Thorium in der Atomkraft: Vor- und Nachteile, Fallstricke

In der Welt der Menschen, die weit von der Atomenergie entfernt sind, gibt es eine fast verschwörerische These, dass THORIUM das böse atomare Pinocchio ist, das sich vor flauschigen Stromverbrauchern versteckt. Billig, sicher und ohne radioaktive Abfälle - es könnte die Kernenergie auf die Höhe der Energie bringen, aber aus irgendeinem Grund nicht.


Laden von Thoriumbrennelementen in den norwegischen Forschungsreaktor Halden.


Die heutige Flotte industrieller Kernreaktoren nutzt den Uranbrennstoff, insbesondere das U235-Isotop, vollständig aus. Dies geschah aus einem einfachen Grund - dies ist das einzige natürliche Isotop, das eine Kettenzerfallsreaktion unterstützen kann. Andere natürliche schwere Elemente, beispielsweise U238 und Th232 (dasselbe Thorium) , unterstützen die Kernkettenreaktion nicht . Es gibt mehrere künstlich hergestellte, die im Reaktor arbeiten können - zum Beispiel das bekannte Pu239 oder U233 -, die durch Transmutation des U238, Th232, erhalten wurden.


Schwerwasserreaktoren sind neben gasgekühltem und flüssigem Salz eine der drei Hauptkonstruktionen, in denen der Thoriumkreislauf verwendet werden kann.

Der erste Moment, in dem wir nicht Hunderte von Thoriumreaktoren sehen, die die Welt fröhlich mit Strom versorgen - Thorium ist kein Kernbrennstoff. Dies ist nur in der Zusammensetzung des geschlossenen Kernbrennstoffkreislaufs (NFCF) sinnvoll, der nirgendwo vollständig umgesetzt wurde. Neben NFCF auf Uran benötigt Thorium schnelle Reaktoren mit einem Reproduktionsverhältnis von mehr als 1, radiochemische Verarbeitungsanlagen und andere NFCF-Chips.
Tatsächlich ist Th232 ein Konkurrent von U238 - einer Substanz, die in Kernbrennstoff umgewandelt werden kann. Generell hat jeder Kandidat für Kernbrennstoffe seine Vor- und Nachteile:

• 1. In der Erdkruste ist Thorium um ein Vielfaches höher als Uran. Das ist plus Thorium.
• 2. , . , .
• 3. , 3,5
• 4. Th232->U233 Pa233, . , .
• 5. U232, -, .

Es ist klar, dass Thorium mit einem solchen Handicap (Punkt 3) und dem Fehlen von NFC zumindest für heute keine großen Chancen auf eine Umsetzung hat. Und der Rest des Thoriums hat keine Nachteile oder Vorteile. Zum Beispiel wird ihm oft zugeschrieben, dass er keine Probleme hat, Atomwaffentechnologien zu verbreiten. Das ist nicht so. Ja, es gibt kein Plutonium, aber es gibt U233, aus dem Atombomben hervorragend gewonnen werden.


Umwandlung von Materialien im Brennstoff eines modernen Reaktors: 3,5% von U235 zerfallen in Spaltprodukte, parallel dazu werden 3% Pu aus U238 erzeugt, von denen 2% ebenfalls zerfallen und Wärme und Neutronen ergeben.

Lassen Sie uns nun näher auf die Punkte 2 und 4 eingehen, weil Sie sind entscheidend für die Zukunft des Thoriums.

Was ist das Problem kleinerer Aktiniden? Wenn ein Kernreaktor mit normalem menschlichem Brennstoff aus 3-5% U235 und 95-97% U238 betrieben wird, erzeugt die Neutronenabsorption eine Vielzahl unangenehmer Substanzen - geringfügige Aktiniden. Dazu gehören Neptunium Np-237, Americiumisotope Am-241, -243, Curium Cm-242, -244, -245. Alle von ihnen sind radioaktiv und ziemlich unangenehm - starke Gammastrahler. Es werden jedoch nur sehr wenige davon in frischem SNF enthalten sein - einige Kilogramm pro Tonne gegenüber zehn Kilogramm Spaltprodukten (wie dem berühmten Cs-137), die noch aktiver sind. Was ist das Problem?


Isotopenumwandlungen in Uranbrennstoff in einem Reaktor.

Das Problem ist die Halbwertszeit. Die längste Halbwertszeit von Spaltprodukten liegt genau in Cs-137 - und sie beträgt ~ 30 Jahre. In 300 Jahren wird seine Aktivität um das 1000-fache und über 900 - eine Milliarde - abnehmen. Dies bedeutet, dass Sie in historisch absehbarer Zukunft aufhören können, sich über Korrosion abgebrannter Brennelemente Gedanken zu machen, und diese vor schlechten Liebhabern von Radioaktivität schützen können.


