План:

Введение

• 1 Образование и распад
• 2 Получение
• 3 Применение
Примечания

Введение

Ура́н-232 (англ. uranium-232 ) - радиоактивный нуклид химического элемента урана с атомным номером 92 и массовым числом 232. Благодаря длинной цепи распада и большему, чем у большинства других изотопов, удельному энерговыделению, уран-232 является перспективным нуклидом для применения в радиоизотопных источниках энергии.

Активность одного грамма этого нуклида составляет приблизительно 827,38 ГБк.

1. Образование и распад

Уран-232 образуется в результате следующих распадов:

• β + -распад нуклида 232 Np (период полураспада составляет 14,7(3) мин):

• β − -распад нуклида 232 Pa (период полураспада составляет 1,31(2) суток):

• α-распад нуклида 236 Pu (период полураспада составляет 2,858(8) года):

Распад урана-232 происходит по следующим направлениям:

• α-распад в 228 Th (вероятность 100 % , энергия распада 5 413,63(9) кэВ ):

энергия испускаемых α-частиц 5 263,36 кэВ (в 31,55 % случаев) и 5 320,12 кэВ (в 68,15 % случаев) .

• Спонтанное деление (вероятность менее 1×10 −12 %) ;
• Кластерный распад с образованием нуклида 28 Mg (вероятность распада менее 5×10 −12 %) :

• Кластерный распад с образованием нуклида 24 Ne (вероятность распада 8,9(7)×10 −10 %) :

2. Получение

Уран-232 образуется в качестве побочного продукта при наработке урана-233 путём бомбардировки нейтронами тория-232. Наряду с реакцией образования урана-233, в облучаемом ториевом топливе происходят следующие побочные реакции:

Ввиду того, что эффективное сечение реакций (n, 2n) для тепловых нейтронов мало, выход урана-232 зависит от наличия значительного количества быстрых нейтронов (с энергией не менее 6 МэВ).

Если в ториевом топливе присутствует в значительных количествах нуклид торий-230, то образование урана-232 дополняется следующей реакцией, идущей с тепловыми нейтронами:

Так как наличие урана-232 в облученном топливе затрудняет безопасность работы с ним (см. раздел «Применение»), для снижения образования урана-232 необходимо использовать ториевое топливо с минимальной концентрацией тория-230 .

3. Применение

Уран-232 является родоначальником длинной цепочки распада, в которую входят нуклиды-излучатели жёстких гамма-квантов :

232 U (α; 68,9 года) 228 Th (α; 1,9 года) 224 Ra (α; 3,6 суток; испускает γ-квант 0,24 МэВ в 4,10 % случаев распада) 220 Rn (α; 56 с; γ 0,55 МэВ, 0,114 %) 216 Po (α; 0,15 с) 212 Pb (β−; 10,64 часа) 212 Bi (α; 61 с; γ 0,73 МэВ, 6,67 %; γ 1,62 МэВ, 1,47 %) 208 Tl (β−; 3 мин; γ 2,6 МэВ, 99,16 %; γ 0,58 МэВ, 84,5 %) 208 Pb (стабильный)

Быстрая последовательность распадов, начинающихся с радия-224, сопровождается значительным количеством гамма-излучения, при этом около 85 % всей энергии гамма-излучения образуется при распаде таллия-208, излучающего преимущественно гамма-кванты с энергией 2,6 МэВ . Данная особенность приводит к тому, что наличие урана-232 в качестве примеси к урану-233 является крайне нежелательным, затрудняя безопасность работы с ним.

С другой стороны, высокое удельное энерговыделение делает этот нуклид чрезвычайно перспективным для использования в радиоизотопных источниках энергии.

