се забавят или смекчават от тежка вода, която е химически идентична с обикновената лека вода, но водородните атоми се заменят с деутерий, който е водород с допълнителен неутрон (2H). Охлаждането е чрез лека вода, която естествено циркулира в басейн, задвижван от гравитацията.

Тъй като торият абсорбира неутрони, той е много добро гориво за AHWR. В допълнение, технологията вече се използва от десетилетия в реактори с тежка вода като CANDU. След като горивото на водача е заменено с рециклирано 233U, 80 процента от произведената енергия е от цикъла на тория.

Най-новият индийски дизайн, реакторът AHWR-300, ще използва ториево ядро, когато влезе в експлоатация в Центъра за атомни изследвания Bhabha (BARC), в Мумбай.

Воден хомогенен реактор (AHR)

Водните хомогенни реактори (AHR) се различават от другите реактори по това, че имат ядрени соли като уранов сулфат или уранов нитрат, разтворени в лека или тежка вода, която действа като източник на гориво, охлаждаща течност и модератор. Чрез използване на тежка вода е възможно да се въведе разтворима ториева сол в сместа.

Реактор за вряща вода (BWR)

Както подсказва името, реакторите с вряща вода работят чрез кипене на охлаждащата вода, за да произвеждат пара за въртене на турбини. Те имат предимството, че имат гъвкав дизайн с горивни пръти с различна дължина и състав, които могат да бъдат подредени в сърцевината, за да отговарят на торий-плутониеви горива. В тези реактори е възможно да се конфигурират ториевите елементи, за да се превърне BWR в реактор за размножаване, който произвежда повече гориво, отколкото консумира, което обикновено не е възможно с термични неутронни ядра.

Воден реактор под налягане (PWR)

Водните реактори под налягане (PWR) са едни от най-разпространените ядрени реактори и използват активна зона в съд под налягане за повишаване на температурата на водата. Въпреки че е възможно да се произвеждат ториеви горивни елементи за тези реактори, техният дизайн не е много гъвкав и не може да произвежда значителни количества 233У.

Реактор с разтопена сол (MSR)

Реакторите с разтопена сол (MSR) използват смес от соли, загрята до 700 °C (1292 °F), както като охлаждаща течност, така и като контейнер за ядреното гориво. В този случай смес от ториев флуорид и уранов флуорид се смесва в солите, вместо да се съдържа в горивните пръти. Това не само прави реактора по-ефективен, но премахва необходимостта от тежки конструкции, които да съдържат реактора, тъй като той работи при атмосферно налягане и позволява системи за пасивна безопасност в случай на спиране. В допълнение, реакторът може редовно да се зарежда с гориво и да се почиства от странични продукти чрез химически контур и има потенциала да бъде реактор-размножител.

Високотемпературен реактор с газово охлаждане (HTR)

Високотемпературните реактори с газово охлаждане (HTR) са реактори от поколение IV, които използват горива на базата на торий под формата на камъчета, покрити с пиролитичен въглерод и слоеве от силициев карбид, които задържат газовете на делене, и след това покрити с графит, който действа като забавител и предпазва горивото от високи температури. Тези реактори с камъче легло се захранват с гориво отгоре и отработените камъчета се отстраняват от дъното. Охлаждането се осъществява чрез циркулация на инертен газ хелий.

Реактор за бързи неутрони (FNR)

Реакторите с бързи неутрони (FNR) използват бързи неутрони вместо бавни или термични неутрони, използвани в реакторите от конвенционалната разновидност. Този тип реактор не се нуждае от модератор, за да функционира и може да гори торий, но може да използва и обеднен уран, който е в големи количества и е сравнително евтин.

Реактор, задвижван от ускорител (ADS)

Ускорителният реактор (ADS) е концептуален реактор, който може да използва торий, смесен с плутоний. При този дизайн горивото се поддържа с по-ниска плътност, отколкото би била необходима за поддържане на ядрена реакция. Вместо това горивото се бомбардира с неутрони, генерирани от ускорител на частици. Това го прави много безопасен и произвежда много краткотрайни ядрени отпадъци, но изграждането на ускорител, който е достатъчно надежден за такъв реактор, остава основна пречка.

