ไอโซโทปทอเรียม 232 ทอเรียมรักษาโรคระบาดนิวเคลียร์

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราบอกว่าการปล่อยสารอันตรายส่วนเกินที่เกิดจากการเผาไหม้ของน้ำมันเบนซินหรือน้ำมันดีเซลทั่วไปสามารถแก้ไขได้โดยใช้เครื่องยนต์นิวเคลียร์ มันจะทำให้คุณประทับใจ? ถ้าไม่ คุณไม่จำเป็นต้องเริ่มอ่านเนื้อหานี้ด้วยซ้ำ แต่สำหรับผู้ที่สนใจหัวข้อนี้ ก็ยินดีต้อนรับ เพราะเราจะพูดถึงเครื่องยนต์ปรมาณูสำหรับรถยนต์ที่ทำงานบนไอโซโทปทอเรียม-232

น่าแปลกที่ทอเรียม-232 มีครึ่งชีวิตยาวนานที่สุดในบรรดาไอโซโทปของทอเรียมและยังมีมากที่สุดอีกด้วย หลังจากไตร่ตรองข้อเท็จจริงนี้แล้ว นักวิทยาศาสตร์จากบริษัท Laser Power Systems ของอเมริกาได้ประกาศความเป็นไปได้ในการสร้างเครื่องยนต์ที่ใช้ทอเรียมเป็นเชื้อเพลิง และในขณะเดียวกันก็เป็นโครงการจริงในปัจจุบัน

เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าทอเรียมเมื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงจะมีสถานะที่แข็งแกร่ง และเมื่อ "ทำงาน" จะปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมา ตามที่นักวิทยาศาสตร์ระบุว่าทอเรียม-232 เพียง 8 กรัมจะทำให้เครื่องยนต์ทำงานได้ 100 ปี และ 1 กรัมจะผลิตพลังงานได้มากกว่าน้ำมันเบนซิน 28,000 ลิตร. เห็นด้วยสิ่งนี้ไม่สามารถสร้างความประทับใจได้

Charles Stevens ซีอีโอของ Laser Power Systems กล่าวว่าทีมได้เริ่มการทดลองโดยใช้ทอเรียมในปริมาณเล็กน้อยแล้ว แต่เป้าหมายในทันทีคือการสร้างเลเซอร์ที่จำเป็นสำหรับกระบวนการนี้ การอธิบายหลักการทำงานของเครื่องยนต์ดังกล่าวสามารถยกตัวอย่างการทำงานของโรงไฟฟ้าแบบคลาสสิกได้ ดังนั้นเลเซอร์ตามแผนของนักวิทยาศาสตร์จะทำให้ภาชนะบรรจุน้ำร้อนและไอน้ำที่ได้จะไปที่การทำงานของกังหันขนาดเล็ก

อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าคำกล่าวของผู้เชี่ยวชาญ LPS จะดูเหมือนก้าวหน้าเพียงใด แนวคิดในการใช้เครื่องยนต์อะตอมทอเรียมก็ไม่ใช่เรื่องใหม่ ในปี 2009 Lauren Culeusus แสดงให้ชุมชนโลกเห็นวิสัยทัศน์ของเขาเกี่ยวกับอนาคตและสาธิตรถแนวคิด Cadillac World Thorium Fuel และแม้จะมีรูปลักษณ์ล้ำยุค แต่ความแตกต่างหลักระหว่างรถแนวคิดก็คือการมีอยู่ของแหล่งพลังงานสำหรับการทำงานอัตโนมัติ ซึ่งใช้ทอเรียมเป็นเชื้อเพลิง

“นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องหาแหล่งพลังงานที่ถูกกว่าถ่านหิน โดยปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยเมื่อเผา มิฉะนั้นความคิดนี้จะไม่สามารถพัฒนาได้เลย” - Robert Hargrave ผู้เชี่ยวชาญในด้านการศึกษาคุณสมบัติของทอเรียม

ในขณะนี้ ผู้เชี่ยวชาญของ Laser Power Systems มุ่งเน้นอย่างเต็มที่ในการสร้างแบบจำลองอนุกรมของเครื่องยนต์สำหรับการผลิตจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม คำถามที่สำคัญที่สุดข้อหนึ่งไม่ได้หายไป นั่นคือ ประเทศและบริษัทต่างๆ ที่วิ่งเต้นเพื่อผลประโยชน์ "น้ำมัน" จะมีปฏิกิริยาอย่างไรต่อนวัตกรรมดังกล่าว เวลาเท่านั้นที่จะบอกคำตอบได้

น่าสนใจ:

ปริมาณสำรองทอเรียมตามธรรมชาติมีมากกว่ายูเรเนียม 3-4 เท่า
ผู้เชี่ยวชาญเรียกทอเรียมและโดยเฉพาะอย่างยิ่งทอเรียม-232 ว่า "เชื้อเพลิงนิวเคลียร์แห่งอนาคต"

1 กรัม ต่อ 28,000 ลิตร นี่คืออัตราส่วนของการใช้เชื้อเพลิงในเครื่องยนต์รถยนต์ หากเราเปลี่ยนเชื้อเพลิงปกติด้วยทอเรียม

เรากำลังพูดถึงไอโซโทปที่ 232 มีครึ่งชีวิตที่ยาวที่สุด ทอเรียม 8 กรัมเพียงพอต่อการเดินเครื่องยนต์ต่อเนื่องเป็นเวลา 100 ปี

มีเชื้อเพลิงใหม่สำรองมากกว่าในเปลือกโลกถึง 3 เท่า ผู้เชี่ยวชาญของ Laser Power Systems ได้เริ่มพัฒนาเครื่องยนต์ใหม่แล้ว

บริษัทอเมริกัน การทำงานของเครื่องยนต์จะคล้ายวงจรของโรงไฟฟ้ามาตรฐาน ความท้าทายคือการพัฒนาเลเซอร์ที่เหมาะสม

หน้าที่ของมันคือให้ความร้อนแก่น้ำ ไอน้ำจะปล่อยกังหันขนาดเล็กออกมา ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์กำลังดำเนินการตามกระบวนการนี้ เราจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเชื้อเพลิงของศตวรรษที่ 21 และในอนาคต สหัสวรรษทั้งหมด

ทอเรียมคืออะไร?