Примечания

1. 1 2 3 4 5 G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references. - www.nndc.bnl.gov/amdc/masstables/Ame2003/Ame2003b.pdf». Nuclear Physics A 729 : 337-676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 - dx.doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.
2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties - www.nndc.bnl.gov/amdc/nubase/Nubase2003.pdf». Nuclear Physics A 729 : 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 - dx.doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
3. Свойства 232 U на сайте IAEA (International Atomic Energy Agency) - www-nds.iaea.org/relnsd/tablenucsENSDF.jsp?query=3447
4. 1 2 Carey Sublette Nuclear Weapons Frequently Asked Questions - nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq6.html (англ.) . nuclearweaponarchive.org.
5. Таблица нуклидов на сайте МАГАТЭ - www-nds.iaea.org/relnsd/vchart/index.html

Удельная энергия связи (на нуклон) 7 611,892(10) кэВ Период полураспада 68,9(4) года Продукты распада 228 Th Родительские изотопы 232 Pa (β −)
232 Np (β +)
236 Pu () Спин и чётность ядра 0 + Канал распада Энергия распада α-распад 5,41363(9) МэВ 24 Ne, 28 Mg

Образование и распад

Уран-232 образуется в результате следующих распадов:

texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{232}_{93}Np}\rightarrow\mathrm{~^{232}_{92}U} + e^+ + {\nu}_e; Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{232}_{91}Pa} \rightarrow \mathrm{^{232}_{92}U} + e^- + \bar{\nu}_e; Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{236}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm{^{232}_{92}U} + \mathrm{^{4}_{2}He}.

Распад урана-232 происходит по следующим направлениям:

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{232}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{228}_{90}Th} + \mathrm{^{4}_{2}He};

энергия испускаемых α-частиц 5 263,36 кэВ (в 31,55 % случаев) и 5 320,12 кэВ (в 68,15 % случаев) .

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{232}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{204}_{80}Hg} + \mathrm{^{28}_{12}Mg}; Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{232}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{208}_{82}Pb} + \mathrm{^{24}_{10}Ne}.

Получение

Уран-232 образуется в качестве побочного продукта при наработке урана-233 путём бомбардировки нейтронами тория-232 . Наряду с реакцией образования урана-233, в облучаемом ториевом топливе происходят следующие побочные реакции:

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{232}_{90}Th} (n,\gamma) \rightarrow \mathrm{^{233}_{90}Th} \xrightarrow{\beta^-\ 1,243\ MeV} \mathrm{^{233}_{91}Pa} \xrightarrow{\beta^-\ 0,5701\ MeV} \mathrm{^{233}_{92}U}(n, 2n) \rightarrow \mathrm{^{232}_{92}U}; Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{232}_{90}Th} (n,\gamma) \rightarrow \mathrm{^{233}_{90}Th} \xrightarrow{\beta^-\ 1,243\ MeV} \mathrm{^{233}_{91}Pa} (n, 2n) \rightarrow \mathrm{^{232}_{91}Pa} \xrightarrow{\beta^-\ 1,337\ MeV} \mathrm{^{232}_{92}U}; Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{232}_{90}Th} (n,2n) \rightarrow \mathrm{^{231}_{90}Th} \xrightarrow{\beta^-\ 0,3916\ MeV} \mathrm{^{231}_{91}Pa} (n, \gamma) \rightarrow \mathrm{^{232}_{91}Pa} \xrightarrow{\beta^-\ 1,337\ MeV} \mathrm{^{232}_{92}U}.

Ввиду того, что эффективное сечение реакций (n, 2n) для тепловых нейтронов мало, выход урана-232 зависит от наличия значительного количества быстрых нейтронов (с энергией не менее 6 МэВ).

Если в ториевом топливе присутствует в значительных количествах нуклид торий-230 , то образование урана-232 дополняется следующей реакцией, идущей с тепловыми нейтронами:

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{230}_{90}Th} + ^{1}_{0}n \rightarrow \mathrm{^{231}_{90}Th} \xrightarrow{\beta^-\ 0,3916\ MeV} \mathrm{^{231}_{91}Pa} (n, \gamma) \rightarrow \mathrm{^{232}_{91}Pa} \xrightarrow{\beta^-\ 1,337\ MeV} \mathrm{^{232}_{92}U}.

Так как наличие урана-232 в облученном топливе затрудняет безопасность работы с ним (см. раздел «Применение»), для снижения образования урана-232 необходимо использовать ториевое топливо с минимальной концентрацией тория-230 .

