Thorium dalam tenaga nuklir: pro, kontra, jebakan

Di dunia orang-orang yang jauh dari energi atom, ada tesis konspirasi bahwa THORIUM adalah atom jahat Pinocchio bersembunyi dari konsumen listrik yang lemah. Murah, aman dan tidak meninggalkan limbah radioaktif - itu bisa membawa energi nuklir ke ketinggian kekuasaan, tetapi untuk beberapa alasan tidak.


Memuat majelis bahan bakar thorium ke dalam reaktor riset Norwegia Halden.


Armada reaktor nuklir industri saat ini memanfaatkan penuh bahan bakar uranium, khususnya isotop U235. Ini terjadi karena alasan sederhana - ini adalah satu-satunya isotop alami yang mampu mendukung reaksi peluruhan rantai. Unsur-unsur berat alami lainnya, misalnya U238 dan Th232 (thorium yang sama) tidak mendukung reaksi berantai nuklir . Ada beberapa yang diproduksi secara artifisial yang dapat bekerja di reaktor - misalnya, Pu239 atau U233 yang terkenal - yang diperoleh dengan transmutasi dari U238, Th232.


Reaktor air berat adalah salah satu dari tiga desain utama (bersama dengan gas-cooled dan liquid-salt) di mana siklus thorium dapat digunakan.

Jadi, momen pertama mengapa kita tidak melihat ratusan reaktor thorium, dengan riang memasok listrik ke dunia - thorium bukanlah bahan bakar nuklir. Masuk akal hanya dalam komposisi siklus bahan bakar nuklir tertutup (NFCF), yang belum pernah sepenuhnya dilaksanakan di mana pun. Seperti halnya NFCF pada uranium, thorium akan membutuhkan reaktor cepat dengan rasio reproduksi lebih dari 1, pabrik pemrosesan radiochemical dan chip NFCF lainnya.
Bahkan, Th232 adalah pesaing U238 - zat yang dapat dikonversi menjadi bahan bakar nuklir. Secara umum, setiap kandidat untuk bahan bakar nuklir memiliki pro dan kontra:

• 1. Di kerak bumi, thorium beberapa kali lebih banyak dari uranium. Ini ditambah thorium.
• 2. , . , .
• 3. , 3,5
• 4. Th232->U233 Pa233, . , .
• 5. U232, -, .

Jelas bahwa dengan cacat (poin 3) dan tidak adanya NFC, thorium tidak memiliki banyak peluang implementasi, setidaknya untuk hari ini. Dan sisa thorium tidak memiliki kekurangan atau kelebihan. Dia sering dipuji karena, misalnya, bahwa dia tidak memiliki masalah dalam menyebarkan teknologi senjata nuklir. Ini tidak benar. Ya, tidak ada plutonium, tetapi ada U233, dari mana bom nuklir diperoleh dengan sangat baik.


Transformasi bahan dalam bahan bakar reaktor modern: 3,5% peluruhan U235 menjadi produk fisi, secara paralel 3% Pu dihasilkan dari U238, 2% darinya juga meluruh, menghasilkan panas dan neutron.

Sekarang mari kita bicara tentang poin 2 dan 4 secara lebih rinci, karena mereka menentukan masa depan thorium.

Jadi apa masalah aktinida minor? Ketika reaktor nuklir dioperasikan pada bahan bakar manusia biasa dari 3-5% U235 dan 95-97% U238, penyerapan neutron menghasilkan berbagai zat yang tidak menyenangkan - aktinida minor. Ini termasuk neptunium Np-237, americium isotop Am-241, -243, curium Cm-242, -244, -245. Semuanya adalah radioaktif, dan sangat tidak menyenangkan - emitor gamma yang kuat. Namun, akan ada sangat sedikit dari mereka dalam SNF segar - beberapa kilogram per ton, terhadap puluhan kilogram produk fisi (seperti Cs-137 yang terkenal), yang bahkan lebih aktif. Apa masalahnya?


Konversi isotop dalam bahan bakar uranium dalam reaktor.

Masalahnya adalah paruh. Waktu paruh terpanjang dari produk fisi adalah tepatnya di Cs-137 - dan itu adalah ~ 30 tahun. Lebih dari 300 tahun, aktivitasnya akan berkurang 1000 kali, dan lebih dari 900 - satu miliar. Ini berarti bahwa untuk masa mendatang yang dapat diperkirakan secara historis, Anda dapat berhenti mengkhawatirkan korosi bahan bakar bekas dan melindunginya dari pencinta radioaktivitas yang buruk.


