Ториев изотоп 232. Торият като лек за ядрена чума

Какво се случва, ако кажем, че излишните емисии на вредни вещества, произтичащи от изгарянето на бензин или конвенционално дизелово гориво, могат да бъдат решени с помощта на ядрен двигател? Ще ви впечатли ли? Ако не, тогава дори не е нужно да започвате да четете този материал, но за тези, които се интересуват от тази тема, вие сте добре дошли, защото ще говорим за атомен двигател за кола, която работи с изотопа торий-232.

Изненадващо, торий-232 е този, който има най-дълъг период на полуразпад сред изотопите на тория и също така е най-изобилен. След размисъл върху този факт учените от американската компания Laser Power Systems обявиха възможността за конструиране на двигател, който използва торий като гориво и в същото време е напълно реален проект днес.

Отдавна е установено, че торият, когато се използва като гориво, има силна позиция и когато „работи“, освобождава огромно количество енергия. Според учените само 8 грама торий-232 ще позволят на двигателя да работи 100 години, а 1 грам ще произведе повече енергия от 28 хиляди литра бензин. Съгласете се, това не може да не впечатли.

Според Чарлз Стивънс, главен изпълнителен директор на Laser Power Systems, екипът вече е започнал експерименти с малки количества торий, но непосредствената цел е да се създаде лазерът, необходим за процеса. Описвайки принципа на работа на такъв двигател, може да се посочи като пример работата на класическа електроцентрала. И така, лазерът, според плановете на учените, ще загрее контейнер с вода, а получената пара ще отиде за работата на мини-турбини.

Въпреки това, колкото и пробивно да изглежда изявлението на специалистите по LPS, самата идея за използване на атомен ториев двигател не е нова. През 2009 г. Lauren Culeusus показа на световната общност своята визия за бъдещето и демонстрира Cadillac World Thorium Fuel Concept Car. И въпреки футуристичния си външен вид, основната разлика между концептуалния автомобил беше наличието на източник на енергия за автономна работа, който използва торий като гориво.

„Учените трябва да намерят по-евтин източник на енергия от въглищата, с малко или никакви емисии на въглероден диоксид при изгаряне. В противен случай тази идея изобщо няма да може да се развие ”- Робърт Харгрейв, специалист в областта на изучаването на свойствата на торий

В момента специалистите на Laser Power Systems са изцяло фокусирани върху създаването на сериен модел на двигателя за масово производство. Въпреки това, един от най-важните въпроси не изчезва, как страни и компании, лобиращи за "петролни" интереси, ще реагират на подобно нововъведение. Само времето ще покаже отговора.

интересно:

Природните запаси на торий надвишават тези на уран 3-4 пъти
Експертите наричат торий и в частност торий-232 "ядрено гориво на бъдещето"

1 грам на 28 000 литра. Това е съотношението на разхода на гориво в автомобилните двигатели, ако заменим обичайното гориво с торий.

Говорим за 232-ия изотоп. Има най-дълъг полуживот. 8 грама торий са достатъчни, за да работи един двигател непрекъснато в продължение на 100 години.

Има 3 пъти повече запаси от ново гориво, отколкото в земната кора. Специалистите от Laser Power Systems вече са започнали да разработват нов двигател.

американска компания. Работата на двигателя ще наподобява цикъла на стандартна електроцентрала. Предизвикателството беше разработването на подходящ лазер.

Неговата задача е да загрява вода, чиято пара пуска мини-турбини. Докато учените разработват процеса, ние ще научим повече за горивото на 21-ви век, а в бъдеще и за цялото хилядолетие.

Какво е торий?

Торий металсвързани с актинидите. Това семейство включва радиоактивни. Всички те се намират в 3-та група на 7-ми период на таблицата.

Числата на актинидите са от 90 до 103. Торият е на първо място. Той е открит първи, едновременно с урана.

В чистата си форма героят е избран през 1882 г. от Ларс Нилсон. Радиоактивността на елемента не е открита веднага.

Ето защо, торийдълго време не предизвиква обществен интерес. Разпадане на торийдоказан едва през 1907 г.

От 1907г изотопи на торийотворени един по един. До 2017 г. има 30 метални модификации. 9 от тях получиха.

