Торієвий шанс

Аварія на японській АЕС може стимулювати дослідження в області більш безпечної ядерної енергетики на основі торію. Ось вже більше місяця зведення з японської атомної станції "Фукусіма-1" нагадують фронтові. Незважаючи на всі зусилля, ученим і ремонтникам не вдається зупинити ядерні реакції в пошкодженому реакторі та запобігти подальшій витік радіоактивних матеріалів у навколишнє середовище. У багатьох країнах світу всерйоз розглядається питання про відмову від атомної енергетики як надто небезпечною або про обмеження її використання. Тим часом ще в 50-і роки були запропоновані проекти більш безпечних ядерних реакторів. У якості "пального" в них використовується торій - слаборадіоактивний хімічний елемент, світові запаси якого, як мінімум, вчетверо перевищують запаси урану. 

Півстоліття тому торієва ядерна енергетика не витримала конкуренції з урановою, оскільки з торію не можна отримати плутоній, який використовується в ядерній зброї. Але тепер, після "Фукусіми", їй надається можливість для реваншу.

Добре забуте старе

У 40-50-ті роки, коли атомна енергетика робила свої перші кроки, вчені досліджували різні варіанти керованих ядерних реакцій. Їх інтерес залучив і торій - важкий слаборадіоактивний метал, що займає 90-е місце в таблиці Менделєєва.

Сам по собі торій (вірніше, найпоширеніший його ізотоп торій-232, з якого майже на 100% складається природний метал) не підтримує ланцюгову ядерну реакцію і не може бути матеріалом для атомної бомби. Однак при опроміненні торію нейтронами, його атоми, захоплюючи ці нейтрони, розпадаються з виділенням значної кількості енергії.

Крім того, в результаті ряду послідовних реакцій з утворенням проміжних нестійких ізотопів (торій-233 і протактинію-233 з напіврозпаду відповідно 22 хвилини і 27 діб) з торію-232 виходить уран-233, який сам по собі є хорошим ядерним паливом, придатним для всіх типів сучасних реакторів.

У порівнянні з ураном торій має низку переваг. Перш за все, для завантаження в реактор придатний природний торій, який, на відміну від урану, не потрібно збагачувати, проводячи складну і дорогу операцію розділення ізотопів. У торієвих реакторах можна переробляти збройовий плутоній, а також мінімізувати використання урану-235, який є єдиною доступною людству природної "ядерної сірником", здатної запускати ядерну реакцію.

При цьому якщо уранові стрижні потрібно витягувати з реактора вже після того, як у них використано менше 10% містився "палива", торій можна використовувати повністю, до завершення його перетворення в уран-233, який також можна застосовувати для підтримки ядерної реакції. Внаслідок цього одна тонна торію може дати стільки ж енергії, скільки 200 т урану або 3.5 млн т вугілля.

Оксид торію є більш тугоплавкою і стійкою речовиною, ніж оксид урану, що відкриває можливість для створення високотемпературних реакторів на торії з робочою температурою 700-800 градусів. Такий реактор може працювати зі звичайним парогенераторним обладнанням, для нього не потрібно складних і небезпечних систем охолодження (нагадаємо, саме відмова цих систем і призвів до аварії на "Фукусіма-1"), його ККД може досягати 50-55%, що майже вдвічі вище , ніж у традиційних уранових руд. Отримана теплова енергія також може використовуватися в різних хімічних процесах (одержання аміаку, водню, ряду вуглеводневих продуктів).

Внаслідок того, що торій потребує зовнішнього джерела нейтронів для здійснення ядерної реакції, цей елемент більш безпечний в експлуатації. Неважко створити таку схему, при якій в разі аварії реакція просто автоматично припинялася б (правда, через особливості торієвого циклу такий реактор все одно б продовжував роботу, поки проміжні елементи не перетворилися на більш сталий уран-233, але виділення енергії було б значно меншим). Нарешті, радіоактивні відходи, що утворюються в результаті ядерних реакцій, у разі використання торію набагато менш небезпечні, ніж традиційних уранових реакторів, та й утворюється їх у кілька разів менше.

