Торий или уран что лучше
Торий в ядерной энергетике: плюсы, минусы, подводные камни
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.
Сегодняшний парк промышленных ядерных реакторов, целиком и полностью использует урановое топливо, а конкретно изотоп U235. Произошло это по простой причине — это единственный природный изотоп, который способен поддерживать цепную реакцию распада. Остальные природные тяжелые элементы, например U238 и Th232 (тот самый торий) цепную ядерную реакцию не поддерживают. Есть еще несколько искусственно получаемых которые способны работать в реакторе — например всем известный Pu239 или U233 — получаемые путем трансмутации тех самых U238, Th232.
Тяжеловодные реакторы — один из трех главных дизайнов (наряду с газоохлаждаемыми и жидкосолевыми), в которых может быть применен ториевый цикл.
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.
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”.
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 у 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.
Жизнь без могильников: торий на смену урану
Идея скомбинировать ториевый реактор с ускорителем протонов была высказана более четверти века назад и поначалу отвергнута. Теперь она переживает ренессанс.
Даже в Германии, решившей отказавшейся от ядерной энергетики, проблема захоронения радиоактивных отходов по-прежнему стоит весьма остро: мало того, что их уже накопилось изрядно, так ведь последняя немецкая АЭС будет отключена только в 2022 году, а до той поры производство опасных отходов продолжается.
Что уж тут говорить о других странах, где и не помышляют об отказе от атомной энергетики! Поэтому наряду с поиском технических решений, касающихся утилизации и захоронения побочных продуктов работы нынешних урановых АЭС, инженеры столь же активно трудятся над новыми концепциями реакторов. Реакторов, в которых эффективность энергопроизводства сочеталась бы с безопасностью и экологичностью.
Торий вместо урана
Плюс в плане безопасности
Контекст
Гибридный реактор как альтернатива термоядерного
Разработка термоядерного реактора, основанного не на расщеплении тяжелых ядер, а на синтезе легких, ведется давно, но пока без особого успеха. Более реалистичной представляется идея гибридного реактора.
А где ж найти такой могильник? или Ударим трансмутацией по радиоактивным отходам!
Проблема окончательного захоронения высокорадиоактивных отходов не решена ни в одной стране мира. Немецкие ученые работают над тем, чтобы сделать отходы менее радиоактивными. Это упростит проблему их захоронения.
Немецкую экологическую премию вручили двум предпринимательницам
В воскресенье 27 октября в Оснабрюке прошла торжественная церемония вручения Немецкой экологической премии. В этом году ее удостоились две предпринимательницы.
Сторонники новой технологии указывают на то, что, в отличие от сегодняшних урановых реакторов, в ториевом реакторе невозможно получение оружейного плутония, а, кроме того, его активная зона всегда находилась бы в подкритическом состоянии. Это, конечно, огромный плюс в плане безопасности: в аварийной ситуации достаточно отключить ускоритель, чтобы цепная реакция тотчас прекратилась.
Могильники не понадобятся
Правда, скептики опасаются, что и после остановки реактора остаточное тепловыделение может привести к расплавлению активной зоны, если система охлаждения выйдет из строя, как это произошло, скажем, на АЭС «Фукусима».
Таким образом, идея скомбинировать ускоритель и подкритический ториевый реактор, выдвинутая в конце 80-х годов прошлого века итальянским физиком, лауреатом нобелевской премии Карло Руббиа (Carlo Rubbia) и поначалу отвергнутая, переживает второе рождение. И даже начинает реализовываться на практике.
Торий или уран что лучше
Что случится, если мы узнаем, что при помощи атомного двигателя можно решить проблему лишних выбросов вредных веществ в результате сгорания обычного дизеля или бензина. Как это на нас повлияет? Мы приглашаем всех, кого интересует данная тема, поговорить об атомном двигателе для автомобиля, работающего на изотопе тория-232. Любопытно, что как раз у тория-232 наибольший период полураспада среди прочих изотопов этого элемента. При этом именно он – самый распространенный. Ученые из американской компании Laser Power Systems изучили данный факт и предположили, что можно создать двигатель, использующий в качестве топлива торий. Этот проект в настоящее время является абсолютно реальным.