Най-стабилна е 232-ра. Полуразпад на торийв тази форма продължава 1,4 * 10 10 години. Ето защо 232-ият изотоп е повсеместен, в земната кора той заема дял от 8 * 10 -4%.

Останалите изотопи се съхраняват няколко години и следователно не представляват практически интерес и рядко се срещат в природата. Вярно, 229-ият торий се разпада за 7340 години. Но този изотоп е "извлечен" изкуствено.

Торият няма напълно стабилни изотопи. В чистата си форма елементът изглежда като -, пластмаса.

Именно той прави минерала торит толкова мек. лесно се реже. Минералът е изследван от Йенс Берценлиус.

Шведският химик успя да изчисли неизвестното в състава на камъка, но не успя да го изолира, давайки лаврите на Нилсън.

Свойства на торий

Торият е елемент, чиято специфична радиоактивност е 0,109 микрокюри на грам. За уран 238 например цифрата е почти 3 пъти по-висока.

Съответно торият е слабо радиоактивен. Между другото, няколко изотопа на тория са следствие от разпадането на урана. Става дума за 230-та, 231-ва, 234-та и 235-та модификации на 90-ия елемент.

Разпадането на героя на статията е придружено от освобождаване на радон. Този газ се нарича още торон. Второто име обаче не се използва често.

Радонът е опасен при вдишване. Микродози обаче се съдържат в минералните води и влияят благотворно на организма.

Важен е пътят на навлизане на торон в тялото. Можете да пиете, да абсорбирате - да, но не вдишвайте.

По отношение на кристалната решетка радиоактивен торийсе появява само в две форми. До 1400 градуса структурата на метала е лицево-центрична.

Тя се основава на триизмерни кубове, състоящи се от 14 атома. Някои от тях са в ъглите на фигурата. Останалите атоми са разположени в средата на всеки.

Когато се нагрее над 1400 градуса по Целзий, кристалната решетка на тория става центрирана в тялото.

"Опаковката" на такива кубчета е по-малко плътна. И без това мекият торий става още по-рохкав.

Торий - химикалелемент, класифициран като парамагнитен. Съответно, магнитната пропускливост на метала е минимална, близка до единица.

Веществата от групата се отличават и със способността да се магнетизират по посока на външно поле.

Моларният топлинен капацитет на тория е 27,3 килоджаула. Индикаторът показва топлинния капацитет на един мол вещество, откъдето идва и името.

Трудно е да се продължи списъкът, тъй като по-голямата част от свойствата на 90-ия метал зависи от степента на неговото замърсяване.

И така, якостта на опън на елемента варира от 150 до 290 меганютона на квадратен метър.

Торият също е нестабилен. За метал те дават от 450 до 700 килограма сила.

Стоейки в началото на своята група, торият е взел някои от свойствата на елементите, които са го предхождали. И така, героят на статията се характеризира с 4-та степен на окисление.

За да може торият да се окисли бързо във въздуха, трябва да повишите температурата до 400 градуса. Металът незабавно ще бъде покрит с оксиден филм.

Дуетът на торий с кислород, между другото, е най-огнеупорният от земните оксиди, омеква само при 3200 градуса по Целзий.

В същото време съединението е и химически стабилно. Чистият метал реагира с

Всякакви радиоактивен изотоп на торийвзаимодейства с него дори при стайна температура.

Останалите реакции с героя на статията протичат при повишени температури. При 200 градуса има реакция с.

Образуват се прахообразни хидриди. Нитридите се получават при нагряване на тория в атмосферата.

Необходима е температура от 800 градуса по Целзий. Но първо трябва да вземете реагента. Нека разберем как го правят.

Добив и находища на торий

350 000 000 долара. Приблизително същата сума се отделя годишно за развитието на ториевата енергия. В страната има много находища на 232-ия изотоп.

Това е тревожно, което рискува да загуби лидерството си в горивото, ако 90-ият елемент стане основният енергиен ресурс в света.

В страната има резерви. Милиони тонове метал, например, се намират близо до Новокузнецк.

Необходимо е обаче да се защити приоритетното право на използване на торий и за тях светът се бори. Всеки разбира какво е бъдещето.

Обикновено торият се намира под формата на лъскав пясък. Това е минералът монацит. Плажовете от него често се включват в курортните зони.