У 50-70-і роки в ряді країн світу (США, Великобританія, Індія, ФРН, СРСР та інші) проводились різні експерименти з торієвим і торій-урановими реакторами. У 70-80-ті роки американська компанія General Atomics і німецька Siemens навіть створили дослідні зразки енергетичних реакторів потужністю 300 МВт з використанням торієвого палива, проте на цьому дослідження в даній області практично повністю припинилися.

Падіння інтересу до торію було обумовлено низкою об'єктивних і суб'єктивних причин. Перш за все, фундаментальним недоліком торію була його непридатність для виробництва ядерної зброї. У 50-і роки в США проводилися досліди з використання урану-233 в ядерних бомбах, проте перевага була в підсумку віддано більш ефективному плутонію. Левова частка коштів на НДДКР в результаті виділялася на дослідження, пов'язані з урановим циклом, що дозволило досить швидко створити та оптимізувати відповідні технології. Поява ефективних і щодо безпечних легководних реакторів, доступність і невисока ціна уранового ядерного палива призвели до того, що енергетики відмовилися від розгляду альтернативних варіантів, які не обіцяють швидкої віддачі. Як то кажуть, від добра добра не шукають.

Внаслідок цього адекватної технології виготовлення торієвих або торій-уранових паливних елементів так і не було створено. Не була вирішена і головна, мабуть, проблема торієвого циклу. У ході реакцій, крім урану-233, неодмінно виникала невелика кількість (близько десятих часток відсотка) урану-232 - короткоживучого ізотопу, розпад якого призводив до появи дуже небезпечних радіоактивних "уламків".

Реактори General Atomics і Siemens володіли масою "дитячих хвороб", викликаних саме невідпрацьованістю процесів. Остаточно ж дослідження в області торієвої енергетики "поховала" катастрофа на Чорнобильській АЕС. Після 1986 р. асигнування на розвиток "мирного атома" були різко скорочені, а всі довгострокові альтернативні проекти просто закриті.

Єдиною країною, де торієві дослідження все ще тривали, була Індія. Країна, що володіє великими запасами торію (близько 300 тис. т, другий показник у світі після Австралії), Індія ще в 50-ті роки розробила оригінальну триступеневу програму розвитку атомної енергетики, в якій передбачалося задіяти ці ресурси.

Так як Індія не підписала договір про нерозповсюдження ядерної зброї, до недавнього часу її атомна галузь розвивалася ізольовано, а постачання урану в країну були заборонені. Не володіючи значними запасами урану, індійські атомники запропонували використовувати наявні мізерні ресурси цього ядерного палива в реакторах першого рівня, де вироблявся б подільний матеріал (уран-235 або плутоній-239). Його планувалося використовувати як джерело нейтронів для торієвих реакторів другій стадії, а на них, у свою чергу, виходив уран-233, який використовувався б в якості ядерного палива в реакторах третього покоління.

Першу стадію свого плану Індія успішно реалізувала, побудувавши до теперішнього часу більше 20 ядерних реакторів, а от із другою сталася заминка. У 90-і роки індійські атомники вийшли з міжнародної ізоляції, що і пояснює зниження інтересу до торію. Поки що досягнення в цій галузі обмежуються експериментальним реактором потужністю 13 МВт на АЕС "Калпаккам", де здійснюється вироблення урану-233 з торію.

Проте на початку минулого десятиліття торієві розробки вийшли зі стану "коми". В даний час розглядаються два перспективні напрямки, які можуть стати основою майбутньої торієвої ядерної енергетики.

Нові горизонти

Одну з перспективних технологій запропонував нобелівський лауреат Карло Руббіа з Європейського центру з ядерних досліджень (CERN). За його проектом пропонується використовувати торієве ядерне паливо, а у якості "запалу" застосовувати прискорювач протонів. Потрапляючи в атоми торію, протони з високою енергією викликають їх розпад з виділенням нейтронів, які використовуються для стимулювання ядерних реакцій. В якості теплоносія використовується свинець.