Применение

Уран-232 является родоначальником длинной цепочки распада, в которую входят нуклиды-излучатели жёстких гамма-квантов :

232 U (α; 68,9 года) 228 Th (α; 1,9 года) 224 Ra (α; 3,6 суток; испускает γ-квант 0,24 МэВ в 4,10 % случаев распада) 220 Rn (α; 56 с; γ 0,55 МэВ, 0,114 %) 216 Po (α; 0,15 с) 212 Pb (β−; 10,64 часа) 212 Bi (α; 61 мин; γ 0,73 МэВ, 6,67 %; γ 1,62 МэВ, 1,47 %) 208 Tl (β−; 3 мин; γ 2,6 МэВ, 99,16 %; γ 0,58 МэВ, 84,5 %) 208 Pb (стабильный)

Быстрая последовательность распадов, начинающихся с радия-224, сопровождается значительным количеством гамма-излучения, при этом около 85 % всей энергии гамма-излучения образуется при распаде таллия-208, излучающего преимущественно гамма-кванты с энергией 2,6 МэВ . Данная особенность приводит к тому, что наличие урана-232 в качестве примеси к урану-233 является крайне нежелательным, повышая опасность работы с ним.

С другой стороны, высокое удельное энерговыделение делает этот нуклид чрезвычайно перспективным для использования в .

См. также

Напишите отзыв о статье "Уран-232"

Примечания

Легче: уран-231	Уран-232 является изотопом урана	Тяжелее: уран-233
Изотопы элементов · Таблица нуклидов

Отрывок, характеризующий Уран-232

Человек только кивнул, не в состоянии произнести ни слова.
Я даже не пыталась представить, какое счастье он должен был испытать, после того чёрного ужаса, в котором он ежедневно, и уже так долго, находился!..
– Спасибо тебе, милая... – тихо прошептал мужчина. – Только скажи, как же это может остаться?..
– О, это просто! Твой мир будет только здесь, в этой пещере, и, кроме тебя, его никто не увидит. И если ты не будешь отсюда уходить – он навсегда останется с тобой. Ну, а я буду к тебе приходить, чтобы проверить... Меня зовут Стелла.
– Я не знаю, что и сказать за такое... Не заслужил я. Наверно неправильно это... Меня Светилом зовут. Да не очень-то много «света» пока принёс, как видите...
– Ой, ничего, принесёшь ещё! – было видно, что малышка очень горда содеянным и прямо лопается от удовольствия.
– Спасибо вам, милые... – Светило сидел, опустив свою гордую голову, и вдруг совершенно по-детски заплакал...
– Ну, а как же другие, такие же?.. – тихо прошептала я Стелле в ушко. – Их ведь наверное очень много? Что же с ними делать? Ведь это не честно – помочь одному. Да и кто дал нам право судить о том, кто из них такой помощи достоин?
Стеллино личико сразу нахмурилось...
– Не знаю... Но я точно знаю, что это правильно. Если бы это было неправильно – у нас бы не получилось. Здесь другие законы...
Вдруг меня осенило:
– Погоди-ка, а как же наш Гарольд?!.. Ведь он был рыцарем, значит, он тоже убивал? Как же он сумел остаться там, на «верхнем этаже»?..
– Он заплатил за всё, что творил... Я спрашивала его об этом – он очень дорого заплатил... – смешно сморщив лобик, серьёзно ответила Стелла.
– Чем – заплатил? – не поняла я.
– Сущностью... – печально прошептала малышка. – Он отдал часть своей сущности за то, что при жизни творил. Но сущность у него была очень высокой, поэтому, даже отдав её часть, он всё ещё смог остаться «на верху». Но очень мало кто это может, только по-настоящему очень высоко развитые сущности. Обычно люди слишком много теряют, и уходят намного ниже, чем были изначально. Как Светило...
Это было потрясающе... Значит, сотворив что-то плохое на Земле, люди теряли какую-то свою часть (вернее – часть своего эволюционного потенциала), и даже при этом, всё ещё должны были оставаться в том кошмарном ужасе, который звался – «нижний» Астрал... Да, за ошибки, и в правду, приходилось дорого платить...
– Ну вот, теперь мы можем идти, – довольно помахав ручкой, прощебетала малышка. – До свидания, Светило! Я буду к тебе приходить!
Мы двинулись дальше, а наш новый друг всё ещё сидел, застыв от неожиданного счастья, жадно впитывая в себя тепло и красоту созданного Стеллой мира, и окунаясь в него так глубоко, как делал бы умирающий, впитывающий вдруг вернувшуюся к нему жизнь, человек...
– Да, это правильно, ты была абсолютно права!.. – задумчиво сказала я.
Стелла сияла.
Пребывая в самом «радужном» настроении мы только-только повернули к горам, как из туч внезапно вынырнула громадная, шипасто-когтистая тварь и кинулась прямо на нас...
– Береги-и-сь! – взвизгнула Стела, а я только лишь успела увидеть два ряда острых, как бритва, зубов, и от сильного удара в спину, кубарем покатилась на землю...
От охватившего нас дикого ужаса мы пулями неслись по широкой долине, даже не подумав о том, что могли бы быстренько уйти на другой «этаж»... У нас просто не было времени об этом подумать – мы слишком сильно перепугались.
Тварь летела прямо над нами, громко щёлкая своим разинутым зубастым клювом, а мы мчались, насколько хватало сил, разбрызгивая в стороны мерзкие слизистые брызги, и мысленно моля, чтобы что-то другое вдруг заинтересовало эту жуткую «чудо-птицу»... Чувствовалось, что она намного быстрее и оторваться от неё у нас просто не было никаких шансов. Как на зло, поблизости не росло ни одно дерево, не было ни кустов, ни даже камней, за которыми можно было бы скрыться, только в дали виднелась зловещая чёрная скала.
– Туда! – показывая пальчиком на ту же скалу, закричала Стелла.
Но вдруг, неожиданно, прямо перед нами откуда-то появилось существо, от вида которого у нас буквально застыла в жилах кровь... Оно возникло как бы «прямо из воздуха» и было по-настоящему ужасающим... Огромную чёрную тушу сплошь покрывали длинные жёсткие волосы, делая его похожим на пузатого медведя, только этот «медведь» был ростом с трёхэтажный дом... Бугристая голова чудовища «венчалась» двумя огромными изогнутыми рогами, а жуткую пасть украшала пара невероятно длинных, острых как ножи клыков, только посмотрев на которые, с перепугу подкашивались ноги... И тут, несказанно нас удивив, монстр легко подпрыгнул вверх и....подцепил летящую «гадость» на один из своих огромных клыков... Мы ошарашено застыли.
– Бежим!!! – завизжала Стелла. – Бежим, пока он «занят»!..
И мы уже готовы были снова нестись без оглядки, как вдруг за нашими спинами прозвучал тоненький голосок:
– Девочки, постойте!!! Не надо убегать!.. Дин спас вас, он не враг!
Мы резко обернулись – сзади стояла крохотная, очень красивая черноглазая девочка... и спокойно гладила подошедшее к ней чудовище!.. У нас от удивления глаза полезли на лоб... Это было невероятно! Уж точно – это был день сюрпризов!.. Девочка, глядя на нас, приветливо улыбалась, совершенно не боясь рядом стоящего мохнатого чудища.
– Пожалуйста, не бойтесь его. Он очень добрый. Мы увидели, что за вами гналась Овара и решили помочь. Дин молодчина, успел вовремя. Правда, мой хороший?
«Хороший» заурчал, что прозвучало как лёгкое землетрясение и, нагнув голову, лизнул девочку в лицо.