โลหะทอเรียมเกี่ยวข้องกับแอกทิไนด์ ครอบครัวนี้มีกัมมันตภาพรังสี ทั้งหมดอยู่ในกลุ่มที่ 3 ของตารางที่ 7

หมายเลขแอกทิไนด์อยู่ระหว่าง 90 ถึง 103 ทอเรียมมาก่อน มันถูกค้นพบก่อนพร้อมกับยูเรเนียม

ในรูปแบบที่บริสุทธิ์ ฮีโร่ถูกแยกออกมาในปี พ.ศ. 2425 โดย Lars Nilsson กัมมันตภาพรังสีของธาตุไม่ถูกค้นพบทันที

นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไม ทอเรียมไม่ได้กระตุ้นความสนใจของสาธารณชนเป็นเวลานาน การสลายตัวของทอเรียมได้รับการพิสูจน์ในปี 1907 เท่านั้น

ตั้งแต่ปี 1907 ไอโซโทปทอเรียมเปิดทีละรายการ ภายในปี 2560 มีการดัดแปลงโลหะ 30 รายการ 9 คนที่ได้รับ

มีเสถียรภาพมากที่สุดคือ 232 ครึ่งชีวิตของทอเรียมในรูปแบบนี้เป็นเวลา 1.4 * 10 10 ปี นั่นคือเหตุผลที่ไอโซโทปที่ 232 มีอยู่ทั่วไปในเปลือกโลกโดยมีส่วนแบ่ง 8 * 10 -4%

ไอโซโทปที่เหลืออยู่จะถูกเก็บไว้เป็นเวลาหลายปี ดังนั้นจึงไม่มีประโยชน์ในทางปฏิบัติและไม่ค่อยพบในธรรมชาติ ทอเรียมชิ้นที่ 229 สลายตัวใน 7,340 ปี แต่ไอโซโทปนี้ "ได้มา" เทียม

ทอเรียมไม่มีไอโซโทปที่เสถียรอย่างสมบูรณ์ ในรูปแบบที่บริสุทธิ์องค์ประกอบจะดูเหมือน -, พลาสติก .

เขาเป็นคนที่ทำให้แร่ thorite อ่อนมาก ตัดง่าย แร่นี้ได้รับการศึกษาโดย Jens Berzenlius

นักเคมีชาวสวีเดนสามารถคำนวณสิ่งที่ไม่รู้จักในองค์ประกอบของหินได้ แต่ไม่สามารถแยกมันออกได้ จึงมอบเกียรติยศให้กับนิลสัน

คุณสมบัติของทอเรียม

ทอเรียมเป็นองค์ประกอบซึ่งมีกัมมันตภาพรังสีจำเพาะ 0.109 ไมโครคิวรี่ต่อกรัม ตัวอย่างเช่น สำหรับยูเรเนียม 238 ตัวเลขนี้สูงกว่าเกือบ 3 เท่า

ดังนั้นทอเรียมจึงมีกัมมันตภาพรังสีอย่างอ่อน ไอโซโทปของทอเรียมหลายไอโซโทปเป็นผลมาจากการสลายตัวของยูเรเนียม เรากำลังพูดถึงการปรับเปลี่ยนองค์ประกอบที่ 90 ครั้งที่ 230, 231, 234 และ 235

การสลายตัวของฮีโร่ของบทความนั้นมาพร้อมกับการปล่อยเรดอน ก๊าซนี้เรียกอีกอย่างว่าธอรอน อย่างไรก็ตาม ชื่อที่สองไม่เป็นที่นิยมใช้

เรดอนเป็นอันตรายหากหายใจเข้าไป อย่างไรก็ตาม ไมโครโดสมีอยู่ในน้ำแร่และมีประโยชน์ต่อร่างกาย

เป็นเส้นทางที่ธอรอนเข้าสู่ร่างกายที่สำคัญ คุณสามารถดื่ม ดูดซับ - ได้ แต่อย่าสูดดม

ในแง่ของตาข่ายคริสตัล ทอเรียมกัมมันตภาพรังสีปรากฏในสองรูปแบบเท่านั้น สูงถึง 1,400 องศา โครงสร้างของโลหะเป็นแบบหันหน้าเข้าหากัน

มันขึ้นอยู่กับลูกบาศก์สามมิติที่ประกอบด้วย 14 อะตอม บางส่วนอยู่ที่มุมของรูป อะตอมที่เหลือจะอยู่ตรงกลางของแต่ละอะตอม

เมื่อได้รับความร้อนสูงกว่า 1,400 องศาเซลเซียส ตาข่ายคริสตัลของทอเรียมจะกลายเป็นศูนย์กลางของร่างกาย

"การบรรจุ" ของลูกบาศก์ดังกล่าวมีความหนาแน่นน้อยกว่า ทอเรียมที่อ่อนอยู่แล้วจะยิ่งหลวมมากขึ้น

ทอเรียม - สารเคมีธาตุที่จัดเป็นพาราแมกเนติก ดังนั้นการซึมผ่านของแม่เหล็กของโลหะจึงน้อยมาก ใกล้เคียงกับความเป็นหนึ่งเดียว