На брега на Азовско море, например, си струва да се вземе предвид не само слънчевата радиация, но и тази, която идва от земята. Жилният торий се среща само в Южна Африка. Рудните находища там се наричат Steenkasmkraal.

Ако извличате торий от руди, тогава е по-лесно да получите елемент по пътя. Остава да се види къде може да бъде полезен торият, освен в автомобилните двигатели на бъдещето.

Приложение на торий

Тъй като ториево ядронестабилно, естествено използване на елемента в ядрената енергия. За нейните нужди се закупуват флуор и ториев оксид.

Помните ли температурата, която може да издържи оксидът на 90-ия метал? Само такова съединение ще работи в реактори с разтопена сол.

Ториевият оксид е полезен и в авиационната индустрия. Там 90-ия метал служи като втвърдител. Службата на тория също е в тялото.

Около 3 милиграма радиоактивен елемент постъпва дневно с храната. Участва в регулацията на системните процеси, усвоява се основно от черния дроб.

Торий се купува и от металурзите, но не за храна. Като добавка, която подобрява качеството, се използва чист метал, по-специално магнезий. С лигатура те стават топлоустойчиви и по-добре издържат на разкъсване.

Накрая ще добавим информация за новия автомобилен двигател. Торият в него не е ядрено гориво, а само суровина за него.

Сам по себе си 90-ият елемент не е в състояние да осигури енергия. Всичко се променя от неутронната среда и водния реактор.

С тях торият се превръща в уран 233. Ето го - ефективно гориво. Колко плащат за суровини за него? Нека се опитаме да разберем.

Цена на торий

Цена на торийсе диференцира в чист метал и неговите съединения. Това е често срещана фраза от. От подробностите - само цената на килограм ториев оксид е около 7500.

С това отворените заявки приключват. Продавачите са помолени да изяснят цената, тъй като продават радиоактивен елемент.

В интернет няма оферти за чист торий, както и данни за грам от метала. Междувременно въпросът не дава почивка на интересуващите се от нов вид автомобилно гориво, както не дава почивка дали исканията за 90-ия елемент ще скочат в случай на широкото му използване.

Първоначално, в името на изтласкването на бензиновите двигатели от пазара, торият ще бъде възможно най-рентабилен. Но какво ще се случи по-късно, когато връщането към миналото вече е малко вероятно?

Има много въпроси. Има малко специфики обаче, както във всичко ново, непознато, което изглежда като хазарт в първата двойка.

Въпреки това, първите версии на ториевия двигател вече са готови. Тежат около 200 килограма. Такова устройство може лесно да се постави под качулка със среден размер.

Въпреки това, колкото и пробивно да изглежда изявлението на специалистите от LPS, самата идея за използване на атомен ториев двигател не е нова. През 2009 г. Lauren Culeusus показа на световната общност своята визия за бъдещето и демонстрира Cadillac World Thorium Fuel Concept Car. И въпреки футуристичния си външен вид, основната разлика между концептуалния автомобил беше наличието на източник на енергия за автономна работа, който използва торий като гориво.

„Учените трябва да намерят по-евтин източник на енергия от въглищата, с малко или никакви емисии на въглероден диоксид при изгаряне. В противен случай тази идея изобщо няма да може да се развие ”- Робърт Харгрейв, специалист в областта на изучаването на свойствата на торий

интересно:

Природните запаси на торий надвишават тези на уран 3-4 пъти
Експертите наричат торий и в частност торий-232 "ядрено гориво на бъдещето"

Ториевият горивен цикъл е ядрен горивен цикъл, използващ изотопи торий-232 като ядрена суровина. Торий-232 по време на реакцията на разделяне в реактора пренася трансмутация в изкуствения изотоп уран-233, който се използва като ядрено гориво. За разлика от естествения уран, естественият торий съдържа само много малки фракции от делящ се материал (например торий-231), което не е достатъчно, за да започне ядрена верижна реакция. За да започне горивният цикъл, е необходимо да има допълнителен делящ се материал или друг източник на неутрони. В ториев реактор торий-232 абсорбира неутрони, за да произведе в крайна сметка уран-233. В зависимост от конструкцията на реактора и горивния цикъл, създаденият изотоп на уран-233 може да бъде разпаднат в самия реактор или химически отделен от отработеното ядрено гориво и претопен в ново ядрено гориво.