Элемент, названный в честь одного из главных скандинавских богов, может спасти человечество от энергетического кризиса, который поджидает нас в ближайшем будущем.

В 1815 году знаменитый шведский химик Йенс Якоб Берцелиус заявил об открытии нового элемента, который он назвал торием в честь Тора, бога-громовержца и сына верховного скандинавского бога Одина. Однако в 1825 году обнаружилось, что открытие это было ошибкой. Тем не менее название пригодилось - его Берцелиус дал новому элементу, который он обнаружил в 1828 году в одном из норвежских минералов (сейчас этот минерал называется торит). Этому элементу, возможно, предстоит большое будущее, где он сможет сыграть в атомной энергетике роль, не уступающую по важности главному ядерному топливу - урану.

Дальние родственники бомбы

Атомная энергетика, на которую сейчас возлагается столько надежд, - это побочная ветвь военных программ, основными целями которых было создание атомного оружия (а чуть позднее реакторов для подводных лодок). В качестве ядерного материала для изготовления бомб можно было выбрать из трех возможных вариантов: уран-235, плутоний-239 или уран-233.

Уран-235 содержится в природном уране в очень небольшом количестве - всего 0,7% (остальные 99,3% составляет изотоп 238), и его нужно выделить, а это дорогостоящий и сложный процесс. Плутоний-239 не существует в природе, его нужно нарабатывать, облучая нейтронами уран-238 в реакторе, а затем выделяя его из облученного урана. Таким же образом можно получать уран-233 путем облучения нейтронами тория-232.