สารของกลุ่มยังโดดเด่นด้วยความสามารถในการดึงดูดในทิศทางของสนามภายนอก

ความจุความร้อนโมลาร์ของทอเรียมคือ 27.3 กิโลจูล ตัวบ่งชี้ระบุความจุความร้อนของสารหนึ่งโมล ดังนั้นชื่อนี้

เป็นการยากที่จะทำรายการต่อไปเนื่องจากคุณสมบัติส่วนใหญ่ของโลหะที่ 90 ขึ้นอยู่กับระดับของการปนเปื้อน

ดังนั้นความต้านทานแรงดึงขององค์ประกอบจึงแตกต่างกันไปตั้งแต่ 150 ถึง 290 เมกะนิวตันต่อตารางเมตร

ทอเรียมก็ไม่เสถียรเช่นกัน สำหรับโลหะให้กำลัง 450 ถึง 700 กิโลกรัม

ทอเรียมยืนอยู่ที่จุดเริ่มต้นของกลุ่ม มีคุณสมบัติบางอย่างจากองค์ประกอบที่อยู่ก่อนหน้า ดังนั้นฮีโร่ของบทความจึงมีลักษณะการเกิดออกซิเดชันระดับที่ 4

เพื่อให้ทอเรียมสามารถออกซิไดซ์ในอากาศได้อย่างรวดเร็ว คุณต้องเพิ่มอุณหภูมิให้สูงถึง 400 องศา โลหะจะถูกปกคลุมด้วยฟิล์มออกไซด์ทันที

การจับคู่ทอเรียมกับออกซิเจนเป็นออกไซด์ที่ทนไฟได้มากที่สุด อ่อนตัวที่อุณหภูมิ 3,200 องศาเซลเซียสเท่านั้น

ในขณะเดียวกัน สารประกอบนี้ยังมีความเสถียรทางเคมีอีกด้วย โลหะบริสุทธิ์ทำปฏิกิริยากับ

ใดๆ ไอโซโทปกัมมันตรังสีของทอเรียมโต้ตอบกับมันแม้ในอุณหภูมิห้อง

ปฏิกิริยาที่เหลือกับฮีโร่ของบทความเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง ที่อุณหภูมิ 200 องศา จะมีปฏิกิริยากับ

ผงไฮไดรด์เกิดขึ้น ไนไตรด์จะได้รับเมื่อทอเรียมได้รับความร้อนในชั้นบรรยากาศ

ต้องใช้อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียส แต่ก่อนอื่นคุณต้องได้รับน้ำยา มาดูกันว่าพวกเขาทำได้อย่างไร

การขุดและการสะสมของทอเรียม

$350,000,000. มีการจัดสรรจำนวนเท่ากันทุกปีสำหรับการพัฒนาพลังงานทอเรียม มีไอโซโทปที่ 232 อยู่เป็นจำนวนมากในประเทศ

สิ่งนี้น่าตกใจ ซึ่งเสี่ยงที่จะสูญเสียความเป็นผู้นำในด้านเชื้อเพลิง หากธาตุที่ 90 กลายเป็นแหล่งพลังงานหลักของโลก

มีเงินสำรองในประเทศ ตัวอย่างเช่น โลหะหลายล้านตันตั้งอยู่ใกล้กับโนโวคุซเน็ทสค์

อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องปกป้องสิทธิ์ลำดับความสำคัญของการใช้ทอเรียม และโลกกำลังต่อสู้เพื่อพวกเขา ทุกคนเข้าใจว่าอนาคตคืออะไร

โดยปกติจะพบทอเรียมในรูปของทรายแวววาว นี่คือแร่โมนาไซต์ ชายหาดจากนั้นมักจะรวมอยู่ในพื้นที่รีสอร์ท

ตัวอย่างเช่น บนชายฝั่งของทะเลอะซอฟ มันคุ้มค่าที่จะพิจารณาไม่เพียงแค่การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงสิ่งที่มาจากโลกด้วย ทอเรียมเส้นเลือดพบเฉพาะในแอฟริกาใต้ แหล่งแร่ที่เรียกว่า Steenkasmkraal

หากคุณสกัดทอเรียมออกจากแร่ การหาองค์ประกอบจะง่ายกว่า ยังคงมีให้เห็นต่อไปว่าทอเรียมจะมีประโยชน์ที่ไหน นอกเหนือจากเครื่องยนต์ของรถยนต์ในอนาคต

การประยุกต์ใช้ทอเรียม

เพราะว่า นิวเคลียสของทอเรียมการใช้ธาตุที่ไม่เสถียรตามธรรมชาติในพลังงานนิวเคลียร์ ซื้อฟลูออไรด์และทอเรียมออกไซด์ตามความต้องการ

จำอุณหภูมิที่ออกไซด์ของโลหะที่ 90 สามารถทนได้หรือไม่? สารประกอบดังกล่าวเท่านั้นที่จะทำงานในเครื่องปฏิกรณ์ที่มีเกลือหลอมเหลว

ทอเรียมออกไซด์ยังมีประโยชน์ในอุตสาหกรรมการบินอีกด้วย ที่นั่นโลหะที่ 90 ทำหน้าที่เป็นตัวทำให้แข็ง บริการของทอเรียมยังอยู่ในร่างกาย

ธาตุกัมมันตภาพรังสีประมาณ 3 มิลลิกรัมมาพร้อมกับอาหารทุกวัน มีส่วนร่วมในการควบคุมกระบวนการของระบบซึ่งส่วนใหญ่ดูดซึมโดยตับ

นักโลหะวิทยาก็ซื้อทอเรียมเช่นกัน แต่ไม่ใช่สำหรับอาหาร โลหะบริสุทธิ์ถูกใช้เป็นสารเติมแต่งที่ช่วยปรับปรุงคุณภาพโดยเฉพาะแมกนีเซียม ด้วยสายรัดทำให้พวกเขาทนความร้อนและต้านทานการฉีกขาดได้ดีขึ้น