Предимства недостатъци

Торият като бъдещо ядрено гориво предлага редица предимства и недостатъци в сравнение с урана. Не на последно място е, че друг източник на гориво би увеличил значително наличните енергийни ресурси. Торият е в изобилие като олово в земната кора и доставките в Съединените щати биха могли да задоволят енергийните нужди на страната за хиляда години, без значителното обогатяване, необходимо за урановите горива. В допълнение, някои конструкции на ториеви реактори могат да произвеждат по-малко ядрени отпадъци от сегашните реактори под налягане, а произведените отпадъци се разпадат много по-бързо от изотопите от конвенционалните горива.

От другата страна на монетата, разработването на ториева ядрена енергийна система би изисквало скъпо развитие и тестване, което е трудно да се оправдае, тъй като уранът е сравнително евтин и много малка част от разходите за изграждане на реактор е в горивото. Освен това горивата на базата на уран все още ще са необходими като двигател за стартиране на ядрената реакция, което означава, че инфраструктурите на тория и урана трябва да бъдат запазени.

След това е въпросът за 233U, който е труден за справяне поради проблеми с радиацията, тъй като съдържа следи от 232U, който е много активен излъчвател на гама лъчи.

Погрешни схващания

Идеята за използване на торий за производство на енергия е привлякла редица погрешни схващания и дори откровени конспиративни теории. Част от това се дължи на факта, че много проекти за ториеви реактори са усъвършенствани от поколение IV и реактори за размножаване.

Това изглежда обърка хората да мислят, че всички ториеви реактори са нещо по-напреднало от урановите реактори и че ториевите и реакторите за размножаване са синоними. В някои кръгове това е издигнало тория в чудодейна технология, която се предполага, че се потиска от тъмни сили до нищо добро.

Едно упорито погрешно схващане е, че торият не може да се използва за производство на ядрени оръжия и това е причината технологията да бъде изоставена. Това е вярно, ако се говори за самия торий, но 233Той произвежда може и е бил използван в бомба, въпреки че е твърде радиоактивен, за да се борави с него от всеки друг, освен от експерти и ако дизайнът не е правилен, 233U ще детонира предварително и оръжието няма да функционира правилно.

Някои твърдят, че торият е бил потиснат от администрацията на Никсън, защото не може да се използва за производство на плутоний, който се използва в ядрените оръжия. Това не издържа, защото САЩ винаги са държали своите граждански и военни ядрени програми строго разделени. Освен това гражданските реактори така или иначе не са подходящи за производство на оръжеен плутоний.

Всъщност от тория до голяма степен се отказаха по икономически причини – горивото беше скъпо за производство и уранът все още беше необходим в сместа.

Друго погрешно схващане е, че има повече торий, отколкото уран. Въпреки че е вярно, че в земната кора има три пъти повече торий в сравнение с урана, торият не е разтворим във вода, докато уранът е. Това означава, че океаните съдържат приблизително пет милиарда тона уран, за разлика от 6,4 милиона тона торий в земната кора, и повече ще изтекат от кората в морето, докато се извлича.

Накратко, докато торият може да захранва нашата цивилизация в продължение на хиляди години, ако морският добив стане практичен, уранът може да захранва човечеството, докато не трябва да се преместим на друга звезда, защото Слънцето е остаряло твърде много.

Въпреки това, торий е в изобилие и е лесно достъпен на места като Индия, която се възползва от местните си доставки за изграждане на ториеви реактори. Във всеки случай, тъй като повечето напреднали ядрени реактори са размножители, въпросът за горивото може бързо да стане спорен.

Този последен бит е особено важен, защото докато ториевите реактори произвеждат много по-малко дълготрайни трансуранови ядрени отпадъци от урановите реактори, реакторите за размножаване на бързи неутрони, комбинирани с преработка, имат същото обещание.

Бъдещето


Понастоящем торият се възражда, като в Холандия се провеждат експерименти върху технологията за разтопена сол на тория и се изграждат реактори не само в Индия, но и в Китай и другаде. В един свят, който става все по-загрижен за въглеродните емисии, призивите за разширяване на дела на ядрената енергия с нулев въглерод на световния пазар стават все по-силни. Може да се окаже, че с въвеждането на технологията на реактора от поколение IV нашата енергия ще идва от мрежа с уран и торий в сместа.

Тоест, ако мощността на синтеза не стане практична дотогава. Ако е така, всички залози са изключени.

.

Публикациите се превеждат автоматично с google translate


Сподели