Давно уже выявили, что если использовать торий в качестве топлива, он будет иметь преимущество, выделяя в процессе работы невероятное количество энергии. Ученые подсчитали, что лишь восемь граммов тория-232 дадут двигателю возможность работать в течение 100 лет. Один же грамм этого вещества производит энергии больше, чем 28 000 литров бензина. Согласитесь, что цифры впечатляют. Среди далеких от атомной энергетики людей существует теория, согласно которой именно торий скрывают злые атомные гении от рядовых потребителей энергии. Он дешев, безопасен, совсем не оставляет радиоактивных отходов. Атомная энергетика с ним пришла бы на вершины могущества. Но по каким-то причинам этого не случилось…
Что же является определяющим для будущего тория?
Есть проблема минорных актиноидов, когда в процессе работы ядерного реактора из 95–97 процентов U238 и 3–5 процентов U235, в процессе поглощения нейтронами возникают различные «нехорошие» вещества, называемые минорными актиноидами. В эту группу входят нептуний Np-237, а также изотопы америция Am-241, –243 и кюрия Cm-242, –244, –245. Они все радиоактивны, являясь мощными гамма-излучателями. Правда, в «свеженьком» ОЯТ их окажется вовсе немного: на тонну – лишь несколько килограммов. А ведь еще более активных продуктов деления, вроде известного Cs-137, на тонну образуются десятки килограммов.
Где же тут проблема?
Все дело в периоде полураспада. Длиннейший период полураспада продуктов деления у Cs-137. Составляет он около трех десятков лет. За три сотни лет его активность станет меньше в тысячу раз, за девять сотен – в миллиард. А значит, за исторически вполне обозримый период времени мы можем прекратить беспокоиться о коррозии ОЯТ. Для минорных актиноидов периоды полураспада достигают тысячелетий, что означает удлинение сроков их хранения с веков до десятков тысяч лет. Подобный временной отрезок вообразить довольно сложно. Но вот вполне реально представить, что в случае интенсивной деятельности атомной энергетики уже через несколько тысячелетий ОЯТ заполнит весьма значительную территорию, при этом популярнейшей профессией окажется «охранник хранилища ОЯТ».
Идея жидкосолевого реактора очень важна для ядерной инженерии и вместе с тем является кошмаром для материаловедов. Ведь в данном расплаве за короткий промежуток времени образуется почти вся таблица Менделеева. Пока что никто не смог создать материал, который мог бы удержать подобную смесь в условиях радиации и высокой температуры без коррозии.
Можно подвести итог. У атомной индустрии в настоящее время не существует ни потребностей, ни возможностей к возведению ториевой энергетики. Как это выглядит с экономической точки зрения? Торий не будет интересен, покуда стоимость килограмма урана не превысит три сотни долларов. Именно так сформулировали в выводах отчета МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергетике) по ториевому циклу. Даже Индия, в условиях отсутствия ресурсов урана внутри страны и ограничения его поставок, сделавшая в 80 годы ставку на ториевый ЗЯТЦ, в наши дни потихоньку сворачивает свои разработки по его запуску. У России же есть наследие лишь из той эпохи, когда минусы и плюсы тория были вовсе неясны. Остались только, расположенные в Красноуфимске, склады с 80 тысячами тонн ториевой руды, или монацитового песка. Мы не имеем при этом ни значительных экономически оправданных месторождений тория, ни планов осваивать его для ядерной энергетики.
Ториевые реакторы и термоядерный синтез — возможен ли зеленый вечный двигатель?
Как показывает энергокризис, охвативший этой осенью почти весь мир, человечество остро нуждается в эффективных, стабильных и безопасных источниках энергии. На горизонте уже виднеется возможное решение: ториевые или термоядерные реакторы. Ключевой прорыв в этих областях ожидается со дня на день. Но станут ли торий и термояд заменой углеводородам, которая так необходима миру?