ในที่สุดเราจะเพิ่มข้อมูลเกี่ยวกับเครื่องยนต์รถใหม่ ทอเรียมในนั้นไม่ใช่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ แต่เป็นเพียงวัตถุดิบเท่านั้น

ด้วยตัวมันเอง ธาตุที่ 90 ไม่สามารถให้พลังงานได้ ทุกอย่างเปลี่ยนไปโดยสภาพแวดล้อมของนิวตรอนและเครื่องปฏิกรณ์น้ำ

ทอเรียมจะเปลี่ยนเป็นยูเรเนียม 233 นี่คือ - เชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพ พวกเขาจ่ายค่าวัตถุดิบเท่าไหร่? มาลองค้นหากัน

ราคาทอเรียม

ราคาทอเรียมแยกความแตกต่างออกเป็นโลหะบริสุทธิ์และสารประกอบของมัน นี่เป็นวลีทั่วไปจาก จากรายละเอียด - เฉพาะป้ายราคาต่อกิโลกรัมของทอเรียมออกไซด์คือประมาณ 7,500

นี่เป็นการสรุปคำขอที่เปิดอยู่ ขอให้ผู้ขายชี้แจงค่าใช้จ่ายเนื่องจากพวกเขาขายธาตุกัมมันตภาพรังสี

ไม่มีข้อเสนอเกี่ยวกับทอเรียมบริสุทธิ์บนอินเทอร์เน็ต เช่นเดียวกับที่ไม่มีข้อมูลต่อกรัมของโลหะ ในขณะเดียวกัน คำถามไม่ได้ให้ส่วนที่เหลือแก่ผู้ที่สนใจในเชื้อเพลิงยานยนต์ประเภทใหม่ เช่นเดียวกับที่คำถามไม่ได้ให้ข้อยุติว่าคำขอสำหรับองค์ประกอบที่ 90 จะเพิ่มขึ้นในกรณีที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายหรือไม่

ในขั้นต้น เพื่อประโยชน์ในการขับไล่เครื่องยนต์เบนซินออกจากตลาด ทอเรียมจะทำกำไรได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่จะเกิดอะไรขึ้นในภายหลังเมื่อการกลับไปสู่อดีตนั้นไม่น่าเป็นไปได้

มีคำถามมากมาย อย่างไรก็ตาม มีความเฉพาะเจาะจงเล็กน้อย เช่นเดียวกับทุกสิ่งที่ใหม่และไม่รู้จัก ซึ่งดูเหมือนเป็นการพนันในคู่แรก

แม้ว่าเครื่องยนต์ทอเรียมรุ่นแรกจะพร้อมแล้ว มีน้ำหนักประมาณ 200 กิโลกรัม อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถวางไว้ใต้ฝากระโปรงขนาดกลางได้อย่างง่ายดาย

อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าคำกล่าวของผู้เชี่ยวชาญ LPS จะก้าวหน้าเพียงใด แนวคิดในการใช้เครื่องยนต์อะตอมทอเรียมก็ไม่ใช่เรื่องใหม่ ในปี 2009 Lauren Culeusus แสดงให้ชุมชนโลกเห็นวิสัยทัศน์ของเขาเกี่ยวกับอนาคตและสาธิตรถแนวคิด Cadillac World Thorium Fuel และแม้จะมีรูปลักษณ์ล้ำยุค แต่ความแตกต่างหลักระหว่างรถแนวคิดก็คือการมีอยู่ของแหล่งพลังงานสำหรับการทำงานอัตโนมัติ ซึ่งใช้ทอเรียมเป็นเชื้อเพลิง

“นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องหาแหล่งพลังงานที่ถูกกว่าถ่านหิน โดยปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยเมื่อเผา มิฉะนั้นความคิดนี้จะไม่สามารถพัฒนาได้เลย” - Robert Hargrave ผู้เชี่ยวชาญในด้านการศึกษาคุณสมบัติของทอเรียม

น่าสนใจ:

ปริมาณสำรองทอเรียมตามธรรมชาติมีมากกว่ายูเรเนียม 3-4 เท่า
ผู้เชี่ยวชาญเรียกทอเรียมและโดยเฉพาะอย่างยิ่งทอเรียม-232 ว่า "เชื้อเพลิงนิวเคลียร์แห่งอนาคต"

วัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียมเป็นวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์โดยใช้ไอโซโทปทอเรียม-232 เป็นวัตถุดิบตั้งต้นนิวเคลียร์ ทอเรียม-232 ระหว่างปฏิกิริยาการแยกตัวในเครื่องปฏิกรณ์จะถ่ายโอนการแปลงร่างเป็นไอโซโทปเทียมยูเรเนียม-233 ซึ่งใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ทอเรียมธรรมชาติมีวัสดุฟิสไซล์เพียงเศษส่วนเพียงเล็กน้อยเท่านั้น (เช่น ทอเรียม-231) ซึ่งไม่เพียงพอที่จะเริ่มปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ ในการเริ่มวัฏจักรเชื้อเพลิง จำเป็นต้องมีวัสดุฟิสไซล์เพิ่มเติมหรือแหล่งนิวตรอนอื่น ในเครื่องปฏิกรณ์ทอเรียม ทอเรียม-232 ดูดซับนิวตรอนเพื่อผลิตยูเรเนียม-233 ในที่สุด ขึ้นอยู่กับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์และวัฏจักรเชื้อเพลิง ไอโซโทปยูเรเนียม-233 ที่สร้างขึ้นสามารถแยกตัวในเครื่องปฏิกรณ์เองหรือแยกออกทางเคมีจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วและหลอมใหม่เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใหม่

วัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียมมีข้อดีหลายประการเหนือวัฏจักรเชื้อเพลิงยูเรเนียม รวมถึงความอุดมสมบูรณ์ที่มากกว่า คุณสมบัติทางกายภาพและนิวเคลียร์ที่ดีกว่าซึ่งไม่พบในพลูโตเนียมและแอกทิไนด์อื่นๆ และความต้านทานต่อการเพิ่มจำนวนของนิวเคลียร์ที่ดีกว่า ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้เครื่องปฏิกรณ์น้ำมวลเบามากกว่า เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เกลือละลาย

ประวัติการศึกษาทอเรียม

แหล่งเดียวของทอเรียมคือเม็ดโมนาไซต์สีเหลืองโปร่งแสง (ซีเรียมฟอสเฟต)

ข้อโต้แย้งเกี่ยวกับปริมาณสำรองยูเรเนียมที่มีอยู่อย่างจำกัดของโลกนำไปสู่ความสนใจเบื้องต้นในวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม เห็นได้ชัดว่าปริมาณสำรองของยูเรเนียมนั้นหมดไป และทอเรียมสามารถแทนที่ยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้ อย่างไรก็ตาม ประเทศส่วนใหญ่มีแร่ยูเรเนียมค่อนข้างมาก และการวิจัยเกี่ยวกับวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียมนั้นช้ามาก ข้อยกเว้นที่สำคัญคืออินเดียและโครงการนิวเคลียร์สามขั้นตอน ในศตวรรษที่ 21 ศักยภาพของทอเรียมในการต้านทานการแพร่ขยายของนิวเคลียร์และคุณลักษณะของวัตถุดิบเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วได้นำไปสู่ความสนใจใหม่ในวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม

ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ใช้เครื่องปฏิกรณ์ทดลองเกลือหลอมเหลวโดยใช้ยูเรเนียม-233 เป็นวัสดุฟิสไซล์ในทศวรรษที่ 1960 เพื่อทดลองและสาธิตการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ปรับปรุงพันธุ์เกลือหลอมเหลวที่ทำงานในวัฏจักรทอเรียม การทดลองกับเครื่องปฏิกรณ์เกี่ยวกับเกลือหลอมเหลวของความเป็นไปได้ของทอเรียม โดยใช้ทอเรียมฟลูออไรด์ (IV) ละลายในเกลือหลอมเหลว ทำให้ความจำเป็นในการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงลดลง โปรแกรม PPC ถูกยุติลงในปี 1976 หลังจากที่ Alvin Weinberg ภัณฑารักษ์ไล่ออก

ในปี พ.ศ. 2549 คาร์โล รับเบียเสนอแนวคิดเครื่องเพิ่มพลังงานหรือ "เครื่องเร่งความเร็วแบบควบคุม" ซึ่งเขาเห็นว่าเป็นวิธีที่สร้างสรรค์และปลอดภัยในการผลิตพลังงานนิวเคลียร์โดยใช้เทคโนโลยีการเร่งพลังงานที่มีอยู่ แนวคิดของ Rubbia นำเสนอความเป็นไปได้ในการเผากากนิวเคลียร์ที่มีกัมมันตภาพรังสีสูงและผลิตพลังงานจากทอเรียมธรรมชาติและยูเรเนียมที่หมดฤทธิ์แล้ว

Kirk Sorensen อดีตนักวิทยาศาสตร์ของ NASA และหัวหน้าเจ้าหน้าที่นิวเคลียร์ของ Teledyne Brown Engineering ได้สนับสนุนแนวคิดเกี่ยวกับวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียมมาอย่างยาวนาน โดยเฉพาะเครื่องปฏิกรณ์ทอเรียมฟลูออไรด์เหลว (LFRs) เขาเป็นผู้บุกเบิกการวิจัยเกี่ยวกับเครื่องปฏิกรณ์ทอเรียมในขณะที่อยู่ที่ NASA เมื่อเขาประเมินแนวคิดต่างๆ ของโรงไฟฟ้าสำหรับอาณานิคมบนดวงจันทร์ ในปี 2549 Sorensen ก่อตั้งเว็บไซต์ "Energyfromthorium.com" เพื่อแจ้งข้อมูลและส่งเสริมเทคโนโลยีนี้

ในปี พ.ศ. 2554 สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ได้สรุปว่า แม้จะมีอุปสรรคเพียงเล็กน้อยในวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม แต่สถานะปัจจุบันของเครื่องปฏิกรณ์น้ำมวลเบาก็สร้างแรงจูงใจเพียงเล็กน้อยสำหรับวัฏจักรดังกล่าวในการเข้าสู่ตลาด โอกาสที่วัฏจักรทอเรียมจะมาแทนที่วัฏจักรยูเรเนียมแบบดั้งเดิมในตลาดพลังงานนิวเคลียร์ในปัจจุบันนั้นน้อยมาก แม้จะมีประโยชน์ก็ตาม

ปฏิกิริยานิวเคลียร์กับทอเรียม

ระหว่างวัฏจักรทอเรียม ทอเรียม-232 จับนิวตรอน (ซึ่งเกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วและแบบความร้อน) เพื่อเปลี่ยนเป็นทอเรียม-233 สิ่งนี้มักจะนำไปสู่การปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโนในช่วง ?-การสลายตัว และการปรากฏตัวของโพรแทกติเนียม-233 จากนั้น ในระหว่างการสลายตัวครั้งที่สองและการปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโนอีกครั้ง จะเกิด Uranium-233 ซึ่งใช้เป็นเชื้อเพลิง .