Perkiraan untuk tenaga nuklir: kapasitas dalam GW Pel, produksi energi historis dalam GW * tahun Qel, massa bahan bakar nuklir bekas dalam ton, massa plutonium dalam bahan bakar bekas MPu dalam ton, dan isotop lain dalam kilogram

Tetapi untuk aktinida minor, paruh adalah ribuan tahun. Ini berarti umur simpan diperpanjang dari ratusan tahun menjadi puluhan ribu. Waktu seperti itu sudah cukup sulit untuk dibayangkan, tetapi dapat dibayangkan bahwa dengan kerja intensif energi nuklir beberapa ribu tahun kemudian, area yang agak besar akan dipaksa masuk, dan profesi paling populer adalah "penjaga penyimpanan bahan bakar bekas".


Dan Swedia sudah membuang bahan bakar nuklir selamanya di bawah skema seperti itu di repositori Forsmark.

Situasi berubah jika, alih-alih siklus dengan penggunaan bahan bakar tunggal (yang ada sekarang), kami beralih ke siklus tertutup - memproduksi bahan bakar nuklir dari U238 atau Th232 dan membakarnya dalam reaktor. Di satu sisi, untuk alasan yang jelas, volume bahan bakar bekas berkurang tajam, tetapi di sisi lain, jumlah aktinida minor akan tumbuh dan tumbuh. Masalah penghancuran (dengan transmutasi dan pembelahan) aktinida minor dalam reaktor nuklir sejak 70-an adalah salah satu yang paling signifikan dalam perjalanan ke penyebaran siklus bahan bakar nuklir.

Dan di sini Th232 menunggang kuda. MA tidak akan terbentuk dalam NFC-nya, yang berarti bahwa tidak ada masalah dengan penyimpanan bahan bakar nuklir bekas "selamanya" dan tidak ada masalah dengan penanganan zat yang sangat kompleks dan tidak menyenangkan ini selama pemrosesan bahan bakar nuklir bekas uranium. Dengan cara ini, thorium mendapatkan keuntungan penting - ia bisa lebih sederhana dengan sesuatu di dalamnya.


Reaktor garam cair adalah teman abadi dari gagasan energi thorium.

Dan segera menggantinya dengan fitur nuklir-fisik yang tidak menyenangkan. Produksi bahan bakar nuklir dari U238-> Pu239 dan Th232-> U233 masing-masing terjadi melalui generasi isotop menengah Np239 dan Pa233. Keduanya adalah "racun neutron", yaitu, mereka menyerap neutron secara parasit, hanya waktu paruh Protoactinium yang 10 kali lebih lama, mis. konten bahan bakarnya 1000 (2 ^ 10) kali lebih besar. Ini menyebabkan masalah yang nyata ketika mencoba membuat reaktor cepat "klasik" pada U233 dan Th232. Gagasan tentang reaktor garam cair, tangki dengan lelehan garam "nuklir" FLiBe = LiF + BeF2 dan fluorida yang ditambahkan Th232 dan U233, berjalan seiring dengan siklus thorium .



FLiBe dengan campuran fluorida U233 dalam bentuk padat dan cair adalah warna yang tepat untuk reaktor nuklir.

Reaktor semacam itu dikendalikan dengan memantau kebocoran neutron dari inti, dan pada kenyataannya tidak memiliki aktuator di dalam AZ, dan yang paling penting, itu secara kontinyu dibersihkan dari Pa233 secara radioaktif dan produk peluruhan U233. Gagasan JSR adalah cawan suci teknik nuklir, tetapi pada saat yang sama mimpi buruk para ilmuwan material - dalam lelehan ini seluruh tabel periodik secara harfiah dibentuk, dan sejauh ini tidak mungkin untuk membuat bahan yang akan menahan campuran seperti itu tanpa korosi pada kondisi suhu tinggi dan radiasi.


Potongan melintang AHWR India , satu-satunya reaktor industri di dunia yang direncanakan beroperasi di Th / U233 dan Th / Pu239 MOX.

Dengan demikian, kita dapat meringkas: sementara industri nuklir tidak memiliki kebutuhan khusus, atau peluang untuk pembangunan energi thorium. Secara ekonomi, kelihatannya seperti ini - thorium tidak menarik sampai biaya satu kilogram uranium melebihi $ 300, sebagaimana dirumuskan dalam kesimpulan dari laporan IAEA tentang siklus thorium. Bahkan orang India, dalam menghadapi terbatasnya pasokan uranium (dan kurangnya sumber dayanya di dalam negeri) yang bertaruh pada siklus bahan bakar nuklir thorium di tahun 80-an, secara bertahap membatasi upaya untuk meluncurkannya. Nah, negara kita hanya memiliki warisan yang menarik dari era ketika pro dan kontra thorium tidak jelas - gudang dengan 80 ribu ton pasir monasit (bijih thorium) di Krasnoufimsk, tetapi tidak ada deposit thorium yang layak secara ekonomi dan rencana pengembangannya untuk tenaga nuklir.

Source: https://habr.com/ru/post/id382991/