?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

В мире людей, далеких от атомной энергетики существует почти конспирологическая идея о том, что ТОРИЙ - это то, что злобные атомные буратины скрывают от пушистых потребителей электричества. Дешевый, безопасный и не оставляющий радиоактивных отходов он мог бы привести атомную энергетику на вершины могущества, но по каким-то причинам не привел.


Загрузка ториевой ТВС в норвежский исследовательский реактор Halden.

Сегодня основой атомной энергетики является изотоп U235, извлекаемый из природного урана. Причина этого проста - это единственный природный изотоп, поддерживающий цепную реакцию деления, и естественно, что с него и началась атомная энергетика. Теоретический альтернативой U235 служат два искусственных изотопа - U233, получаемый  трансмутацией сегодняшнеего героя Th232 и Pu239, получаемый трансмутацией U238. Процесс трансмутации и последующего использования искусственных изотопов в виде топлива называется замкнутый ядерный топливный цикл (ЗЯТЦ).


Тяжеловодные реакторы - один из трех главных вариантов (наряду с газоохлаждаемыми и жидкосолевыми), в которых может быть применен ториевый цикл.

Таким образом, первый момент, почему мы не видим сотни реакторов на тории, весело снабжающих мир электричеством - торий не является ядерным топливом. Он имеет смысл только в составе замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ), который полноценно так нигде и не был воплощен. Так же как и ЗЯТЦ на уране, торию будут нужны быстрые реакторы с коэффициентом воспроизводства больше 1, радиохимические перерабатывающие заводы и прочие фишки ЗЯТЦ.

Фактически, Th232 - это конкурент U238 - вещество, которое можно превратить в ядерное топливо. Если говорить в общем у каждого из кандидатов в ядерное топливо есть свои плюсы и минусы


  1. В земной коре тория в несколько раз больше, чем урана. Это плюс торию.


  2. У тория нет проблем с минорными актиноидами, топливо на основе ториевого цикла становится не радиоактивным уже через несколько сот лет против сотен тысяч у уранового цикла. Это его главный плюс.


  3. Однако торий надо добыть, в то время как 3,5 млн тонн урана уже лежат на складах


  4. При трансмутации Th232->U233 образуется промежуточный Pa233, который довольно долго распадается и является нейтронным ядом. Это огромный минус, о нем мы поговорим ниже.


  5. Побочный изотоп U232, который будет нарабатываться в топливе с торием дает при распаде цепочку жестких гамма-излучателей, которые резко осложняют переработку ОЯТ.


Понятно, что с таким гандикапом (пункт 3) и отсутствием ЗЯТЦ у тория не очень-то много шансов на реализацию, как минимум на сегодня.  Да и в остальном у тория нет каких-то недостатков или преимуществ. Часто ему приписывают, например, что он не имеет проблем распространения ядерно-оружейных технологий. Это не так. Да, тут нет плутония, но есть U233, из которого отлично получаются ядерные бомбы.


Превращение материалов в топливе современного реактора: 3,5% U235 распадается в продукты деления, паралельно из U238 нарабатывается 3% Pu, 2% из которых тоже распадается, давая тепло и нейтроны.

Теперь давайте поговорим о пунктах 2 и 4 поподробнее, т.к. они являются определяющими для будущего тория.

Итак, что за проблема минорных актиноидов? При работе ядерного реактора на обычном, человеческом топливе из 3-5% U235  и 95-97% U238 при поглощении нейтронами образуются разнообразные неприятные вещества - минорные актиноиды. К ним относят нептуний Np-237, изотопы америция Am-241, -243, кюрия Cm-242, -244, -245. Все они радиоактивны, и довольно неприятно - мощные гамма излучатели. Однако в свежем ОЯТ их будет совсем немного - несколько килограмм на тонну, против десятков килограмм продуктов деления (типа знаменитого Cs-137), которые еще более активны. В чем же проблема?


Превращения изотопов в урановом топливе в реакторе.

Проблема в периоде полураспада. Самый длинный период полураспада продуктов деления как раз у Cs-137 - и он составляет ~30 лет. За 300 лет его активность уменьшится в 1000 раз, а за 900 - в миллиард. Это значит, что за исторически обозримое время можно перестать беспокоиться о коррозии ОЯТ и охранять его от нехороших любителей радиоактивности.


Оценки для ядерной энергетики: мощности в ГВт Pel, исторической выработки энергии в ГВт*годах Qel, массы ОЯТ в тоннах, массы плутония в этом ОЯТ MPu в тонных, и остальных изотопах в килограммах

А вот для минорных актиноидов периоды полураспада составляют тысячи лет. Это значит, что сроки хранения удлиняются с сотен лет до десятков тысяч. Такое время уже довольно сложно представить, зато можно представить, что при интенсивной работе атомной энергетики через несколько тысяч лет ОЯТом будет заставлена довольно большая территория, а самой популярной профессией будет “охранник хранилища ОЯТ”.