ของเสียจากผลิตภัณฑ์ฟิชชัน

ปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียร์ก่อให้เกิดการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีที่สามารถมีครึ่งชีวิตได้ตั้งแต่ไม่กี่วันไปจนถึง 200,000 ปี จากการศึกษาทางพิษวิทยาบางส่วน วัฏจักรทอเรียมสามารถแปรรูปของเสียจากแอกทิไนด์ได้อย่างสมบูรณ์ และปล่อยของเสียหลังจากผลิตภัณฑ์ฟิชชันเท่านั้น และหลังจากนั้นไม่กี่ศตวรรษ ของเสียจากเครื่องปฏิกรณ์ทอเรียมจะเป็นพิษน้อยกว่าแร่ยูเรเนียม ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการผลิตของเสีย เชื้อเพลิงยูเรเนียมสำหรับเครื่องปฏิกรณ์น้ำมวลเบาที่มีลักษณะคล้ายกัน กำลังไฟ

ของเสียแอกทิไนด์

ในเครื่องปฏิกรณ์ที่นิวตรอนชนอะตอมฟิสไซล์ (เช่น ไอโซโทปยูเรเนียมบางประเภท) อาจเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันและการจับนิวตรอนและการเปลี่ยนรูปของอะตอมได้ ในกรณีของยูเรเนียม-233 การแปลงร่างนำไปสู่การผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่เป็นประโยชน์ เช่นเดียวกับของเสียจากยูเรเนียม เมื่อยูเรเนียม-233 ดูดซับนิวตรอน ปฏิกิริยาฟิชชันหรือการเปลี่ยนเป็นยูเรเนียม-234 สามารถเกิดขึ้นได้ โอกาสในการแยกหรือดูดซับเทอร์มอลนิวตรอนอยู่ที่ประมาณ 92% ในขณะที่อัตราส่วนของส่วนตัดขวางการจับต่อส่วนตัดขวางของนิวตรอนในกรณีของยูเรเนียม-233 นั้นอยู่ที่ประมาณ 1:12 ตัวเลขนี้ใหญ่กว่าอัตราส่วนที่สอดคล้องกันของดาวยูเรนัส-235 (ประมาณ 1:6), พลูโต-239 หรือพลูโต-241 (ทั้งคู่มีอัตราส่วนประมาณ 1:3) ผลที่ได้คือของเสียจากยูเรเนียมน้อยกว่าในเครื่องปฏิกรณ์วัฏจักรเชื้อเพลิงยูเรเนียม-พลูโตเนียมแบบดั้งเดิม

ยูเรเนียม-233 เช่นเดียวกับแอกทิไนด์ส่วนใหญ่ที่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน ไม่ฟิสไซล์ แต่เมื่อนิวตรอนถูก "จับ" ไอโซโทปฟิสไซล์ยูเรเนียม-235 จะปรากฏขึ้น หากไม่มีปฏิกิริยาฟิชชันหรือการจับนิวตรอนในไอโซโทปฟิชไซล์ ยูเรเนียม-236 เนปทูเนียม-237 พลูโทเนียม-238 และสุดท้าย ไอโซโทปฟิชไซล์พลูโทเนียม-239 และไอโซโทปพลูโทเนียมที่หนักกว่าจะปรากฏขึ้น เนปทูเนียม-237 สามารถกำจัดออกและเก็บไว้เป็นของเสีย หรือเก็บรักษาไว้และแปรสภาพเป็นพลูโทเนียม ซึ่งจะดีกว่าฟิสไซล์ ในขณะที่ส่วนที่เหลือจะเปลี่ยนเป็นพลูโตเนียม-242 จากนั้นเป็นอะเมริเซียมและคูเรียม ในทางกลับกัน สิ่งเหล่านี้สามารถถูกกำจัดเป็นของเสีย หรือส่งกลับไปยังเครื่องปฏิกรณ์เพื่อแปรสภาพและฟิชชันต่อไป

อย่างไรก็ตาม Protactinium-231 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 32,700 ปี ก่อตัวขึ้นจากปฏิกิริยากับ Thorium-232 แม้ว่าจะไม่ใช่ของเสียจาก transuranium แต่เป็นสาเหตุหลักของกากกัมมันตรังสีที่มีอายุยืนยาว

การติดเชื้อยูเรเนียม-232

ยูเรเนียม-232 ยังปรากฏขึ้นระหว่างปฏิกิริยาระหว่างนิวตรอนเร็วกับยูเรเนียม-233, โพรแทกทิเนียม-233 และทอเรียม-232

ยูเรเนียม-232 มีครึ่งชีวิตค่อนข้างสั้น (68.9 ปี) และผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวบางส่วนปล่อยรังสีแกมมาพลังงานสูง เช่นเดียวกับเรดอน-224 บิสมัท-212 และแทลเลียม-208 บางส่วน

วัฏจักรทอเรียมสร้างรังสีแกมมาที่รุนแรงซึ่งสร้างความเสียหายต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ทำให้จำกัดการใช้งานของมันในการจุดชนวนระเบิดนิวเคลียร์ ยูเรเนียม-232 ไม่สามารถแยกได้ทางเคมีจากยูเรเนียม-233 ที่พบในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว อย่างไรก็ตาม การแยกทอเรียมออกจากยูเรเนียมทางเคมีจะกำจัดผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวของทอเรียม-228 และการแผ่รังสีออกจากส่วนที่เหลือของห่วงโซ่ครึ่งชีวิต ซึ่งจะค่อยๆ นำไปสู่การสะสมทอเรียม-228 ใหม่ นอกจากนี้ยังสามารถป้องกันการปนเปื้อนได้โดยใช้ Molten Salt Breeder Reactor และแยกโพรแทกทิเนียม-233 ก่อนที่มันจะสลายตัวเป็นยูเรเนียม-233 รังสีแกมมาอย่างหนักยังสามารถสร้างอันตรายจากกัมมันตภาพรังสีซึ่งต้องใช้การแสดงทางไกล

