ทอเรียม: มันจะช่วยโลกจากวิกฤตพลังงานหรือไม่?

ในปี 1815 Jens Jakob Berzelius นักเคมีชาวสวีเดนผู้โด่งดังได้ประกาศการค้นพบธาตุใหม่ซึ่งเขาเรียกทอเรียมเพื่อเป็นเกียรติแก่ Thor, พระเจ้าฟ้าแลบและลูกชายของพระเจ้า Odin สแกนดิเนเวีย อย่างไรก็ตามในปี 1825 มีการค้นพบว่าการค้นพบนั้นเป็นความผิดพลาด อย่างไรก็ตามชื่อมีประโยชน์ - Berzelius มอบให้กับองค์ประกอบใหม่ซึ่งเขาค้นพบในปี 1828 ในหนึ่งในแร่ธาตุนอร์เวย์ (ตอนนี้แร่นี้เรียกว่าโทเรต์) องค์ประกอบนี้อาจมีอนาคตที่ดีที่สามารถมีบทบาทในพลังงานนิวเคลียร์ที่ไม่ด้อยกว่าในความสำคัญต่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์หลัก - ยูเรเนียม

ข้อดีและข้อเสีย
+ทอเรียมบนโลกมีขนาดใหญ่กว่ายูเรเนียมหลายเท่า
+ไม่จำเป็นต้องแยกไอโซโทป
+การปนเปื้อนกัมมันตภาพรังสีในระหว่างการสกัดทอเรียมนั้นมีค่าน้อยกว่าอย่างมาก (เนื่องจากเรดอนมีอายุสั้นลง)
+คุณสามารถใช้เครื่องปฏิกรณ์ความร้อนที่มีอยู่
+ทอเรียมมีคุณสมบัติทางกลความร้อนได้ดีกว่ายูเรเนียม
+ทอเรียมมีพิษน้อยกว่ายูเรเนียม
+ไมเนอร์แอคติไนด์ (ไอโซโทปกัมมันตรังสีอายุยืน) จะไม่เกิดขึ้นเมื่อใช้ทอเรียม
-ในระหว่างการฉายรังสีทอเรียมทอเรียมจะมีไอโซโทปรังสีแกมมาเกิดขึ้นซึ่งทำให้เกิดความยากลำบากในการแปรรูปเชื้อเพลิง

ญาติห่าง ๆ จากการทิ้งระเบิด

พลังงานนิวเคลียร์ซึ่งมีความหวังมากมายในขณะนี้คือสาขาด้านการทหารซึ่งมีเป้าหมายหลักคือการสร้างอาวุธปรมาณู (และต่อมาอีกไม่นานเครื่องปฏิกรณ์ใต้น้ำ) ตัวเลือกที่เป็นไปได้สามทางสามารถเลือกใช้เป็นวัสดุนิวเคลียร์สำหรับสร้างระเบิด: ยูเรเนียม -235, พลูโทเนียม -239 หรือยูเรเนียม -233

นี่คือลักษณะที่วัฏจักรนิวเคลียร์ทอเรียมมีหน้าตาซึ่งแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนทอเรียมไปเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพสูง - ยูเรเนียม - 233

ยูเรเนียม - 235 บรรจุอยู่ในยูเรเนียมธรรมชาติในปริมาณที่น้อยมาก - เพียง 0.7% (99.3% ที่เหลือคือไอโซโทป 238) และมันต้องถูกแยกออกและนี่เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและมีราคาแพง พลูโทเนียม -239 ไม่มีอยู่ในธรรมชาติมันจะต้องผลิตโดยการฉายรังสียูเรเนียม -238 กับนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์แล้วแยกมันออกมาจากการฉายรังสียูเรเนียม ในทำนองเดียวกัน uranium-233 สามารถผลิตได้โดยการฉายรังสีด้วยนิวตรอนทอเรียม -232