Ториевият горивен цикъл има няколко потенциални предимства пред урановия горивен цикъл, включително по-голямо изобилие, по-добри физически и ядрени свойства, които не се срещат в плутония и другите актиниди, и по-добра устойчивост на ядрено разпространение, което е свързано с използването на леки водни реактори, а не ядрени реактори.топи се сол.

История на изследването на тория

Единственият източник на торий са жълтите полупрозрачни зърна от монацит (цериев фосфат)

Споровете относно ограничените световни запаси от уран доведоха до първоначалния интерес към ториевия горивен цикъл. Стана ясно, че запасите от уран са изчерпаеми и торият може да замени урана като суровина за ядрено гориво. Въпреки това, повечето страни имат сравнително богати уранови находища и изследванията на ториевия горивен цикъл са изключително бавни. Основно изключение е Индия и нейната триетапна ядрена програма. През 21-ви век потенциалът на тория да устои на разпространението на ядрени оръжия и характеристиките на суровината за отработено гориво доведоха до подновен интерес към горивния цикъл на торий.

Националната лаборатория в Оук Ридж използва експерименталния реактор за разтопена сол, използващ уран-233 като делящ се материал през 60-те години на миналия век, за да експериментира и демонстрира работата на реактора за размножаване на разтопена сол, работещ на ториевия цикъл. Експерименти с реактора върху разтопените соли за възможността за торий, като се използва ториев флуорид (IV), разтворен в разтопената сол. Това намали необходимостта от производство на горивни клетки. Програмата PPC беше прекратена през 1976 г. след уволнението на нейния куратор Алвин Вайнберг.

През 2006 г. Карло Рубиа предложи концепцията за енергиен бустер или „контролиран ускорител“, който той видя като иновативен и безопасен начин за производство на ядрена енергия, използвайки съществуващи технологии за ускоряване на енергията. Идеята на Rubbia предлага възможност за изгаряне на силно радиоактивни ядрени отпадъци и производство на енергия от естествен торий и обеднен уран.

Кърк Соренсен, бивш учен от НАСА и главен ядрен директор на Teledyne Brown Engineering, отдавна насърчава идеята за ториев горивен цикъл, по-специално реактори с течен ториев флуорид (LFR). Той е пионер в изследванията на ториеви реактори, докато е в НАСА, когато оценява различни концепции за електроцентрали за лунни колонии. През 2006 г. Соренсен основа уебсайта "Energyfromthorium.com", за да информира и популяризира тази технология.

През 2011 г. Масачузетският технологичен институт стигна до заключението, че въпреки малкото бариери пред ториевия горивен цикъл, сегашното състояние на реакторите с лека вода не дава голям стимул за навлизането на такъв цикъл на пазара. От това следва, че шансът ториевият цикъл да измести традиционния цикъл на уран на настоящия пазар на ядрена енергия е изключително малък, въпреки потенциалните ползи.

Ядрени реакции с торий

По време на ториевия цикъл Торий-232 улавя неутрони (това се случва както в бързи, така и в топлинни реактори), за да бъдат преобразувани в Торий-233. Това обикновено води до излъчване на електрони и антинеутрино по време на ?-разпадане и появата на протактиний 233. След това, по време на втория ?-разпад и повторно излъчване на електрони и антинеутрино, се образува уран-233, който се използва като гориво .

Отпадъци от продукти на делене

Ядреното делене произвежда продукти на радиоактивен разпад, които могат да имат полуразпад, вариращ от няколко дни до над 200 000 години. Според някои изследвания на токсикологията ториевият цикъл може напълно да преработи актинидни отпадъци и да отделя само отпадъци след продукти на делене и само след няколко века отпадъците от ториев реактор ще станат по-малко токсични от урановите руди, които могат да се използват за производство на обеднени ураново гориво за леководен реактор от подобно естество.