А шведы уже захоранивают ядерное топливо навсегда по такой схеме в хранилище Forsmark.

Ситуация меняется, если вместо цикла с однократным использованием топлива (который существует сейчас) мы переходим к замкнутому циклу - нарабатывая из U238 или Th232 ядерное топливо и сжигая его в реакторе. С одной стороны объем ОЯТ по понятным причинам резко уменьшается, а вот с другой - количество минорных актиноидов будет расти и расти. Проблема уничтожения (путем трансмутации и расщепления) минорных актиноидов в ядерных реакторов с 70х является одной из существенных на пути к разворачиванию ЗЯТЦ.


И вот тут Th232 на коне. В его ЯТЦ не будут образовываться МА, а значит нет и проблем с хранением ОЯТ “вечно”, и проблем с обращением с этими очень сложными и неприятными субстанциями в ходе переработки уранового ОЯТ. Таким образом торий получает важное преимущество - ЗЯТЦ на нем чем-то может быть проще.


Жидкосолевой реактор - вечный спутник идеи ториевой энергетики.

И тут же компенсирует его своими неприятными ядерно-физическими особенностями. Наработка ядерного топлива из U238->Pu239 и Th232->U233 происходит через генерацию промежуточных изотопов Np239 и Pa233 соответственно. Оба они являются “нейтронными ядами”, т. е. паразитно поглощают нейтроны, только вот период полураспада Протоактиния в 10 раз больше, т.е. содержание в топливе его в 1000 (2^10) раз больше. Это вызывает заметные проблемы при попытке сделать “классический” быстрый реактор на U233 и Th232. Из этой проблемы под руку с ториевым циклом ходит идея жидкосолевого реактора - емкости с расплавом “ядерной” соли FLiBe = LiF + BeF2 и добавленными туда фторидами Th232 и U233.



FLiBe с примесью фторида U233  в твердом и жидком виде имеет правильный для ядерного реактора цвет.

Такой реактор управляется с помощью контроля утечки нейтронов из активной зоны, и фактически не имеет никаких исполнительных механизмов внутри АЗ, а главное - постоянно очищается радиохимическим способом от Pa233 и продуктов распада U233. Идея ЖСР - святой грааль ядерной инженерии, но одновременно кошмар материаловедов - в этом расплаве быстро образуется вся таблица менделеева в буквальном смысле, и сделать материал, который будет удерживать такую смесь без коррозии в условиях высокой температуры и радиации пока не получается.


Разрез индийского AHWR - единственного в мире промышленного реактора, планируемого к работе на Th/U233 и Th/Pu239 MOX.

Таким образом можно резюмировать: пока у атомной индустрии нет ни особых потребностей, ни возможностей по строительству ториевой энергетики. Экономически это выглядит так - торий не интересен, пока стоимость килограмма урана не превысит 300$, как это сформулировано в выводах отчета МАГАТЭ по ториевому циклу. Даже индусы, в условиях ограничения поставок урана (и отсутствия его ресурсов внутри страны) сделавшие в 80х ставку на ториевый ЗЯТЦ сегодня постепенно сворачивают усилия по его запуску. Ну а нашей страны есть только интересно наследие из эпохи, когда плюсы и минусы тория были непонятны - склады с 80 тысячами тонн монацитового песка (ториевой руды) в Красноуфимске, но нет больших экономически оправданных месторождений тория и планов по его освоению для ядерной энергетики.

Comments

( 37 comments — Leave a comment )
cn_mangetsu
Aug. 16th, 2015 09:25 pm (UTC)
Вот спасибо за разъяснения. А то, помнится, crust_group этого вопроса касался, но в своей обычной манере „на самом деле у нас есть такие перспективы…“
(Deleted comment)
(no subject) - Андрей Гаврилов - Oct. 16th, 2016 02:55 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Oct. 16th, 2016 02:56 pm (UTC) - Expand
ardelfi
Aug. 16th, 2015 10:46 pm (UTC)
В рассуждениях (не столько ваших, сколько в традиции) есть допущения, не являющиеся константами, но считающиеся такими. Например:
1. "Много гаммы затрудняет переработку". Дерзну предположить, что гамма никак не влияет на химические и физические процессы переработки топлива. Единственное на что гамма влияет без исключений -- это тушки человеков поблизости. Если их нет поблизости, нет и проблемы с гаммой. Проблемой это было 50 лет назад, когда кроме тушек не было никаких аппаратов для реализации химических и физических процессов переработки. Сегодня тушки скорее вредная привычка и непозволительная роскошь, если они мешают реализации важной технологии.
2. "...фактически не имеет никаких исполнительных механизмов внутри АЗ". Этот тезис приводится в контексте обычного для реакторов полувекового времени эксплуатации, высокой стоимости реакторов с высоким давлением, и прочих атрибутов водяных реакторов. А ведь расплав солей при отсутствии исполнительных механизмов внутри АЗ позволяет сократить время работы реактора на порядок, сделав его заменяемым расходным элементом -- самим "реактором" становится расплав, а не удерживающая его ёмкость. Думаю выбор материалов очень упростится, если дешёвый расходный корпус реактора будет работать один год или несколько, как оболочка ТВЭЛов сегодня, а не 50. Но дерзну предположить что такой вариант не рассматривается. :)