ระบบนิเวศในอุดมคติในปี 1960 มีการวางแผนที่จะปิดวงจรนิวเคลียร์ยูเรเนียมและพลูโทเนียมโดยใช้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ประมาณ 50% ในเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนและ 50% สำหรับเครื่องปฏิกรณ์เร็ว แต่การพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์เร็วทำให้เกิดปัญหาดังนั้นปัจจุบันมีเครื่องปฏิกรณ์เพียงเครื่องเดียวคือ BN-600 ที่ Beloyarsk NPP (และสร้าง BN-800 อีกเครื่อง) ดังนั้นระบบที่สมดุลสามารถสร้างขึ้นจากเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนทอเรียมและเครื่องปฏิกรณ์เร็วประมาณ 10% ที่จะชดเชยเชื้อเพลิงที่ขาดหายไปสำหรับเครื่องทำความร้อน

วิธีการสองวิธีแรกถูกนำไปใช้ในปี 1940 แต่นักฟิสิกส์ตัดสินใจที่จะไม่ยุ่งกับวิธีที่สาม ความจริงก็คือในกระบวนการของการฉายรังสีของทอเรียม -232 นอกเหนือไปจากยูเรเนียม -233 ที่มีประโยชน์แล้วสิ่งเจือปนที่เป็นอันตรายก็เกิดขึ้นเช่นกัน - ยูเรเนียม -232 ที่มีอายุครึ่งชีวิต 74 ปีโซ่การสลายตัวซึ่งนำไปสู่ลักษณะของแทลเลียม-208 ไอโซโทปนี้ปล่อยรังสีแกมม่าพลังงานสูง (ยาก) ซึ่งต้องใช้แผ่นตะกั่วหนาเพื่อป้องกัน นอกจากนี้รังสีแกมมาอย่างหนักยังทำลายวงจรอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งไม่สามารถทำได้ในการออกแบบอาวุธ

ทอเรียมวัฏจักร

อย่างไรก็ตามทอเรียมยังไม่ถูกลืม ย้อนกลับไปในปี 1940 Enrico Fermi เสนอการผลิตพลูโทเนียมในเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็ว (ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าความร้อน) ซึ่งนำไปสู่การสร้างเครื่องปฏิกรณ์ EBR-1 และ EBR-2 ในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ยูเรเนียม -235 หรือพลูโทเนียม -239 เป็นแหล่งกำเนิดของนิวตรอนที่เปลี่ยนยูเรเนียม -238 เป็นพลูโทเนียม -239 ในกรณีนี้พลูโทเนียมสามารถเกิดขึ้นได้มากกว่า“ เผาไหม้” (1.3–1.4 เท่า) ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวจึงเรียกว่า“ ทวีคูณ”

กลุ่มวิทยาศาสตร์อีกกลุ่มหนึ่งนำโดย Eugene Wigner เสนอการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์พ่อพันธุ์แม่พันธุ์ แต่ไม่เร็ว แต่นิวตรอนความร้อนโดยมีทอเรียม -232 เป็นวัสดุฉายรังสี อัตราการทำสำเนาลดลง แต่การออกแบบนั้นปลอดภัยกว่า อย่างไรก็ตามมีปัญหาหนึ่งข้อ วัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียมมีลักษณะเช่นนี้ การดูดซับนิวตรอนทอเรียม -233 ผ่านเข้าไปในทอเรียม -233 ซึ่งเปลี่ยนเป็นโปรโตติเนียม -233 อย่างรวดเร็วและมันสลายตัวไปเป็นยูเรเนียม -233 โดยธรรมชาติแล้วครึ่งชีวิต 27 วัน และในช่วงเดือนนี้ protactinium จะดูดซับนิวตรอนรบกวนกระบวนการผลิต เพื่อแก้ปัญหานี้จะเป็นการดีที่จะลบ protactinium ออกจากเครื่องปฏิกรณ์ แต่จะทำอย่างไร? อันที่จริงการโหลดและการขนถ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่องจะช่วยลดเวลาการทำงานให้เป็นศูนย์เกือบ Wigner เสนอวิธีแก้ปัญหาที่เฉียบแหลม - เครื่องปฏิกรณ์ที่มีเชื้อเพลิงเหลวในรูปของสารละลายยูเรเนียมเกลือ ในปี 1952 ต้นแบบของเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวคือการทดลองเครื่องปฏิกรณ์ที่เป็นเนื้อเดียวกัน (HRE-1) ถูกสร้างขึ้นที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ภายใต้การดูแลของ Alvin Weinberg นักเรียนของ Wigner และในไม่ช้าแนวคิดที่น่าสนใจยิ่งขึ้นก็เหมาะสำหรับการทำงานกับทอเรียม: มันเป็นเครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมเหลว, การทดลองเครื่องปฏิกรณ์ Molten-Salt เชื้อเพลิงในรูปของยูเรเนียมฟลูออไรด์ถูกละลายในลิเทียมหลอมเหลวเบริลเลียมและเซอร์โคเนียมฟลูออไรด์ MSRE ทำงานได้ตั้งแต่ปี 2508 ถึง 2512 และแม้ว่าจะไม่ได้ใช้ทอเรียม แต่แนวคิดนี้กลับใช้งานได้: การใช้เชื้อเพลิงเหลวเพิ่มเวลาในการทำงานและช่วยให้สามารถกำจัดผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวออกจากแกนกลางได้