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์

ในฐานะที่เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ทอเรียมมีความคล้ายคลึงกับยูเรเนียม-238 ซึ่งเป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ของยูเรเนียมตามธรรมชาติและหมดสิ้นแล้ว ดัชนีของหน้าตัดนิวเคลียร์ของนิวตรอนเทอร์มอลที่ถูกดูดกลืนและอินทิกรัลเรโซแนนซ์ (จำนวนเฉลี่ยของหน้าตัดนิวเคลียร์ของนิวตรอนที่มีพลังงานระดับกลาง) สำหรับทอเรียม-232 มีค่าเท่ากับสามโดยประมาณ และเป็นหนึ่งในสามของดัชนีที่สอดคล้องกันของ ยูเรเนียม-238.

ข้อดี

มีการประมาณว่าทอเรียมมีอยู่ทั่วไปในเปลือกโลกมากกว่ายูเรเนียมถึงสามถึงสี่เท่า แม้ว่าในความเป็นจริงข้อมูลปริมาณสำรองของทอเรียมจะมีจำกัดมากก็ตาม ความต้องการทอเรียมในปัจจุบันได้รับการตอบสนองจากผลิตภัณฑ์แร่หายากทุติยภูมิที่ขุดได้จากทรายโมนาไซต์

แม้ว่าภาคตัดขวางของนิวตรอนความร้อนฟิสไซล์ของยูเรเนียม-233 จะเทียบได้กับยูเรเนียม-235 และพลูโทเนียม-239 แต่ก็มีภาคตัดขวางของนิวตรอนในการดักจับต่ำกว่าไอโซโทปสองไอโซโทปหลังมาก ทำให้มีนิวตรอนที่ไม่ฟิสไซล์ที่ถูกดูดกลืนน้อยลงและการเพิ่มขึ้นของ สมดุลนิวตรอน.. ท้ายที่สุดแล้ว อัตราส่วนของนิวตรอนที่ถูกปล่อยออกมาและดูดซับในยูเรเนียม-233 นั้นมากกว่าสองในพลังงานที่หลากหลาย รวมถึงความร้อนด้วย เป็นผลให้เชื้อเพลิงที่มีทอเรียมเป็นส่วนประกอบหลักสามารถกลายเป็นส่วนประกอบหลักของเครื่องปฏิกรณ์แบบขยายความร้อนได้ เครื่องปฏิกรณ์แบบผสมพันธุ์ที่มีวัฏจักรยูเรเนียม-พลูโตเนียมถูกบังคับให้ใช้สเปกตรัมนิวตรอนเร็ว เนื่องจากในสเปกตรัมความร้อน พลูโทเนียม-239 จะดูดกลืนนิวตรอน 1 ตัว และโดยเฉลี่ยแล้ว 2 นิวตรอนจะหายไประหว่างปฏิกิริยา

เชื้อเพลิงที่มีทอเรียมเป็นส่วนประกอบหลักยังแสดงคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่ยอดเยี่ยม ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์และที่เก็บ เมื่อเทียบกับยูเรเนียมไดออกไซด์ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงหลักของเครื่องปฏิกรณ์ ทอเรียมไดออกไซด์มีอุณหภูมิที่มีอิทธิพลสูงกว่า การนำความร้อน และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ต่ำกว่า ทอเรียมไดออกไซด์ยังแสดงความเสถียรทางเคมีได้ดีกว่า และไม่เหมือนกับยูเรเนียมไดออกไซด์ตรงที่ไม่สามารถออกซิเดชั่นได้อีก

เนื่องจากยูเรเนียม-233 ที่ผลิตในเชื้อเพลิงทอเรียมนั้นปนเปื้อนยูเรเนียม-232 อย่างมากในแนวคิดเครื่องปฏิกรณ์ที่เสนอ เชื้อเพลิงใช้แล้วทอเรียมจึงทนทานต่อการเพิ่มจำนวนอาวุธ ยูเรเนียม-232 ไม่สามารถแยกทางเคมีออกจากยูเรเนียม-233 ได้ และมีผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวหลายชนิดที่ปล่อยรังสีแกมมาพลังงานสูง โปรตอนพลังงานสูงเหล่านี้มีอันตรายจากกัมมันตภาพรังสี ทำให้จำเป็นต้องทำงานระยะไกลโดยแยกยูเรเนียมและการตรวจหานิวเคลียร์ของสารดังกล่าว

สารที่มีส่วนประกอบของยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิงซึ่งมีครึ่งชีวิตยาว (ตั้งแต่ 1,000 ถึง 1,000,000 ปี) มีอันตรายจากกัมมันตภาพรังสีเนื่องจากมีพลูโทเนียมและแอกทิไนด์เล็กน้อยอื่นๆ หลังจากนั้น ผลิตภัณฑ์ฟิชชันที่มีอายุยืนยาวก็ปรากฏขึ้นอีกครั้ง หนึ่งนิวตรอนที่จับได้โดยยูเรเนียม-238 ก็เพียงพอที่จะสร้างธาตุทรานส์ยูเรเนียม ในขณะที่จำเป็นต้องมี "การจับ" ดังกล่าวห้าครั้งสำหรับกระบวนการที่คล้ายคลึงกันกับทอเรียม-232 98-99% ของวัฏจักรนิวเคลียร์ของทอเรียมส่งผลให้เกิดการแตกตัวของยูเรเนียม-233 หรือยูเรเนียม-235 ดังนั้นจึงมีการผลิตธาตุทรานส์ยูเรเนียมที่มีอายุยืนยาวน้อยลง ด้วยเหตุนี้ ทอเรียมจึงดูเหมือนจะเป็นทางเลือกที่น่าสนใจแทนยูเรเนียมในเชื้อเพลิงผสมออกไซด์ เพื่อจำกัดการผลิตสารทรานส์ยูเรเนียมและเพิ่มปริมาณพลูโทเนียมที่สลายตัวให้ได้มากที่สุด

