Tório em energia nuclear: prós, contras, armadilhas

No mundo das pessoas distantes da energia nuclear, existe uma ideia teológica quase conspiratória de que THORIUM é que o pinóquio atômico maligno se esconde dos consumidores macios de eletricidade. Barato, seguro e não deixando resíduos radioativos - poderia levar a energia nuclear às alturas do poder, mas por alguma razão não o fez.


Carregando conjuntos de combustível de tório no reator de pesquisa norueguês Halden.


A frota atual de reatores nucleares industriais faz pleno uso de combustível de urânio, especificamente o isótopo U235. Isso aconteceu por uma razão simples - este é o único isótopo natural capaz de suportar uma reação de decaimento em cadeia. Outros elementos pesados ​​naturais, por exemplo, U238 e Th232 (o mesmo tório) não suportam a reação em cadeia nuclear . Existem vários outros produzidos artificialmente que são capazes de trabalhar no reator - por exemplo, o conhecido Pu239 ou U233 - obtido por transmutação do próprio U238, Th232.


Os reatores de água pesada são um dos três principais projetos (juntamente com o resfriado a gás e o sal líquido) nos quais o ciclo do tório pode ser usado.

Assim, o primeiro momento em que não vemos centenas de reatores de tório, alegremente abastecendo o mundo com eletricidade - o tório não é combustível nuclear. Faz sentido apenas na composição do ciclo fechado de combustível nuclear (NFCF), que nunca foi totalmente implementado em lugar algum. Além do NFCF no urânio, o tório precisará de reatores rápidos com um fator de reprodução superior a 1, plantas de processamento radioquímico e outros chips NFCF.
De fato, o Th232 é um concorrente do U238 - uma substância que pode ser convertida em combustível nuclear. De um modo geral, cada um dos candidatos a combustível nuclear tem seus prós e contras:

• 1. Na crosta terrestre, o tório é várias vezes mais que o urânio. Isso é mais tório.
• 2. , . , .
• 3. , 3,5
• 4. Th232->U233 Pa233, . , .
• 5. U232, -, .

É claro que, com essa desvantagem (ponto 3) e a ausência de NFC, o tório não tem muita chance de implementação, pelo menos por hoje. E o restante do tório não possui desvantagens ou vantagens. Ele é frequentemente creditado com, por exemplo, que ele não tem problemas em espalhar tecnologias de armas nucleares. Isso não é verdade. Sim, não há plutônio, mas existe o U233, do qual bombas nucleares são excelentemente obtidas.


Transformação de materiais no combustível de um reator moderno: 3,5% do U235 decai em produtos de fissão, em paralelo 3% Pu é gerado a partir do U238, 2% dos quais também decai, gerando calor e nêutrons.

Agora vamos falar dos pontos 2 e 4 em mais detalhes, porque eles são decisivos para o futuro do tório.

Então, qual é o problema dos actinídeos menores? Quando um reator nuclear é operado com combustível humano comum, entre 3-5% de U235 e 95-97% de U238, a absorção de nêutrons produz uma variedade de substâncias desagradáveis ​​- pequenos actinídeos. Estes incluem neptúnio Np-237, isótopos de amerício Am-241, -243, cúrio Cm-242, -244, -245. Todos eles são emissores radioativos e bastante desagradáveis ​​- poderosos. No entanto, haverá muito poucos deles no SNF fresco - alguns quilogramas por tonelada, contra dezenas de quilogramas de produtos de fissão (como o famoso Cs-137), que são ainda mais ativos. Qual é o problema?


Conversões isotópicas em combustível de urânio em um reator.

O problema é meia-vida. A meia-vida mais longa dos produtos de fissão é precisamente em Cs-137 - e são aproximadamente 30 anos. Ao longo de 300 anos, sua atividade diminuirá em 1000 vezes e mais de 900 - um bilhão. Isso significa que, em um futuro historicamente previsível, você pode parar de se preocupar com a corrosão do combustível usado e protegê-lo dos maus amantes da radioatividade.