เครื่องปฏิกรณ์เกลือเหลวช่วยให้คุณสามารถควบคุมวัฏจักรเชื้อเพลิงได้ยืดหยุ่นกว่าสถานีความร้อนทั่วไปและใช้เชื้อเพลิงอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดขจัดผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวที่เป็นอันตรายออกจากแกนกลางและเพิ่มเชื้อเพลิงใหม่ตามต้องการ

เส้นทางของความต้านทานน้อยที่สุด

อย่างไรก็ตามเครื่องปฏิกรณ์เกลือเหลว (LSR) ไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนยูเรเนียมทั่วไปมีราคาถูกกว่า พลังงานนิวเคลียร์ของโลกเป็นวิธีที่ง่ายและถูกที่สุดโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ (VVER) ซึ่งได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นทายาทของผู้ที่ออกแบบมาสำหรับเรือดำน้ำเช่นเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ เครื่องปฏิกรณ์กราไฟท์ที่มีการตรวจสอบเช่น RBMKs เป็นอีกสายพันธุ์หนึ่งของแผนภูมิตระกูล - มาจากเครื่องปฏิกรณ์สำหรับผลิตพลูโทเนียม “ เชื้อเพลิงหลักสำหรับเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้คือยูเรเนียม - 235 แต่ปริมาณสำรองยังค่อนข้าง จำกัด แต่ก็มีข้อ จำกัด ” Stanislav Subbotin หัวหน้าแผนกวิจัยเชิงกลยุทธ์ระบบของ Kurchatov Institute Research Center ถึงกลไกยอดนิยมกล่าว - ปัญหานี้เริ่มได้รับการพิจารณาย้อนกลับไปในทศวรรษที่ 1960 จากนั้นวิธีแก้ปัญหาที่วางแผนไว้สำหรับปัญหานี้คือการนำยูเรเนียม -238 มาใช้ในวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ซึ่งมีปริมาณสำรองมากกว่า 200 เท่า ด้วยเหตุนี้จึงมีการวางแผนที่จะสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วจำนวนมากที่จะผลิตพลูโทเนียมด้วยค่าสัมประสิทธิ์การสืบพันธุ์ที่ 1.3–1.4 เพื่อให้ส่วนเกินสามารถใช้กับเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนได้ เครื่องปฏิกรณ์เร็วแบบ BN-600 เปิดตัวที่ Beloyarsk NPP - แม้ว่าจะไม่ได้อยู่ในโหมดพ่อแม่พันธุ์ เมื่อเร็ว ๆ นี้ BN-800 อีกเครื่องก็ถูกสร้างขึ้นที่นั่นเช่นกัน แต่เพื่อสร้างระบบนิเวศที่มีประสิทธิภาพของพลังงานนิวเคลียร์เครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวต้องการประมาณ 50%”