актинидни отпадъци

В реактор, в който неутроните удрят делящ се атом (например определени уранови изотопи), може да възникне както ядрено делене, така и улавяне на неутрони и атомна трансмутация. В случая с уран-233 трансмутацията води до производството на полезно ядрено гориво, както и трансуранови отпадъци. Когато уран-233 абсорбира неутрон, може да възникне реакция на делене или превръщане в уран-234. Шансът за разделяне или поглъщане на топлинен неутрон е приблизително 92%, докато съотношението на напречното сечение на улавяне към напречното сечение на делене на неутрони в случая на уран-233 е приблизително 1:12. Тази цифра е по-голяма от съответните съотношения на Уран-235 (около 1:6), Плутон-239 или Плутон-241 (и двете имат съотношения около 1:3). Резултатът е по-малко трансуранови отпадъци, отколкото в традиционния реактор с уран-плутониев горивен цикъл.

Уран-233, подобно на повечето актиниди с различен брой неутрони, не се деля, но когато неутроните се „уловят“, се появява делящият се изотоп Уран-235. Ако в делящия се изотоп не настъпи реакция на делене или улавяне на неутрони, се появяват уран-236, нептуний-237, плутоний-238 и накрая, делящият се изотоп плутоний-239 и по-тежките изотопи на плутония. Нептуний-237 може да бъде отстранен и съхраняван като отпадък или консервиран и преобразуван в плутоний, който ще бъде по-добре делящ се, докато останките се превръщат в плутоний-242, след това в америций и кюрий. Те от своя страна могат да бъдат изхвърлени като отпадъци или върнати в реакторите за по-нататъшна трансмутация и делене.

Въпреки това, протактиний-231, с период на полуразпад от 32 700 години, се образува чрез реакции с торий-232, въпреки че не е трансураниев отпадък, е основната причина за дългоживеещи радиоактивни отпадъци.

Инфекция с уран-232

Уран-232 се появява и при реакцията между бързи неутрони и уран-233, протактиний-233 и торий-232.

Уран-232 има сравнително кратък период на полуразпад (68,9 години) и някои от продуктите на разпада излъчват високоенергийни гама лъчи, както и Радон-224, Бисмут-212 и отчасти Талий-208.

Ториевият цикъл произвежда силно гама-лъчение, което уврежда електрониката, ограничавайки използването му като спусък за ядрени бомби. Уран-232 не може да бъде химически отделен от уран-233, открит в отработеното ядрено гориво. Въпреки това, химическото отделяне на торий от уран премахва продуктите на разпадане на торий-228 и радиацията от останалата част от веригата на полуразпад, което постепенно води до повторно натрупване на торий-228. Замърсяването може също да бъде предотвратено чрез използване на реактор за размножаване на разтопена сол и отделяне на протактиний-233, преди да се разпадне до уран-233. Твърдите гама лъчи също могат да създадат радиобиологична опасност, изискваща операция за телеприсъствие.

Ядрено гориво

Като ядрено гориво торият е подобен на уран-238, който съставлява по-голямата част от естествения и обеднен уран. Индексът на ядреното напречно сечение на абсорбирания топлинен неутрон и резонансния интеграл (средният брой на ядреното напречно сечение на неутрони с междинна енергия) за торий-232 е приблизително равен на три и е една трета от съответния индекс на Уран-238.

Предимства

Смята се, че торият е три до четири пъти по-разпространен в земната кора от урана, въпреки че в действителност данните за запасите му са изключително ограничени. Текущото търсене на торий се посреща от вторични редкоземни продукти, добивани от монацитови пясъци.

Въпреки че напречното сечение на делящи се топлинни неутрони на уран-233 е сравнимо с това на уран-235 и плутоний-239, то има много по-ниско напречно сечение на улавяне на неутрони от последните два изотопа, което води до по-малко абсорбирани неделящи се неутрони и увеличаване на неутронен баланс.. В крайна сметка съотношението на освободените и погълнатите неутрони в уран-233 е повече от две в широк диапазон от енергии, включително топлинна. В резултат на това горивото на базата на торий може да се превърне в основен компонент на термичен реактор за размножаване. Реакторът за размножаване с уран-плутониев цикъл е принуден да използва спектъра на бързите неутрони, тъй като в топлинния спектър един неутрон се абсорбира от плутоний-239 и средно 2 неутрона изчезват по време на реакцията.

Базираното на торий гориво също показва отлични физични и химични свойства, което подобрява работата на реактора и хранилището. В сравнение с урановия диоксид, преобладаващото реакторно гориво, ториевият диоксид има по-висока температура на въздействие, топлопроводимост и по-нисък коефициент на топлинно разширение. Ториевият диоксид също показва по-добра химическа стабилност и, за разлика от урановия диоксид, не е способен на по-нататъшно окисление.