Estimativas para energia nuclear: capacidade em GW Pel, produção histórica de energia em GW * anos Qel, massa de combustível nuclear irradiado em toneladas, massa de plutônio neste MPu de combustível irradiado em toneladas e outros isótopos em quilogramas

Mas para actinídeos menores, as meias-vidas são milhares de anos. Isso significa que o prazo de validade é estendido de centenas de anos para dezenas de milhares. Esse tempo já é bastante difícil de imaginar, mas pode-se imaginar que, com o intenso trabalho de energia nuclear vários milhares de anos depois, uma área bastante grande será forçada a entrar e a profissão mais popular será a "guarda do armazenamento de combustível usado".


E os suecos já estão descartando combustível nuclear para sempre sob esse esquema no repositório Forsmark.

A situação muda se, em vez de um ciclo com um único uso de combustível (que existe agora), mudarmos para um ciclo fechado - produzindo combustível nuclear a partir do U238 ou Th232 e queimando-o em um reator. Por um lado, por razões óbvias, o volume de combustível usado diminui acentuadamente, mas, por outro, o número de actinídeos menores cresce e cresce. O problema da destruição (por transmutação e clivagem) de pequenos actinídeos em reatores nucleares desde os anos 70 é um dos mais significativos no caminho para a implantação do ciclo de combustível nuclear.

E aqui Th232 a cavalo. O MA não será formado em sua NFC, o que significa que não há problemas com o armazenamento de combustível nuclear usado “para sempre” e nenhum problema com o manuseio dessas substâncias muito complexas e desagradáveis ​​durante o processamento do combustível nuclear usado em urânio. Dessa forma, o tório ganha uma vantagem importante - pode ser mais simples com algo nele.


O reator de sal líquido é o eterno companheiro da idéia de energia do tório.

E imediatamente compensa isso com suas características físico-nucleares desagradáveis. A produção de combustível nuclear de U238-> Pu239 e Th232-> U233 ocorre através da geração dos isótopos intermediários Np239 e Pa233, respectivamente. Ambos são "venenos de nêutrons", ou seja, absorvem os nêutrons parasiticamente, apenas a meia-vida do protoactínio é 10 vezes maior, ou seja, seu conteúdo de combustível é 1000 (2 ^ 10) vezes maior. Isso causa problemas visíveis ao tentar criar um reator rápido “clássico” no U233 e Th232. A idéia de um reator de sal líquido, um tanque com um derretimento do sal "nuclear" FLiBe = LiF + BeF2 e os fluoretos adicionados Th232 e U233, anda de mãos dadas com o ciclo do tório .



FLiBe com uma mistura de fluoreto U233 na forma sólida e líquida é a cor certa para um reator nuclear.

Esse reator é controlado pelo monitoramento de vazamentos de nêutrons do núcleo e, na verdade, não possui atuadores dentro do AZ; o mais importante é que ele é constantemente limpo radioquimicamente dos produtos de decaimento Pa233 e U233. A idéia do JSR é o santo graal da engenharia nuclear, mas ao mesmo tempo um pesadelo dos cientistas de materiais - nesse derretimento, toda a tabela periódica é literalmente formada literalmente, e até agora não foi possível criar um material que mantenha essa mistura sem corrosão sob condições de alta temperatura e radiação.


Uma seção transversal do indiano AHWR , o único reator industrial do mundo planejado para operar nos Th / U233 e Th / Pu239 MOX.

Assim, podemos resumir: embora a indústria nuclear não tenha necessidades especiais nem oportunidades para a construção de energia do tório. Economicamente, parece que isso - o tório não é interessante até que o custo de um quilograma de urânio ultrapasse US $ 300, conforme formulado nas conclusões do relatório da AIEA sobre o ciclo do tório. Até os índios, diante do suprimento limitado de urânio (e da falta de recursos no país) que apostaram no ciclo do combustível nuclear do tório nos anos 80, estão gradualmente restringindo os esforços para lançá-lo. Bem, nosso país tem apenas um legado interessante de uma época em que os prós e os contras do tório não eram claros - armazéns com 80 mil toneladas de areia monazita (minério de tório) em Krasnoufimsk, mas não existem grandes depósitos de tório economicamente viáveis ​​e planos para seu desenvolvimento de energia nuclear.

Source: https://habr.com/ru/post/pt382991/