По мере своего развития, человечество все чаще задумывалось о том, как получить дешевый и бесконечный источник энергии. Уголь, нефть, газ — все это были вехи на пути освоения наиболее энергоемких и дешевых ресурсов. Но даже АЭС по мощности были далеки до термоядерных процессов, которые идут в недрах звезд. В условиях глобального экологического кризиса к этим требованиям добавилось еще одно — энергия должна быть чистой: выбросы парниковых газов при её генерации должны быть сведены к минимуму, а еще лучше к нулю.
Ничего подобного системы традиционной генерации предложить не могут. Атомные электростанции оставляют после себя слишком большой мусорный след в виде отработанного топлива, которое требует особого подхода, мощностей для переработки и захоронения. Остаются только возобновляемые источники, которые массово вводятся в европейский энергобаланс. Но и у них есть недостатки: из-за низкой удельной мощности они требуют больших площадей, а генерация на их основе сильно зависит от погоды.
Теперь у нас есть альтернатива — атомная энергетика на основе ториевых реакторов и термоядерная энергетика. Считается, что оба варианта лишены недостатков традиционной энергетики. Действительно ли это так? Давайте разберемся.
Будущее ядерной энергетики?
Торий — сейчас об этом металле как о ядерном топливе будущего, не говорит только ленивый. Оптимизму нет конца, и он подогревается вполне реальными достижениями. В 2021 году в пустыне Гоби китайские ученые построили тестовый вариант жидкосолевого ядерного реактора, топливной основой для которого послужил торий, а не уран. В планах соорудить на его основе коммерческий вариант, а потом начать строительство новых реакторов в разных странах в рамках программы «Один пояс, один путь».
Преимущества ториевого реактора потенциально должны понравиться любому человеку, озабоченному проблемами радиационной безопасности. Расплавы тория не требуют жидкого охлаждения — только воздушное. Они быстро затвердевают на воздухе, поэтому радиоактивные утечки исключены. Так что ториевые АЭС можно строить в пустынных местностях, подальше от крупных городов.
Но на этом их преимущества, как свидетельствуют многочисленные газетные заметки, не исчерпываются. Аварии по типу Чернобыльской с такими реакторами фактически не возможны. Радиоактивные отходы ториевого реакторы в массе своей имеют период полураспада в районе 500 лет, а нередко и 100 лет, что удобно в плане захоронения.
К тому же, тория в природе как минимум в три раза больше, чем урана. То есть, у нас огромные залежи безопасного топлива, которые только и ждут, когда их пустят на выработку энергии. Но как это часто и бывает, у такого замечательного решения есть свои темные стороны.
Мифы ториевой энергетики
Таким образом, уже в рамках проектирования реактора понадобятся урановые сборки. Отказаться от обогащения урана и его добычи не получится. Однако его количество будет в 3-10 раз меньше, чем для традиционных АЭС. А это означает, что нынешний уровень потребления урана — более 65 килотонн ежегодно, можно резко сократить.
Второй важный момент — проблема с повторным использованием отработанного ядерного топлива, которого накопилось очень много. Ториевому реактору просто не нужно такое количество урана и плутония. Так что получается палка о двух концах: да, мы снизим потребление урана и плутония, но от их переработки и захоронения ядерных отходов мы не сможем отказаться. Это отдельная проблема, которая не решается в рамках нового направления ядерной энергетики.
Третий фактор связан с запасами тория. Дело в том, что торий добывают из монацита, минерала, содержание фосфата тория в котором составляет 6-7%. Монацит содержится в магматических и других породах, но самые высокие его концентрации находятся в россыпных отложениях, сконцентрированных с другими тяжелыми минералами. То есть без коммерческого извлечения редкоземельных элементов производство тория сейчас нерентабельно. Экономически выгоднее добывать уран. Так что ториевые реакторы не имеют никаких экономических преимуществ перед традиционной АЭС. Единственная страна, в которой этот фактор не работает — Индия. В стране большие запасы тория, перевод местных АЭС на торий может оказаться прибыльным. Тем более, что Индия испытывает настоящий энергетический голод. И по мере превращения страны из аграрной в урбанистическую, энергии будет нужно всё больше. Но «Усовершенствованный тяжеловодный реактор» (AHWR) индийского производства, работающий на торий-урановых и торий-плутониевых сборках, до сих пор не закончен.