Тъй като уран-233, произведен в ториево гориво, е силно замърсен с уран-232 в предложените концепции за реактори, отработеното ториево гориво е устойчиво на разпространение на оръжия. Уран-232 не може да бъде химически отделен от уран-233 и има няколко разпадни продукта, които излъчват високоенергийни гама лъчи. Тези високоенергийни протони носят радиоактивна опасност, което налага дистанционна работа с отделен уран и ядрено откриване на такива вещества.

Веществата на базата на ураново отработено гориво с дълъг период на полуразпад (от 1000 до 1000 000 години) носят радиоактивна опасност поради наличието на плутоний и други второстепенни актиниди, след което отново се появяват дългоживеещи продукти на делене. Един неутрон, уловен от уран-238, е достатъчен за създаване на трансуранови елементи, докато за подобен процес с торий-232 са необходими пет такива "улавяня". 98-99% от ториевия ядрен цикъл води до делене на уран-233 или уран-235, така че се произвеждат по-малко дълготрайни трансуранови елементи. Поради това торият изглежда потенциално привлекателна алтернатива на урана в смесено оксидно гориво за ограничаване на производството на трансуранови вещества и максимално увеличаване на количеството разложен плутоний.

недостатъци

Има няколко пречки пред използването на торий като ядрено гориво, по-специално за реактори с твърдо гориво.

За разлика от урана, естествено срещащият се торий обикновено е едноядрен и не съдържа делящи се изотопи. За да се постигне критичност, трябва да се добави делящ се материал, обикновено уран-233, уран-235 или плутоний. Заедно с високата температура на синтероване, необходима за ториев диоксид, това усложнява производството на горивото. Националната лаборатория в Оук Ридж провежда експерименти с ториев тетрафлуорид като гориво за реактор с разтопена сол през 1964-1969 г. Очакваше се процесът на производство и отделяне на вещества от замърсители да бъде улеснен, за да се забави или спре верижната реакция.

В единичен горивен цикъл (например обработка на уран-233 в самия реактор) е необходимо по-сериозно изгаряне, за да се постигне желаният неутронен баланс. Въпреки че ториевият диоксид е в състояние да генерира 150 000-170 000 мегават-дни/тон в експерименталните ядрени електроцентрали Fort St. Rain и Jülich, съществуват сериозни предизвикателства за постигането на такава производителност в реакторите с лека вода, които представляват огромното мнозинство от съществуващите реактори.

В един ториев горивен цикъл, останалият уран-233 остава в отработеното гориво като изотоп с дълъг живот.

Друго препятствие е, че ториевият горивен цикъл отнема сравнително повече време за превръщането на торий-232 в уран-233. Полуживотът на Protactinium-233 е приблизително 27 дни, което е много по-дълго от полуживота на Neptunium-239. В резултат на това основната съставка в ториевото гориво е силният протактиний-239. Протактиний-239 е силен абсорбатор на неутрони и въпреки че може да се получи превръщане в делящ се уран-235, са необходими два пъти повече абсорбирани неутрони, което разрушава неутронния баланс и увеличава вероятността от производство на трансуранови вещества.

От друга страна, ако твърдият торий се използва в затворен горивен цикъл, където уран-233 се преработва, е необходимо дистанционно взаимодействие за производството на гориво поради високите нива на радиация, провокирани от продуктите на разпадане на уран-232. Това е вярно и когато става въпрос за рециклиран торий поради наличието на торий-228, който е част от веригата на разпад. Освен това, за разлика от доказаната технология за преработка на ураново гориво, технологията за преработка на торий сега само се развива.

Въпреки че наличието на уран-232 усложнява нещата, има публикувани документи, показващи, че уран-233 е използван в ядрени опити. САЩ тестваха сложна бомба, съдържаща уран-233 и плутоний в сърцевината по време на операцията Teapot през 1955 г., въпреки че беше постигнат много по-нисък тротилов еквивалент.

Въпреки че базираните на торий горива произвеждат много по-малко трансуран, отколкото тези на базата на уран, понякога може да се произведе известно количество дълготрайни актиниди с дълъг радиоактивен фон, като протактиний-231.