За розрахунками К. Руббіа, цей реактор буде генерувати достатню енергію, щоб не тільки живити прискорювач протонів, але й видавати певну потужність в мережу. При цьому установка досить безпечна, оскільки вимкнення протонного прискорювача призводить до припинення роботи реактора (не рахуючи розпаду проміжних елементів).

У 2010 р. норвезька компанія Aker Solutions придбала патент у К. Руббіа і вже приступила до проектування реактора ADTR (субкритичний реактор з прискорювальною системою). Потужність установки оцінюється в 600 МВт, її вартість, за попередніми даними, може перевищити $3 млрд, з урахуванням всіх попередніх дослідницьких робіт. Реактор планується розмістити під землею, що дасть можливість обійтися без потужного залізобетонного захисного куполу. Передбачається, що на одному завантаженні торієвого палива він зможе пропрацювати кілька років.

Однак ККД реактора К. Руббіа буде не дуже високим через використання енергоємного прискорювача протонів, який буде забирати частину потужності. У США, Індії та Китаї в останні роки розглядається варіант, вперше запропонований американським фізиком Елвіном Вайнбергом ще в 60-х роках.

У цьому реакторі типу LFTR (Liquid Fluoride Thorium Reactor) пропонується відійти від застосування твердих паливних елементів і використовувати в якості теплоносія розплави солей - фторидів, в яких добре розчиняються оксиди торію та урану. У такому реакторі робочий тиск складає всього близько 0.1 атм, що практично виключає можливість аварії внаслідок розриву корпусу (звичайно, за умови, що його матеріал не піддасться корозії). Сольовий розплав має температуру біля 540 градусів, що дає можливість використовувати всі переваги високотемпературного реактора.

При цьому система має здатність до саморегуляції. Якщо розплав перегрівається, він розширюється в обсязі, в результаті в полі дії джерела нейтронів (паливний елемент з плутонію або урану-235) потрапляє менше атомів торію, і реакція сповільнюється. При охолодженні суміш, відповідно, стискається, що дозволяє прискорити реакцію. Таким чином, торієвий реактор не вимагає наявності складної системи управління, як на традиційних АЕС.

Проект дозволяє організувати безперервний виведення продуктів поділу із зони реакції і підживлення його свіжим паливом. Це означає, що розплав з підвищеним вмістом продуктів поділу торію можна перекачати у відстійник, де буде відбуватися перетворення вихідного матеріалу в уран-233, який можна буде хімічним шляхом відокремити від торію, що не прореагував, і використовувати в якості ядерного палива в другій активній зоні реактора. Втім, є проекти, що передбачають тільки одну активну зону з використанням у якості ядерного палива спочатку торію, а потім - ураново-торієвої суміші.

У торієвому реакторі вельми цікаво вирішена проблема безпеки. Під корпусом реактора планується встановити бак, заткнути "пробкою" з тієї ж суміші фторидів, підтримуваних у твердому стані завдяки безперервному охолодженню. У випадку відключення електроенергії, як під час аварії на "Фукусіма", охолодження припиняється, "пробка" розплавляється, і суміш стікає в бак, де ядерна реакція припиняється через відсутність джерела нейтронів, а розплав остигає.

Важливою перевагою реактора LFTR є можливість створення установок невеликої потужності - аж до одиниць мегават. На думку експерта канадської компанії Accelerating Future Майкла Анісімова, такі невеликі реактори, розташовані під землею, можна використовувати в якості "міських" або "районних" електростанцій, здатних працювати роками при мінімальному нагляду.

За оцінками М. Анісімова, вартість 1-мегаватного реактора складе близько $250 тис., а для його роботи буде достатньо всього 20 кг торію в рік. Компанія, яка встановила такий реактор, могла б один раз на кілька років проводити його обслуговування, вивантажуючи використане паливо і завантажуючи нове.

