Le thorium dans l'énergie nucléaire: avantages, inconvénients, pièges

Dans le monde des gens loin de l'énergie nucléaire, il y a une idée théologique presque complotiste selon laquelle le THORIUM est que le mauvais pinocchio atomique se cache des consommateurs moelleux d'électricité. Bon marché, sûr et ne laissant pas de déchets radioactifs - cela pourrait amener l'énergie nucléaire à la hauteur de la puissance, mais pour une raison quelconque, non.


Chargement d'assemblages de combustible au thorium dans le réacteur de recherche norvégien Halden.


Le parc actuel de réacteurs nucléaires industriels utilise pleinement le combustible d'uranium, en particulier l'isotope U235. Cela s'est produit pour une raison simple - c'est le seul isotope naturel capable de soutenir une réaction de désintégration en chaîne. D'autres éléments lourds naturels, par exemple U238 et Th232 (le même thorium) ne supportent pas la réaction nucléaire en chaîne . Il existe plusieurs autres produits artificiellement capables de travailler dans le réacteur - par exemple, le célèbre Pu239 ou U233 - obtenus par transmutation du même U238, Th232.


Les réacteurs à eau lourde sont l'une des trois conceptions principales (avec refroidissement au gaz et liquide-sel) dans lesquelles le cycle du thorium peut être utilisé.

Ainsi, le premier moment pour lequel nous ne voyons pas des centaines de réacteurs au thorium, alimentant joyeusement le monde en électricité - le thorium n'est pas du combustible nucléaire. Cela n'a de sens que dans la composition du cycle fermé du combustible nucléaire (NFCF), qui n'a jamais été pleinement mis en œuvre nulle part. En plus du NFCF sur l'uranium, le thorium aura besoin de réacteurs rapides avec un facteur de reproduction de plus de 1, d'usines de traitement radiochimique et d'autres puces NFCF.
En fait, le Th232 est un concurrent de l'U238 - une substance qui peut être convertie en combustible nucléaire. De manière générale, chacun des candidats au combustible nucléaire a ses avantages et ses inconvénients:

• 1. Dans la croûte terrestre, le thorium est plusieurs fois plus que l'uranium. C'est plus du thorium.
• 2. , . , .
• 3. , 3,5
• 4. Th232->U233 Pa233, . , .
• 5. U232, -, .

Il est clair qu'avec un tel handicap (point 3) et l'absence de NFC, le thorium n'a pas beaucoup de chance de mise en œuvre, du moins pour aujourd'hui. Et le reste du thorium n'a aucun inconvénient ni avantage. On lui attribue souvent, par exemple, qu'il n'a aucun problème à diffuser les technologies d'armes nucléaires. Ce n'est pas vrai. Oui, il n'y a pas de plutonium, mais il y a du U233, à partir duquel les bombes nucléaires sont excellemment obtenues.


Transformation des matériaux dans le combustible d'un réacteur moderne: 3,5% du U235 se désintègre en produits de fission, en parallèle 3% Pu est généré à partir du U238, dont 2% se désintègre également, produisant de la chaleur et des neutrons.

Parlons maintenant des points 2 et 4 plus en détail, car ils sont décisifs pour l'avenir du thorium.

Quel est donc le problème des actinides mineurs? Lorsqu'un réacteur nucléaire fonctionne avec du combustible humain ordinaire contenant de 3 à 5% d'U235 et 95 à 97% d'U238, l'absorption des neutrons produit une variété de substances désagréables - des actinides mineurs. Il s'agit notamment du neptunium Np-237, des isotopes d'américium Am-241, -243, du curium Cm-242, -244, -245. Tous sont radioactifs et assez désagréablement - des émetteurs gamma puissants. Cependant, il y en aura très peu dans le SNF frais - quelques kilogrammes par tonne, contre des dizaines de kilogrammes de produits de fission (comme le fameux Cs-137), qui sont encore plus actifs. Quel est le problème?


Conversions d'isotopes dans le combustible d'uranium dans un réacteur.

Le problème est la demi-vie. La demi-vie la plus longue des produits de fission se situe précisément dans le Cs-137 - et elle est d'environ 30 ans. Sur 300 ans, son activité diminuera de 1000 fois, et plus de 900 - un milliard. Cela signifie que dans un avenir historiquement prévisible, vous pouvez cesser de vous inquiéter de la corrosion du combustible irradié et le protéger des mauvais amateurs de radioactivité.


