С точки зрения атомной промышленности торий привлекателен тем, что он может стать более доступной и эффективной заменой урану — основному источнику ядерного топлива. Однако использование тория для производства энергии связано с определенными трудностями.
Что такое торий?
Торий — это серебристый, слегка радиоактивный металл, встречающийся в магматических породах и тяжелых минеральных песках. Этот элемент был назван в честь Тора — бога грома из норвежской мифологии. Торий примерно в три-четыре раза более распространен в природе, чем уран, но исторически не нашел широкого применения в промышленности и энергетике. Отчасти это объясняется тем, что торий как таковой не является ядерным топливом, но может быть использован для его создания.
Торий-232 — единственный встречающийся в природе изотоп тория — является расщепляющимся, но не делящимся материалом. Это означает, что для расщепления атомных ядер тория и выделения энергии, используемой для производства электричества, необходимы высокоэнергетические нейтроны. Однако облучение тория-232 вызывает в нем ряд ядерных реакций, в результате которых образуется уран-233 — делящийся материал, который можно использовать в качестве топлива для ядерных реакторов.
В августе 2021 года Китай объявил о завершении строительства своего первого экспериментального ядерного реактора на основе тория. Реактор, расположенный на севере страны посреди пустыни Гоби, будет проходить испытания в течение нескольких последующих лет. Если эксперимент окажется успешным, Пекин планирует построить еще один реактор, способный вырабатывать электроэнергию для более 100 000 домохозяйств.
Китай — не единственная страна, задумывающаяся об использовании уникальных свойств тория. Индия, Россия, Соединенное Королевство, Соединенные Штаты Америки, Япония и другие страны также проявляли заинтересованность в проведении исследований по возможному использованию тория в ядерной энергетике.
В чем заключаются преимущества использования тория?
Торий имеет ряд преимуществ в сравнении с наиболее распространенным ядерным топливом — ураном-235. Количество делящегося материала (урана-233), производимого торием в ходе работы водоохлаждаемого реактора или реактора на соляных расплавах, может превышать количество потребляемого. По приблизительным данным, в верхнем слое земной коры содержится в среднем 10,5 частей на миллион тория по сравнению с примерно 3 частями на миллион урана.
«Благодаря своей доступности и способности производить делящийся материал, торий может стать долгосрочным решением энергетических проблем человечества», — говорит Кайлаш Агарвал, специалист МАГАТЭ по ядерному топливному циклу.
Среди других преимуществ — экологичность реакторов на тории, которая может быть гораздо выше, чем урановых аналогов. Помимо того, что эти реакторы — и ядерная энергетика в целом, в ходе работы не выделяют парниковых газов, они также производят меньше долгоживущих ядерных отходов, чем современные реакторы на урановом топливе.
Не без изъянов
Однако существует ряд экономических и технических препятствий, затрудняющих использование тория. Несмотря на его изобилие, добыча этого металла в настоящее время обходится довольно дорого.
«Минерал монацит, который является основным источником различных редкоземельных элементов, также является основным источником тория, — говорит Марк Михаласки, специалист МАГАТЭ по урановым ресурсам. — Монацит не добывался бы только из-за содержания в нем тория, если бы не нынешний спрос на редкоземельные элементы. Торий является побочным продуктом, а добыча тория требует использования более дорогостоящих методов, чем добыча урана. В связи с этим количество тория, которое можно извлечь из земли экономически эффективным способом в данный момент меньше, чем количество урана. Однако ситуация может измениться, если спрос на торий и его применение в ядерной энергетике возрастет».
Из-за отсутствия значительного опыта работы с торием и историческое преобладание использования урана в ядерной энергетике исследования, разработка и испытания установок, работающих на ториевом топливе, являются не менее дорогостоящими.
«Проблематичным в использовании тория является и то, что его может быть сложно обрабатывать, — говорит Анжелика Хаперская, технический руководитель по вопросам разработки ядерного топлива и объектам топливного цикла в МАГАТЭ. — Будучи воспроизводящим, но не делящимся материалом, торий нуждается во вспомогательных материалах, таких как уран или плутоний, которые помогут запустить и поддерживать цепную реакцию».
«Для удовлетворения растущего спроса на энергию и достижения глобальных климатических целей мир ищет альтернативные устойчивые и надежные способы энергопроизводства. Использование тория может стать одним из них, — отмечает Клеман Хилл, руководитель секции в МАГАТЭ. — Мы продолжим исследования, чтобы предоставить достоверные и научно обоснованные результаты тем, кто заинтересован в работе с торием».
Хотите узнать больше о трудностях, связанных с использованием тория?
В новой публикации МАГАТЭ Near-Term and Promising Long-Term Options for the Deployment of Thorium-Based Nuclear Energy («Краткосрочные и долгосрочные варианты развития ядерной энергетики на основе тория») обобщены результаты четырехлетнего проекта координированных исследований МАГАТЭ, посвященного возможностям развития ядерной энергетики с использованием тория. В докладе рассматриваются преимущества и трудности, связанные с использованием тория в качестве топлива, а также анализируется его применение в реакторах различных типов — от наиболее распространенных водо-водяных реакторов до реакторов на солевых расплавах.
«Многие страны мира считают торий перспективным и очень заманчивым способом выработки электроэнергии и удовлетворения своих растущих энергетических потребностей, — сказал Агарвал, один из авторов доклада. — Наш исследовательский проект способствовал обмену ценными знаниями и опытом между национальными лабораториями и исследовательскими институтами, изучающими использование тория. Результатом этой работы стала данная публикация».