ข้อบกพร่อง

มีอุปสรรคหลายประการในการใช้ทอเรียมเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องปฏิกรณ์เชื้อเพลิงแข็ง

ทอเรียมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติแตกต่างจากยูเรเนียม โดยทั่วไปจะเป็นนิวเคลียร์เดี่ยวและไม่มีไอโซโทปฟิสไซล์ ต้องเพิ่มวัสดุฟิสไซล์ โดยทั่วไปคือ ยูเรเนียม-233 ยูเรเนียม-235 หรือพลูโตเนียม เพื่อให้บรรลุวิกฤต เมื่อรวมกับอุณหภูมิการเผาสูงที่จำเป็นสำหรับทอเรียมไดออกไซด์ สิ่งนี้ทำให้การผลิตเชื้อเพลิงซับซ้อนขึ้น ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ดำเนินการทดลองเกี่ยวกับทอเรียมเตตระฟลูออไรด์เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมเหลวในปี พ.ศ. 2507-2512 คาดว่ากระบวนการผลิตและการแยกสารออกจากสารมลพิษจะอำนวยความสะดวกเพื่อชะลอหรือหยุดปฏิกิริยาลูกโซ่

ในวัฏจักรเชื้อเพลิงเดียว (เช่น กระบวนการแปรรูปยูเรเนียม-233 ในเครื่องปฏิกรณ์เอง) จำเป็นต้องมีการเผาไหม้ที่รุนแรงมากขึ้นเพื่อให้ได้สมดุลของนิวตรอนที่ต้องการ แม้ว่าทอเรียมไดออกไซด์จะสามารถผลิตได้ 150,000-170,000 เมกะวัตต์-วัน/ตันที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงทดลอง Fort St. Rain และ Jülich แต่ก็มีความท้าทายอย่างมากในการบรรลุประสิทธิภาพดังกล่าวในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้น้ำมวลเบา ซึ่งเป็นส่วนประกอบส่วนใหญ่ของเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอยู่

ในวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียมรอบเดียว ยูเรเนียม-233 ที่เหลืออยู่จะยังคงอยู่ในเชื้อเพลิงใช้แล้วเป็นไอโซโทปที่มีอายุยืนยาว

อุปสรรคอีกประการหนึ่งคือวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียมใช้เวลานานพอสมควรในการเปลี่ยนทอเรียม-232 เป็นยูเรเนียม-233 ครึ่งชีวิตของ Protactinium-233 อยู่ที่ประมาณ 27 วัน ซึ่งนานกว่าครึ่งชีวิตของ Neptunium-239 มาก เป็นผลให้ส่วนผสมหลักในเชื้อเพลิงทอเรียมคือ Protactinium-239 ที่แข็งแกร่ง โพรแทกติเนียม-239 เป็นตัวดูดซับนิวตรอนที่แข็งแกร่ง และแม้ว่าการเปลี่ยนเป็นยูเรเนียม-235 ฟิชไซล์สามารถเกิดขึ้นได้ แต่นิวตรอนที่ถูกดูดกลืนก็จำเป็นถึงสองเท่า ซึ่งจะทำลายสมดุลของนิวตรอนและเพิ่มโอกาสในการผลิตสารทรานส์ยูเรเนียม

ในทางกลับกัน หากใช้ทอเรียมแข็งในวัฏจักรเชื้อเพลิงแบบปิดซึ่งยูเรเนียม-233 ถูกแปรรูปใหม่ การปฏิสัมพันธ์ระยะไกลเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อผลิตเชื้อเพลิง เนื่องจากระดับรังสีสูงที่กระตุ้นโดยผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวของยูเรเนียม-232 สิ่งนี้ยังเป็นจริงเมื่อพูดถึงทอเรียมรีไซเคิล เนื่องจากทอเรียม-228 เป็นส่วนหนึ่งของห่วงโซ่การสลายตัว ยิ่งไปกว่านั้น เทคโนโลยีสำหรับการนำทอเรียมมาแปรรูปใหม่นั้นไม่เหมือนกับเทคโนโลยีที่ผ่านการพิสูจน์แล้วสำหรับการแปรรูปเชื้อเพลิงยูเรเนียมใหม่

แม้ว่าการมีอยู่ของยูเรเนียม-232 จะทำให้เรื่องซับซ้อน แต่ก็มีเอกสารเผยแพร่ที่แสดงว่ายูเรเนียม-233 ถูกใช้ในการทดสอบนิวเคลียร์ สหรัฐอเมริกาทดสอบระเบิดที่ซับซ้อนซึ่งมียูเรเนียม-233 และพลูโทเนียมในแกนกลางในระหว่างปฏิบัติการ Teapot ในปี 1955 แม้ว่าจะทำได้สำเร็จเทียบเท่ากับทีเอ็นทีที่ต่ำกว่ามาก

แม้ว่าเชื้อเพลิงที่มีทอเรียมเป็นพื้นฐานจะผลิตทรานยูเรเนียมน้อยกว่าเชื้อเพลิงที่มียูเรเนียมเป็นพื้นฐานมาก แต่บางครั้งสามารถผลิตแอกทิไนด์ที่มีอายุยืนยาวจำนวนหนึ่งซึ่งมีพื้นหลังเป็นกัมมันตภาพรังสีที่ยาวนาน เช่น โพรแทกทิเนียม-231 ได้