Estimations pour l'énergie nucléaire: capacité en GW Pel, production d'énergie historique en GW * années Qel, masse de combustible nucléaire usé en tonnes, masse de plutonium dans ce combustible usé MPu en tonnes et autres isotopes en kilogrammes

Mais pour les actinides mineurs, les demi-vies sont des milliers d'années. Cela signifie que la durée de conservation est étendue de centaines d'années à des dizaines de milliers. Un tel moment est déjà assez difficile à imaginer, mais on peut imaginer qu'avec le travail intensif de l'énergie nucléaire plusieurs milliers d'années plus tard, une zone assez grande sera forcée, et la profession la plus populaire sera la «garde du stockage du combustible usé».


Et les Suédois éliminent déjà à jamais le combustible nucléaire dans le cadre d'un tel programme dans le dépôt Forsmark.

La situation change si, au lieu d'un cycle à usage unique de combustible (qui existe actuellement), nous passons à un cycle fermé - produisant du combustible nucléaire à partir d'U238 ou de Th232 et le brûlant dans un réacteur. D'une part, pour des raisons évidentes, le volume de combustible usé diminue fortement, mais d'autre part, le nombre d'actinides mineurs va croître et croître. Le problème de la destruction (par transmutation et clivage) des actinides mineurs dans les réacteurs nucléaires des années 70 est l'un des plus importants sur la voie du déploiement du cycle du combustible nucléaire.

Et ici Th232 à cheval. L'AM ne sera pas formé dans son NFC, ce qui signifie qu'il n'y a aucun problème avec le stockage du combustible nucléaire irradié «pour toujours» et aucun problème avec la manipulation de ces substances très complexes et désagréables lors du traitement du combustible nucléaire irradié. Ainsi, le thorium gagne un avantage important - il peut être plus simple sur quelque chose avec NFC.


Le réacteur à sel liquide est l'éternel compagnon de l'idée de l'énergie du thorium.

Et le compense immédiatement avec ses caractéristiques nucléaires-physiques désagréables. La production de combustible nucléaire à partir d'U238-> Pu239 et Th232-> U233 se produit par la génération d'isotopes intermédiaires Np239 et Pa233, respectivement. Les deux sont des «poisons neutroniques», c'est-à-dire qu'ils absorbent les neutrons de façon parasite, seule la demi-vie du protoactinium est 10 fois plus longue, c'est-à-dire sa teneur en carburant est 1000 (2 ^ 10) fois supérieure. Cela provoque des problèmes notables lors de la tentative de fabrication d'un réacteur rapide «classique» sur U233 et Th232. L'idée d'un réacteur à sel liquide, une cuve avec une fusion du sel «nucléaire» FLiBe = LiF + BeF2 et des fluorures ajoutés Th232 et U233, va de pair avec le cycle du thorium .



FLiBe avec un mélange de fluorure U233 sous forme solide et liquide est la bonne couleur pour un réacteur nucléaire.

Un tel réacteur est contrôlé en surveillant les fuites de neutrons du cœur, et n'a en fait aucun actionneur à l'intérieur de l'AZ, et surtout, il est constamment nettoyé radiochimiquement du Pa233 et des produits de désintégration de l'U233. L'idée de JSR est le Saint Graal du génie nucléaire, mais en même temps un cauchemar de scientifiques des matériaux - dans cette fusion, tout le tableau périodique est littéralement littéralement formé, et jusqu'à présent, il n'a pas été possible de créer un matériau qui contiendra un tel mélange sans corrosion dans des conditions de température élevée et de rayonnement.


Une coupe transversale de l' AHWR indien , le seul réacteur industriel au monde prévu pour fonctionner à Th / U233 et Th / Pu239 MOX.

Ainsi, nous pouvons résumer: alors que l'industrie nucléaire n'a ni besoins particuliers, ni opportunités pour la construction de l'énergie du thorium. Sur le plan économique, cela ressemble à cela - le thorium n'est pas intéressant jusqu'à ce que le coût d'un kilogramme d'uranium dépasse 300 $, comme formulé dans les conclusions du rapport de l' AIEA sur le cycle du thorium. Même les Indiens, dans des conditions de limitation de l'approvisionnement en uranium (et du manque de ressources à l'intérieur du pays) qui ont misé sur le cycle du combustible nucléaire au thorium dans les années 80, abandonnent progressivement les efforts pour le lancer. Eh bien, notre pays n'a qu'un héritage intéressant d'une époque où les avantages et les inconvénients du thorium n'étaient pas clairs - des entrepôts avec 80000 tonnes de sable de monazite (minerai de thorium) à Krasnoufimsk, mais il n'y a pas de grands gisements de thorium économiquement viables et des plans pour son développement pour l'énergie nucléaire.

Source: https://habr.com/ru/post/fr382991/