В кінці січня 2011 р., всього за півтора місяці до катастрофічного землетрусу в Японії, в Китаї оголошено про запуск нової програми зі створення торієвої ядерної енергетики. Дослідження будуть проводитися під егідою національної Академії наук. Через п'ять років планується створення робочого прототипу, який міг би генерувати енергію вартістю не більше 6.8 центів за 1 кВт*год, а до 2030 р. передбачається створення першої діючої торієвої АЕС.

Про необхідність прискорити дослідження в області торієвої енергетики в минулому році було оголошено і в Індії. А після аварії на "Фукусіма" про торій заговорили і багато інших галузевих фахівців.

Пробудження інтересу до торію пояснюється кількома причинами. По-перше, торієві реактори типу LFTR (схоже, ця технологія поки вважається найбільш перспективною) значно безпечніше, ніж традиційні уранові. Їм не загрожують розриви трубопроводів високого тиску охолоджуючих систем через відсутність таких. У них можна повністю уникнути використання води, яка може розкластися на кисень і вибухонебезпечний водень. Вони дають менше радіоактивних відходів. Нарешті, торієвий реактор, на відміну від уранового, не може "піти в рознос".

По-друге, торію в світі набагато більше, ніж урану. Саме небезпека вичерпання резервів останнього є одним з вагомих стимулів для розвитку торієвої енергетики в Китаї та Індії, де в найближчі чверть століття планується побудувати по кілька десятків ядерних реакторів.

По-третє, потенційно використання торію може дати світові дешеву енергію. За розрахунками М. Анісімова, вартість енергії, що генерується невеликими торієвого реактора, може становити менше 1 цента за 1 кВт*год - менше, ніж на будь-якому іншому енергоблоці.

Звичайно, перш ніж будувати торієві реактори, потрібно вирішити масу проблем, починаючи зі створення цілої галузі з видобутку торію та отримання концентрованого оксиду або чистого металу і закінчуючи ураном-232 з його радіоактивними продуктами поділу. Особливі вимоги пред'являються і до корпусів, і трубопроводах, які повинні витримувати температуру в сотні градусів і кородуючої дію розпеченого розплаву солей при безперервній роботі протягом кількох років.

Втім, на думку експертів, всі ці проблеми можна вирішити - при створенні сучасних уранових АЕС довелося подолати не менше технічних перешкод. Головне, щоб хтось зважився виділити кошти на дослідження та реалізацію досвідчених проектів.

Поки торієва ядерна енергетика залишається в світі рідкісної екзотикою. Станом на сьогодні, тільки Китай і Індія мають намір проводити дослідження в цій області, і перших практичних результатів, очевидно, слід очікувати не скоро. Тим не менше, у довгостроковій перспективі використання торію представляється досить багатообіцяючим.

В СРСР дослідження в області торієвої атомної енергії проводилися в Курчатовському інституті. Тривали вони навіть в 90-і роки. Більш того, російським вченим належить базовий патент на спосіб управління торієвим реактором і тепловиділяючі збірки для його здійснення. Однак його термін закінчується в 2013 р., а жодних практичних кроків в цій галузі так і не було зроблено і не передбачається в найближчому майбутньому. Тим не менше, Росія входить у першу світову десятку за запасами торію, а на початку 50-х була налагоджена навіть його промисловий видобуток. Технології по отриманню металевого торію та його сполук не втрачені до цих пір.

Для України з її науковим потенціалом, що скоротився за останні 20 років, дослідження в області торієвої енергетики в даний час навряд чи можливі. Тим не менш, база для цього є. До того ж Україна має родовища монацитових пісків (монацит - найпоширеніший мінерал торію, що містить до 10% металу) - титано-цирконієві розсипи на півдні Донецької області.

Навіть після "Фукусіми" людство навряд чи відмовиться від ядерної енергії. Але використання торію в перспективі може зробити її дешевшою і безпечною.

Джерело:

http://www.uaenergy.com.ua/site.nsf/print/de31f1d17922a299c225787f004cc8d5