Вот, в продолжение разговора из темы о криогенной системе ИТЭРа, иллюстрации препятствий, существующих исключительно в головах людей.
tnenergy
Aug. 17th, 2015 06:40 am (UTC)
>Дерзну предположить, что гамма никак не влияет на химические и физические процессы переработки топлива. Единственное на что гамма влияет без исключений -- это тушки человеков поблизости.

Еще как влияет. Например на обмотку электродвигателей центробежных экстракторов. На набираемую дозу всякими внешними манипуляторами, которые в случае альфа-бета активности облучаются только периодически.
(no subject) - ardelfi - Aug. 17th, 2015 07:30 am (UTC) - Expand
(no subject) - mikhai1_t - Aug. 17th, 2015 01:23 pm (UTC) - Expand
(no subject) - alex_avr2 - Aug. 17th, 2015 05:25 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 17th, 2015 05:37 pm (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Aug. 17th, 2015 10:32 pm (UTC) - Expand
Михаил Николаев
Aug. 16th, 2015 11:43 pm (UTC)
> Побочный изотоп U232, который будет нарабатываться в топливе
Актуальнейшая проблема, один из профессоров, читающий нам лекции по топливному циклу, буквально начинал лекцию со слов "сегодня пришел на работу и опять обсуждали и думали что делать с 232 ураном". Весной было. До сих пор думаю наверное - потому что куда его девать - действительно не очень понятно :)
amginskiy
Aug. 17th, 2015 03:02 am (UTC)
в этом расплаве быстро образуется вся таблица менделеева в буквальном смысле
так вот ты какой, философский камень! :)
pz_true
Aug. 17th, 2015 05:19 am (UTC)
стеклянный реактор не?
че ни будь с фтором, чтоб не востанавливалось
(Deleted comment)
threeeyedfish
Aug. 17th, 2015 07:54 am (UTC)
Спасибо большое за разъяснения!
b_my
Aug. 17th, 2015 02:08 pm (UTC)
Вы по незнанию проигнорировали главную фишку тория как топлива и топливной энергетики вообще.

Для ториевого бридера НЕ НУЖНЫ БЫСТРЫЕ НЕЙТРОНЫ.

Скорее, напротив.
Вся красота и заманчивость идеи в том, что уран-233 даёт большое количество нейтронов в тепловом спектре, таким образом можно построить реактор с КВ>1 на обычных тепловых нейтронах. Да, обычный тяжеловодный реактор пойдёт замечательно. Никаких бед с материалами под жёсткими нейтронами, высокими дозами и большими с.н.а., никаких проблем с запаздывающими нейтронами (которые мучают реакторы на быстрых нейтронах) - вот нет этого всего.

По мелочи есть ещё небольшие отличия в спектре продуктов деления - суммируя, там получается меньше совсем уж поганых долгоживущих изотопов (того же йода-129).

Проблема же урана-232 отпадает, если мы берём жидкосолевой (ту же FLiBe) реактор и идём на постоянный репроцессинг содержимого АЗ.
Пусть уран-232 вечно плавает в активной зоне, там активность его наследников никого не смущает.
Да, это же В ПРИНЦИПЕ можно делать и на быстрых нейтронах, но повышеные требования к материалам и более высокие требования к управлению делают урон-плутониевый быстрый ЖСР более проблематичным, чем торий-урановый тепловой ЖСР.
tnenergy
Aug. 17th, 2015 05:53 pm (UTC)
>Вы по незнанию проигнорировали главную фишку тория как топлива и топливной энергетики вообще.
>Для ториевого бридера НЕ НУЖНЫ БЫСТРЫЕ НЕЙТРОНЫ.

Кв на тепловом спектре невелик. В AHWR Кв~1 достигается за счет внутриТВСной гетерогенности и более жесткого внутриТВСного спектра, насколько я понимаю. К тому же, несмотря на большее количество нейтронов от U233 с нейтронным балансом все равно проблемы, а значит легководный замедлитель отпадает.