Проблема еще и в том, что ториевый реактор — это сильно корродирующая среда. Помимо этого, в результате реакции в нем образуется изотоп уран-232. Его продукты распада, висмут-212 и таллий-208, характеризуются жестким гамма-излучением, которое сложно экранировать. Поэтому уровень безопасности и защищенности персонала и электроники для ториевых реакторов по идее должен быть выше, чем на традиционной АЭС.
Однако, проверить эти теоретические выкладки можно только на действующих ториевых реакторах разных моделей. А их пока не так много. Вся надежда на китайскую установку и на то, что данные по ее эксплуатации не будут засекречены.
Россия тоже старается не отстать от ториевого клуба. В ближайшие 15-20 лет запланировано использование тория в уже существующих реакторах типа ВВЭР и БН. А после, в проектируемых реакторах Супер-ВВЭР, в котором значительная часть отработанного ядерного топлива будет использована для производства нового.
Остается вопрос с отходами ториевых реакторов. Согласно исследованию Минэнерго США за 2014 год, отходы торий-уранового цикла имеют такую же радиоактивность на отрезке времени в 100 лет, что и уран-плутониевые топливные циклы, и более высокую радиоактивность отходов на отрезке 100000 лет. К тому же, если мы знаем как работать с отходами уран-плутониевых циклов, то опыта работы с отходами ториевых реакторов у нас нет.
При всем положительном отношении автора этих строк к новым технологиям в области атомной энергетики, чтобы сказать, что торий — светлое будущее этой области понадобится еще как минимум лет 10. А сейчас здесь больше мифов, маркетинга и попыток найти инвесторов для проектов, которые вовсе не обязательно будут экономически и экологически более выгодными, чем повышение безопасности и технологичности уже использующихся атомных технологий.
Токамак, или как запрячь энергию Солнца
Над тем как заполучить термоядерный реактор, человечество ломает голову еще с середины 20 века. Всё дело в физике процесса. В отличие от атомных реакторов, в которых энергия выделяется за счет деления ядра тяжелых элементов, в термоядерных энергия получается за счет образования более тяжелых элементов из легких.
Для этого внутрь термоядерного реактора запускают дейтерий и тритий и разогревают до температур свыше 150 миллионов градусов Цельсия. Газ превращается в плазму, которая удерживается с помощью мощных магнитов в тепловом контуре реактора.
Схема реактора типа токамак (тороидальная камера с магнитными катушками).
Сразу решаются проблемы с захоронением отходов, нет нужды развивать промышленность по обогащению урана и его добыче. В качестве топлива должны служить тяжелые изотопы водорода — тритий и дейтерий, а также гелий-3 и бор. Экологическая нагрузка на планету резко снижается. В теории, термоядерные электростанции должны быть в несколько раз эффективней атомных, чище и безопасней. Дело за малым — создать термоядерную электростанцию и получить дешевую энергию. И вот тут нас подстерегают проблемы.
Температура плазмы в токамаках достигает десятков миллионов градусов по Цельсию. Например, в китайском токамаке EAST плазму удалось нагреть до 100 миллионов градусов. Это в 8 раз выше, чем в центре Солнца.
Второй момент: для управления термоядерным синтезом необходимо научиться удерживать плазму. Китайцам удалось сделать это в течении 101 секунды. Корейцы на токамаке KSTAR в 2020 году удерживали разогретые до 100 миллионов градусов ионы в течение 20 секунд. Это рекордные показатели. Но для полноценной работы реактора плазму необходимо удерживать в течение нескольких минут или даже больше. Пока что человечеству далеко от таких результатов.
