الثوريوم في الطاقة النووية: الإيجابيات والسلبيات والمزالق

في عالم الناس بعيدًا عن الطاقة الذرية ، هناك أطروحة مؤامرة تقريبًا مفادها أن الثوريوم هو أن بينوكيو الذري الشرير يختبئ من المستهلكين الرقيقين للكهرباء. رخيصة وآمنة ولا تترك نفايات مشعة - يمكن أن تجلب الطاقة النووية إلى أعلى مستويات الطاقة ، ولكن لسبب ما لم يفعل ذلك.


تحميل تجميعات وقود الثوريوم في مفاعل البحث النرويجي هالدن.


يستخدم أسطول المفاعلات النووية الصناعية اليوم وقود اليورانيوم بشكل كامل ، وبالتحديد نظير U235. حدث هذا لسبب بسيط - هذا هو النظير الطبيعي الوحيد القادر على دعم رد فعل اضمحلال السلسلة. العناصر الثقيلة الطبيعية الأخرى ، على سبيل المثال U238 و Th232 (نفس الثوريوم) لا تدعم تفاعل السلسلة النووية . هناك العديد منها أكثر إنتاجًا صناعيًا قادرًا على العمل في المفاعل - على سبيل المثال ، Pu239 أو U233 المعروف - الذي تم الحصول عليه عن طريق تحويل U238 ، Th232.


مفاعلات الماء الثقيل هي واحدة من التصاميم الرئيسية الثلاثة (إلى جانب الملح المبرد بالغاز والملح السائل) حيث يمكن استخدام دورة الثوريوم.

وهكذا ، في اللحظة الأولى التي لا نرى فيها مئات من مفاعلات الثوريوم ، التي تمد العالم بمرح بالكهرباء - الثوريوم ليس وقودًا نوويًا. من المنطقي فقط في تكوين دورة الوقود النووي المغلقة (NFCF) ، التي لم يتم تنفيذها بالكامل في أي مكان. بالإضافة إلى NFCF على اليورانيوم ، سيحتاج الثوريوم إلى مفاعلات سريعة مع نسبة تكاثر أكثر من 1 ، ومصانع معالجة المواد الكيميائية الإشعاعية ورقائق NFCF الأخرى.
في الواقع ، يعتبر Th232 منافسًا لـ U238 - مادة يمكن تحويلها إلى وقود نووي. بشكل عام ، لكل مرشح من الوقود النووي إيجابياته وسلبياته:

• 1. في قشرة الأرض ، يكون الثوريوم عدة مرات أكثر من اليورانيوم. هذا بالإضافة إلى الثوريوم.
• 2. , . , .
• 3. , 3,5
• 4. Th232->U233 Pa233, . , .
• 5. U232, -, .

من الواضح أنه مع مثل هذه الإعاقة (النقطة 3) وغياب NFC ، ليس لدى الثوريوم فرصة كبيرة للتنفيذ ، على الأقل اليوم. وبقية الثوريوم ليس لها أي عيوب أو مزايا. غالبًا ما يُنسب إليه ، على سبيل المثال ، أنه ليس لديه مشاكل في نشر تقنيات الأسلحة النووية. هذا ليس صحيحا. نعم ، لا يوجد بلوتونيوم ، ولكن هناك U233 ، التي يتم الحصول على القنابل النووية منها بشكل ممتاز.


تحويل المواد في وقود مفاعل حديث: 3.5٪ من تحلل U235 إلى منتجات انشطار ، في موازاة 3٪ Pu يتم إنتاجه من U238 ، 2٪ منها أيضًا تتحلل ، مما يعطي الحرارة والنيوترونات.

الآن دعونا نتحدث عن النقطتين 2 و 4 بمزيد من التفصيل ، لأن فهي حاسمة لمستقبل الثوريوم.

إذن ما هي مشكلة الأكتينيدات الصغيرة؟ عندما يتم تشغيل مفاعل نووي على وقود بشري عادي من 3-5٪ U235 و 95-97٪ U238 ، ينتج امتصاص النيوترون مجموعة متنوعة من المواد غير السارة - الأكتينيدات الصغيرة. وتشمل هذه النبتونيوم Np-237 ، نظائر الأمريسيوم Am-241 ، -243 ، curium Cm-242 ، -244 ، -245. جميعها مشعة ، وبواعث جاما قوية للغاية. ومع ذلك ، سيكون هناك القليل جدًا منها في SNF الطازج - بضعة كيلوغرامات لكل طن ، مقابل عشرات الكيلوغرامات من منتجات الانشطار (مثل Cs-137 الشهيرة) ، والتي تكون أكثر نشاطًا. ما المشكلة؟


تحويلات النظائر في وقود اليورانيوم في المفاعل.

المشكلة هي نصف العمر. أطول عمر نصف لمنتجات الانشطار هو بالضبط في Cs-137 - وهي ~ 30 عامًا. على مدى 300 عام ، سينخفض ​​نشاطها 1000 مرة ، وأكثر من 900 - مليار. هذا يعني أنه في المستقبل المنظور تاريخيا ، يمكنك التوقف عن القلق بشأن تآكل الوقود المستهلك وحمايته من عشاق الإشعاع السيئين.