ไอโซโทปกัมมันตรังสีทั้งหมดที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในธรรมชาติเป็นของหนึ่งในสามตระกูล (อนุกรมกัมมันตรังสี) แต่ละแถวดังกล่าวเป็นสายโซ่ของนิวเคลียสที่เชื่อมโยงกันด้วยการสลายกัมมันตรังสีตามลำดับ บรรพบุรุษของซีรีย์กัมมันตภาพรังสีเป็นไอโซโทปอายุยืนของยูเรเนียม -238 (ครึ่งชีวิต 4.47 พันล้านปี) ยูเรเนียม -235 (704 ล้านปี) และทอเรียม -232 (14.1 พันล้านปี) โซ่จบลงด้วยไอโซโทปตะกั่วที่เสถียร มีอีกซีรีส์ที่เริ่มต้นด้วย Neptunium-237 แต่ครึ่งชีวิตนั้นสั้นเกินไป - เพียง 2.14 ล้านปีเท่านั้นดังนั้นมันจึงไม่ได้เกิดขึ้นตามธรรมชาติ

ทอเรียมอันยิ่งใหญ่

นี่คือที่ที่ทอเรียมเข้ามาในที่เกิดเหตุ “ ทอเรียมมักถูกเรียกว่าเป็นทางเลือกแทนยูเรเนียม -235 แต่มันผิดอย่างสิ้นเชิง” Stanislav Subbotin กล่าว - ทอเรียมเองนั้นก็เหมือนยูเรเนียม -238 ไม่ใช่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์เลย อย่างไรก็ตามการวางไว้ในสนามนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์น้ำ - น้ำทั่วไปคุณสามารถได้รับเชื้อเพลิงที่ดีเยี่ยม - ยูเรเนียม - 233 ซึ่งใช้สำหรับเครื่องปฏิกรณ์เดียวกัน นั่นคือไม่มีการเปลี่ยนแปลงไม่จำเป็นต้องทำการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญในปัจจุบัน ข้อดีอีกอย่างของทอเรียมคือความอุดมสมบูรณ์ของธรรมชาติ: ปริมาณสำรองของยูเรเนียมอย่างน้อยสามเท่า นอกจากนี้ไม่จำเป็นต้องแยกไอโซโทปออกเนื่องจากในกรณีของการขุดที่เกี่ยวข้องมีเพียงทอเรียม -232 เท่านั้นที่ถูกพบพร้อมกับธาตุที่หายาก อีกครั้งเมื่อขุดยูเรเนียมพื้นที่โดยรอบจะปนเปื้อนด้วยเรดอน -222 (ครึ่งชีวิต 3.8 วัน) ที่ค่อนข้างยาว (ในชุดของทอเรียม, เรดอน -220 มีอายุสั้น 55 วินาทีและไม่มีเวลาแพร่กระจาย) นอกจากนี้ทอเรียมยังมีคุณสมบัติทางกลความร้อนที่ดีเยี่ยมซึ่งเป็นวัสดุทนไฟมีแนวโน้มที่จะแตกและปล่อยก๊าซกัมมันตรังสีน้อยลงเมื่อเปลือกของแท่งเชื้อเพลิงชำรุดเสียหาย การผลิตยูเรเนียม -233 จากทอเรียมในเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนนั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าพลูโทเนียมจากยูเรเนียม -235 ประมาณ 3 เท่าดังนั้นการมีเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวอย่างน้อยครึ่งหนึ่งในระบบนิเวศพลังงานนิวเคลียร์จะทำให้สามารถปิดวงจรของยูเรเนียมและพลูโทเนียมได้ จริง ๆ แล้วยังต้องการเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การทำซ้ำของเครื่องปฏิกรณ์ทอเรียมไม่เกินความเป็นเอกภาพ”