>Никаких бед с материалами под жёсткими нейтронами, высокими дозами и большими с.н.а., никаких проблем с запаздывающими нейтронами (которые мучают реакторы на быстрых нейтронах) - вот нет этого всего.

Как-то вроде научились справляться-то. Хотя тяжеловодник, конечно, попроще.

>Проблема же урана-232 отпадает, если мы берём жидкосолевой (ту же FLiBe) реактор и идём на постоянный репроцессинг содержимого АЗ.

Да у ЖСР все прекрасно, да вот не строят только их.
(no subject) - b_my - Aug. 17th, 2015 06:12 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 17th, 2015 06:32 pm (UTC) - Expand
(no subject) - b_my - Aug. 17th, 2015 09:56 pm (UTC) - Expand
(no subject) - talgaton - Sep. 25th, 2017 12:15 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Sep. 25th, 2017 06:42 pm (UTC) - Expand
(no subject) - talgaton - Sep. 25th, 2017 07:03 pm (UTC) - Expand
(no subject) - talgaton - Sep. 25th, 2017 07:15 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Sep. 25th, 2017 07:35 pm (UTC) - Expand
(no subject) - iggosh - Oct. 21st, 2017 01:19 pm (UTC) - Expand
siron_nsk
Aug. 17th, 2015 03:24 pm (UTC)
Боюсь, что в мире людей, далеких от атомной энергетики, существует идея о том, что ТОРИЙ - это торт.
talgaton
Oct. 18th, 2015 09:46 pm (UTC)
хорошее название для торта!
(no subject) - talgaton - Oct. 18th, 2015 09:46 pm (UTC) - Expand
(no subject) - filos0v - Feb. 15th, 2016 11:09 am (UTC) - Expand
insane_reader
Aug. 21st, 2017 05:46 am (UTC)
Любопытно бы почитать про список радиохимических способов очистки ЖСР от Pa233 и продуктов распада U233.
Интересно, насколько хватит бериллия - этого элемента меньше лития на нашей планете.
Бериллий выжигается быстрыми нейтронами и альфа-частицами. Что плохо для ЖСР и термояда.
3,8 г на тонну в коре Be, против 21 г на тонну Li.
Зато содержание бериллия в морской воде чрезвычайно низкое — 6e−7 мг/л, а лития морской воде 0,17 мг/л. То есть бериллий осаждается на дне в виде каких-то соединений. Есть смысл в далёком будущем загребать морской ил, когда кончатся месторождения минералов этого металла.
tnenergy
Aug. 21st, 2017 06:18 am (UTC)
>Интересно, насколько хватит бериллия - этого элемента меньше лития на нашей планете.

Бериллий, конечно, применяется в атомной индустрии, но это не основной потребитель явно. Мне сложно понять, какое отношение бериллий имеет к посту о тории :)

Что касается очистки ЖСР - мне самому любопытно. Но я в свое время никаких внятных описаний не нашел, правда на русском, надо на английском тоже глянуть.
(no subject) - insane_reader - Aug. 21st, 2017 08:18 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 21st, 2017 08:25 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Sep. 25th, 2017 06:39 pm (UTC) - Expand
mr_7cux
Sep. 25th, 2017 05:48 pm (UTC)
Месторождения есть, но торий не считается сырьем. В любом месторождении редких земель ( а заодно и во многих редкометалльных) тория чуть больше, чем много. Но его запасы не считают, и не добывают, а наоборот, считается очень вредной радиоактивной примесью. К примеру - Ловоозерский массив, откуда сейчас добывается весь редкозем в РФ. Технологически, вытащить торий, при весьма приличном содержании, из уже переработанных хвостов - вопрос пары лет на разработку решения и еще года-двух на запуск фабрики. Да и на Томторе тория много - в среднем 0,1%.

Держал как-то в руках отчет по месторождению, представленному сплошным ортитовым рудам с совершенно ураганными содержаниями редкоземельных металлов (12-25% суммы оксидов РЗЭ, при том, что сейчас работают на 0,5-2%, в разы выше, чем на считающемся самом богатом в мире Томторе ). Одна из причин, почему прекратили разведку - не менее ураганные содержания тория, на уровне 1-10%, и высокая радиоактивность руд до 3 000 мкрт/ч.

То есть загвоздка скорее в промышленном ториевом реакторе, нежели цене урана, нехватке месторождений и т.д. Ну а реактор не создадут, пока месторождения урана не закончатся/его цена не вырастет до 300 $. Что вряд ли произойдет в ближайшее лет 50-100. Ибо бедных, забалансовых и совсем забалансовых ( вроде черных сланцев) месторождений урана до фига и больше.
/снижение борта в 2 раза увеличивает запасы в 10-100 раз/
( 37 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

October 2017
S M T W T F S
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031    
Powered by LiveJournal.com