تقديرات الطاقة النووية: القدرة بالجيغاواط بيل ، وإنتاج الطاقة التاريخي بالجيغاواط * سنوات ، وكتلة الوقود النووي المستنفد بالطن ، وكتلة البلوتونيوم في هذا الوقود المستهلك بالميغا طن ، والنظائر الأخرى بالكيلوغرام

ولكن بالنسبة للأكتينيدات الصغيرة ، فإن نصف العمر هي آلاف السنين. وهذا يعني أن مدة الصلاحية تمتد من مئات السنين إلى عشرات الآلاف. من الصعب بالفعل تخيل مثل هذا الوقت ، ولكن يمكن تخيل أنه مع العمل المكثف للطاقة النووية بعد عدة آلاف من السنين ، ستضطر منطقة كبيرة إلى حد ما ، وستكون المهنة الأكثر شعبية هي "حارس تخزين الوقود المستهلك".


ويتخلص السويديون بالفعل من الوقود النووي إلى الأبد بموجب مثل هذا المخطط في مستودع فورسمارك.

يتغير الوضع إذا ، بدلاً من دورة مع استخدام واحد للوقود (الموجود الآن) ، تحولنا إلى دورة مغلقة - إنتاج الوقود النووي من U238 أو Th232 وحرقه في مفاعل. من ناحية ، لأسباب واضحة ، ينخفض ​​حجم الوقود المستهلك بشكل حاد ، ولكن من ناحية أخرى ، فإن عدد الأكتينيدات الصغيرة سينمو وينمو. إن مشكلة تدمير (عن طريق التحويل والانقسام) للأكتينيدات الصغيرة في المفاعلات النووية منذ السبعينيات هي واحدة من أهم المشاكل في طريق نشر دورة الوقود النووي.

وهنا Th232 على ظهور الخيل. لن يتم تكوين MA في NFC الخاص به ، مما يعني أنه لا توجد مشاكل في تخزين الوقود النووي المستهلك "إلى الأبد" ولا توجد مشاكل في التعامل مع هذه المواد المعقدة وغير السارة أثناء معالجة الوقود النووي المستنفد لليورانيوم. بهذه الطريقة ، يكتسب الثوريوم ميزة مهمة - يمكن أن يكون أبسط مع وجود شيء فيه.


مفاعل الملح السائل هو الرفيق الأبدي لفكرة طاقة الثوريوم.

وتعوضه على الفور بسماته النووية الفيزيائية غير السارة. يحدث إنتاج الوقود النووي من U238-> Pu239 و Th232-> U233 من خلال توليد النظائر المتوسطة Np239 و Pa233 ، على التوالي. كلاهما "سموم نيوترونية" ، أي أنهما يمتصان النيوترونات بشكل طفيلي ، فقط نصف عمر البروتواكتينيوم أطول بعشر مرات ، أي محتواه الوقود هو 1000 (2 ^ 10) أضعاف. هذا يسبب مشاكل ملحوظة عند محاولة صنع مفاعل سريع "كلاسيكي" على U233 و Th232. تسير فكرة مفاعل الملح السائل ، وهو خزان به ذوبان الملح "النووي" FLiBe = LiF + BeF2 والفلورايد المضافة Th232 و U233 ، جنبًا إلى جنب مع دورة الثوريوم .



FLiBe مع مزيج من الفلورايد U233 في شكل صلب وسائل هو اللون المناسب لمفاعل نووي.

يتم التحكم في هذا المفاعل عن طريق مراقبة تسرب النيوترونات من القلب ، وفي الواقع لا يوجد مشغل داخل الألف إلى الياء ، والأهم من ذلك ، أنه يتم تنظيفه إشعاعيًا كيميائيًا باستمرار من Pa233 ومنتجات التحلل من U233. فكرة JSR هي الكأس المقدسة للهندسة النووية ، ولكن في نفس الوقت كابوس لعلماء المواد - في هذا الذوبان ، يتم تشكيل الجدول الدوري بأكمله حرفياً ، وحتى الآن لم يكن من الممكن إنشاء مادة تحمل مثل هذا الخليط دون تآكل في ظروف درجة حرارة عالية وإشعاع.


مقطع عرضي من AHWR الهندي ، المفاعل الصناعي الوحيد في العالم المخطط للعمل في Th / U233 و Th / Pu239 MOX.

وهكذا ، يمكننا أن نلخص: في حين أن الصناعة النووية ليس لديها احتياجات خاصة ، ولا فرص لبناء طاقة الثوريوم. من الناحية الاقتصادية ، يبدو أن هذا - الثوريوم ليس مثيرًا للاهتمام حتى تتجاوز تكلفة كيلوغرام من اليورانيوم 300 دولار ، على النحو الذي صيغت في استنتاجات تقرير الوكالة الدولية للطاقة الذرية بشأن دورة الثوريوم. حتى الهنود ، في مواجهة الإمداد المحدود لليورانيوم (ونقص موارده داخل البلاد) الذين راهنوا على دورة وقود الثوريوم النووي في الثمانينيات ، يحدون تدريجياً من جهود إطلاقه. حسنًا ، بلدنا لديه إرث مثير للاهتمام فقط من حقبة لم تكن فيها إيجابيات وسلبيات الثوريوم واضحة - مخازن تحتوي على 80 ألف طن من رمال المونازايت (خام الثوريوم) في كراسنوفيمسك ، ولكن لا توجد رواسب كبيرة قابلة للحياة اقتصاديًا من الثوريوم وخطط لتطويرها للطاقة النووية.

Source: https://habr.com/ru/post/ar382991/