Schätzungen für die Kernenergie: Kapazität in GW Pel, historische Energieerzeugung in GW * Jahren Qel, Masse abgebrannter Brennelemente in Tonnen, Masse Plutoniums in diesem abgebrannten Brennelement MPu in Tonnen und andere Isotope in Kilogramm

Bei geringfügigen Aktiniden beträgt die Halbwertszeit jedoch Tausende von Jahren. Dies bedeutet, dass die Haltbarkeit von Hunderten von Jahren auf Zehntausende verlängert wird. Eine solche Zeit ist bereits schwer vorstellbar, aber man kann sich vorstellen, dass mit der intensiven Arbeit der Kernenergie einige tausend Jahre später ein ziemlich großes Gebiet erzwungen wird und der beliebteste Beruf die „Wache über die Lagerung abgebrannter Brennelemente“ sein wird.


Und die Schweden entsorgen bereits im Rahmen eines solchen Programms im Forsmark-Endlager für immer Kernbrennstoffe.

Die Situation ändert sich, wenn wir anstelle eines Kreislaufs mit einem einzigen Brennstoffverbrauch (der jetzt existiert) zu einem geschlossenen Kreislauf wechseln - Kernbrennstoff aus U238 oder Th232 erzeugen und in einem Reaktor verbrennen. Einerseits nimmt aus offensichtlichen Gründen das Volumen abgebrannter Brennelemente stark ab, andererseits wird die Anzahl kleinerer Aktiniden immer größer. Das Problem der Zerstörung (durch Transmutation und Spaltung) kleinerer Aktiniden in Kernreaktoren seit den 70er Jahren ist eines der wichtigsten auf dem Weg zum Einsatz des Kernbrennstoffkreislaufs.

Und hier Th232 zu Pferd. MA wird in seinem NFC nicht gebildet, was bedeutet, dass es keine Probleme mit der Lagerung abgebrannter Brennelemente "für immer" und keine Probleme mit dem Umgang mit diesen sehr komplexen und unangenehmen Substanzen während der Verarbeitung abgebrannter Uranbrennstoffe gibt. Auf diese Weise gewinnt Thorium einen wichtigen Vorteil - es kann mit etwas einfacher sein.


Der Flüssigsalzreaktor ist der ewige Begleiter der Idee der Thoriumenergie.

Und kompensiert es sofort mit seinen unangenehmen nuklearphysikalischen Eigenschaften. Die Herstellung von Kernbrennstoff aus U238-> Pu239 und Th232-> U233 erfolgt durch die Erzeugung von Zwischenisotopen Np239 bzw. Pa233. Beide sind "Neutronengifte", dh sie absorbieren Neutronen parasitär, nur die Halbwertszeit von Protoactinium ist zehnmal länger, d.h. sein Kraftstoffgehalt ist 1000 (2 ^ 10) mal höher. Dies führt zu spürbaren Problemen beim Versuch, einen „klassischen“ schnellen Reaktor für U233 und Th232 herzustellen. Die Idee eines flüssigen Salzreaktors , eines Tanks mit einer Schmelze aus dem „ Kernsalz “ FLiBe = LiF + BeF2 und den zugesetzten Fluoriden Th232 und U233, geht Hand in Hand mit dem Thoriumzyklus .



FLiBe mit einer Beimischung von Fluorid U233 in fester und flüssiger Form hat die richtige Farbe für einen Kernreaktor.

Ein solcher Reaktor wird durch Überwachung der Neutronenleckage aus dem Kern gesteuert und hat tatsächlich keine Aktuatoren im AZ. Vor allem wird er ständig radiochemisch von Pa233- und U233-Zerfallsprodukten gereinigt. Die Idee von JSR ist der heilige Gral der Nukleartechnik, aber gleichzeitig ein Albtraum der Materialwissenschaftler - in dieser Schmelze wird buchstäblich das gesamte Periodensystem gebildet, und bisher war es nicht möglich, ein Material zu schaffen, das eine solche Mischung ohne Korrosion unter Bedingungen hoher Temperatur und Strahlung hält.


Ein Querschnitt des indischen AHWR , des weltweit einzigen Industriereaktors, der für Th / U233 und Th / Pu239 MOX vorgesehen ist.

Wir können also zusammenfassen: Während die Nuklearindustrie weder besondere Bedürfnisse noch Möglichkeiten für den Bau von Thoriumenergie hat. Wirtschaftlich sieht es so aus - Thorium ist erst interessant, wenn die Kosten für ein Kilogramm Uran 300 USD übersteigen, wie in den Schlussfolgerungen des IAEO- Berichts über den Thoriumzyklus formuliert . Selbst die Indianer, die in den 80er Jahren eine Wette auf den Thorium-Kernbrennstoffkreislauf abgeschlossen haben, schränken angesichts des begrenzten Uranangebots (und des Mangels an Ressourcen innerhalb des Landes) allmählich die Bemühungen um dessen Einführung ein. Nun, unser Land hat nur ein interessantes Erbe aus einer Zeit, als die Vor- und Nachteile von Thorium nicht klar waren - Lagerhäuser mit 80.000 Tonnen Monazitsand (Thoriumerz) in Krasnoufimsk, aber es gibt keine großen wirtschaftlich tragfähigen Thoriumvorkommen und Pläne für die Entwicklung der Atomkraft.

Source: https://habr.com/ru/post/de382991/