Корейский токамак KSTAR. Фото: IsouM, Wikimedia Commons
Следующая проблема — это сам тип термоядерного реактора. Наиболее распространенным на сегодняшний день является токамак тороидальной конструкции («бублик»). Плазма в нем удерживается сверхмощными магнитами, не соприкасаясь со стенками реактора. Это делается как для безопасности — иначе плазма просто прожжет все, до чего дотянется — так и для того, чтобы не было примесей в ионизированном газе.
Такое условие задает определенную планку качества при изготовлении материалов. Оно должно быть выше, чем для АЭС, многие из элементов которых уже освоены промышленностью. Например, для международного термоядерного реактора ITER, который сейчас находится на заключительной стадии сборки конструкций, сверхмощные магнитные катушки, которые удерживают плазму, являются уникальными изделиями.
KSTAR — вид изнутри. Фото: pinterest.es
То есть, уже на стадии создания тестовых образцов термоядерные реакторы оказываются сложными и дорогими объектами. Смета международного проекта ITER уже сейчас превысила изначальную оценку в три раза — с 6 миллиардов евро дойдя до 18-22 миллиардов. Пессимистические прогнозы говорят, что в реальности реактор обойдется в 45-65 миллиардов долларов. И это для объекта мощностью 0,5 ГВт. Для сравнения: стоимость сооружения турецкой АЭС Аккую мощностью 4,8 ГВт — около 20 миллиардов долларов. Термоядерный реактор не построен, а уже в несколько раз менее эффективен, чем АЭС. Это не считая сроков сооружения ITER, которые срывались несколько раз. Сейчас пуск назначен на конец 2025 года — если сроки опять не перенесут. При этом речь идет о тестовых установках, на которых ученые и инженеры будут фактически учиться управлять термоядерными процессами. Впрочем, у нас есть вариант сферического токамака от Tokamak Energy. Он меньше по размерам, если его испытания в 2022 году пройдут успешно, то мы ещё на шаг приблизимся к малогабаритному термоядерному реактору.
Но до коммерческой реализации пока все так же далеко, первые образцы мы получим в лучшем случае лет через 20, а то и все 50. Если не случится технологического прорыва.
Топливо для звезды
А вот с топливом для термоядерных реакторов нам повезло. Дейтерий в большом количестве содержится в океанической воде — в каждом кубометре 33 грамма. Ее понадобится очистить, так что заводы по производству тяжелой воды останутся. Производство дейтерия на современном этапе достаточно дешевое, в районе 1 доллара за грамм. Тритий стоит дороже. По оценкам американских военных, в 2017 году производство 1 грамма обходилось в 110-170 долларов. Для реакторов типа ITER, по официальным данным, понадобится 125 кг трития и 125 кг дейтерия. Это очень небольшие объемы, которые в сотни тысяч — десятки миллионов раз меньше, чем нужно для угольных или газовых электростанций. Более того сейчас речь идет об оптимизации и сокращении даже такого объема. К тому же, тритий теоретически можно будет производить в самом реакторе ITER. Что еще больше снизит потребности в его стороннем производстве.
У реактора ITER есть свой Youtube-канал, где можно наблюдать за ходом работ:
Получается, что хотя сейчас получение электроэнергии с помощью термоядерного реактора — это во многом фантастика, в области топлива, экологичности и безопасности все обстоит гораздо лучше, чем с ториевыми АЭС. Смущает только время реализации — 30-50 лет. Есть ли оно у нас? И не лучше ли сосредоточиться на решении тех проблем, которые у всех на виду — адаптация к экстремальным погодным условиям, снижение углеводородной генерации, охрана природы, переработка и повторное использование отработанных ресурсов и, наконец, восстановление разрушенных или разрушаемых эколандшафтов?
Ответ — эти меры необходимо совместить. Так как энергетика ответственна за 73% выбросов углерода в атмосферу, замена угольных электростанций в течение 10-20 лет жидкосолевыми реакторами позволила бы радикально сократить эмиссии и высвободила средства на реализацию стратегий адаптации к климатическим изменениям. Если же за это время удастся запустить выработку термоядерной энергии — человечество сорвет джекпот, который даст реальную надежду на выход из экологического кризиса.