แหล่งพลังงานนิวเคลียร์สามแหล่งการผลิต 1 GW ต่อปีต้องการ: ยูเรเนียมธรรมชาติ 250 ตัน (ประกอบด้วย 1.75 ตันของยูเรเนียม - 235), 215 ตันของยูเรเนียมหมด (รวมถึงยูเรเนียม -235 0.6 ตัน); ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ 35 ตัน (ซึ่งมียูเรเนียม -1 235 ตัน) บรรจุอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์; เชื้อเพลิงที่ใช้แล้วมียูเรเนียม - 238 33.4 ตันยูเรเนียม -235 0.3 ตันพลูโทเนียม -239 0.3 ตันผลิตภัณฑ์สลายตัว 1 ตัน เมื่อโหลดลงในเครื่องปฏิกรณ์เกลือเหลวทอเรียม -232 1 ตันจะถูกเปลี่ยนเป็นยูเรเนียม -233 1 ตันอย่างสมบูรณ์ ผลิตภัณฑ์สลายตัว 1 ตันซึ่ง 83% เป็นไอโซโทปที่มีอายุสั้น (สลายตัวไปเป็นเสถียรในเวลาประมาณสิบปี)

อย่างไรก็ตามทอเรียมก็มีค่าลบที่ค่อนข้างรุนแรงเช่นกัน ภายใต้การฉายรังสีนิวตรอนทอเรียมยูเรเนียม -233 กลายเป็นสิ่งเจือปนด้วยยูเรเนียม -232 ซึ่งพบโซ่สลายที่นำไปสู่ไอโซโทปรังสีแกมมาที่แข็งตัว thallium-208 “ สิ่งนี้ทำให้การประมวลผลเชื้อเพลิงทำได้ยาก” Stanislav Subbotin อธิบาย - แต่ในทางกลับกันมันอำนวยความสะดวกในการตรวจจับของวัสดุดังกล่าวลดความเสี่ยงของการโจรกรรม นอกจากนี้ในวัฏจักรนิวเคลียร์แบบปิดและการประมวลผลเชื้อเพลิงอัตโนมัติสิ่งนี้ไม่ได้มีความสำคัญเป็นพิเศษ”

จุดระเบิดนิวเคลียร์ความร้อน

การทดลองเกี่ยวกับการใช้องค์ประกอบเชื้อเพลิงทอเรียมในเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนดำเนินการในรัสเซียและประเทศอื่น ๆ - นอร์เวย์, จีน, อินเดียและสหรัฐอเมริกา “ ตอนนี้เป็นเวลาที่จะกลับไปสู่แนวคิดของเครื่องปฏิกรณ์เกลือเหลว” Stanislav Subbotin กล่าว - เคมีของฟลูออไรด์และฟลูออไรด์ละลายได้รับการศึกษาดีเนื่องจากการผลิตอลูมิเนียม สำหรับทอเรียมนั้นเครื่องปฏิกรณ์เกลือที่หลอมเหลวนั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องปฏิกรณ์น้ำแบบแรงดันทั่วไปเพราะพวกมันให้ความสามารถในการโหลดและกำจัดผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวได้จากแกนเครื่องปฏิกรณ์ ยิ่งไปกว่านั้นพวกมันยังสามารถใช้วิธีไฮบริดที่ใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ไม่ใช่เป็นแหล่งกำเนิดของนิวตรอนได้ แต่อย่างน้อยการติดตั้งเทอร์โมนิวเคลียร์ นอกจากนี้เครื่องปฏิกรณ์เกลือเหลวช่วยให้เราสามารถแก้ปัญหาของ actinides เล็กน้อย - ไอโซโทปที่มีอายุยาวนานของอเมริกา, คูเรียม, และเนปจูน (ซึ่งเกิดขึ้นในเชื้อเพลิงที่ฉายรังสี), "เผามัน" ในเครื่องปฏิกรณ์ขยะ ดังนั้นในอนาคตหลายสิบปีเราไม่สามารถทำโดยปราศจากทอเรียมในพลังงานนิวเคลียร์ได้”

บทความ“ Hammer of the Torah” ตีพิมพ์ในวารสาร Popular Mechanics (ฉบับที่ 11 พฤศจิกายน 2558)

แนะนำ

ตัวนำยิ่งยวดร้อน
2019
ปืนโฟตอน: การชาร์จสองครั้ง
2019
วิธีการวัดความเร็วของแสงใน ... ไมโครเวฟ? สัมผัสประสบการณ์ "PM"!
2019