Первые два способа в 1940-х годах были реализованы, а вот с третьим физики решили не возиться. Дело в том, что в процессе облучения тория-232 помимо полезного урана-233 образуется еще и вредная примесь - уран-232 с периодом полураспада в 74 года, цепочка распадов которого приводит к появлению таллия-208. Этот изотоп излучает высокоэнергетичные (жесткие) гамма-кванты, для защиты от которых требуются толстенные свинцовые плиты. Кроме того, жесткое гамма-излучение выводит из строя управляющие электронные цепи, без которых невозможно обойтись в конструкции оружия.

Ториевый цикл

Тем не менее о тории не совсем забыли. Еще в 1940-х годах Энрико Ферми предложил нарабатывать плутоний в реакторах на быстрых нейтронах (это более эффективно, чем на тепловых), что привело к созданию реакторов EBR-1 и EBR-2. В этих реакторах уран-235 или плутоний-239 являются источником нейтронов, превращающих уран-238 в плутоний-239. При этом плутония может образовываться больше, чем «сжигается» (в 1,3–1,4 раза), поэтому такие реакторы называются «размножителями».

Идеальная экосисистема

В 1960-х планировалось замкнуть ядерный цикл по урану и плутонию с использованием примерно 50% АЭС на тепловых реакторах и 50% на быстрых. Но разработка быстрых реакторов вызвала трудности, так что в настоящее время эксплуатируется лишь один такой реактор - БН-600 на Белоярской АЭС (и построен еще один - БН-800). Поэтому сбалансированную систему можно создать из ториевых тепловых реакторов и примерно 10% быстрых реакторов, которые будут восполнять недостающее топливо для тепловых.

Другая научная группа под руководством Юджина Вигнера предложила свой проект реактора-размножителя, но не на быстрых, а на тепловых нейтронах, с торием-232 в качестве облучаемого материала. Коэффициент воспроизводства при этом уменьшился, но конструкция была более безопасной. Однако существовала одна проблема. Ториевый топливный цикл выглядит таким образом. Поглощая нейтрон, торий-232 переходит в торий-233, который быстро превращается в протактиний-233, а он уже самопроизвольно распадается на уран-233 с периодом полураспада 27 дней. И вот в течение этого месяца протактиний будет поглощать нейтроны, мешая процессу наработки. Для решения этой проблемы хорошо бы вывести протактиний из реактора, но как это сделать? Ведь постоянная загрузка и выгрузка топлива сводит эффективность наработки почти к нулю. Вигнер предложил очень остроумное решение - реактор с жидким топливом в виде водного раствора солей урана. В 1952 году в Национальной лаборатории в Оак-Ридже под руководством ученика Вигнера, Элвина Вайнберга, был построен прототип такого реактора - Homogeneous Reactor Experiment (HRE-1). А вскоре появилась еще более интересная концепция, идеально подходившая для работы с торием: это реактор на расплавах солей, Molten-Salt Reactor Experiment . Топливо в виде фторида урана было растворено в расплаве фторидов лития, бериллия и циркония. MSRE проработал с 1965 по 1969 год, и хотя торий там не использовался, сама концепция оказалась вполне работоспособной: использование жидкого топлива повышает эффективность наработки и позволяет выводить из активной зоны вредные продукты распада.

Путь наименьшего сопротивления

Тем не менее жидкосолевые реакторы (ЖСР) не получили распространения, поскольку обычные тепловые реакторы на уране оказались дешевле. Мировая атомная энергетика пошла по наиболее простому и дешевому пути, взяв за основу проверенные водо-водяные реакторы под давлением (ВВЭР), потомки тех, которые были сконструированы для подводных лодок, а также кипящие водо-водяные реакторы. Реакторы с графитовым замедлителем, такие как РБМК, представляют собой другую ветвь генеалогического древа - они происходят от реакторов для наработки плутония. «Основным топливом для этих реакторов является уран-235, но его запасы хотя и довольно значительны, тем не менее ограничены, - объясняет „Популярной механике“ начальник отдела системных стратегических исследований Научно-исследовательского центра „Курчатовский институт“ Станислав Субботин. - Этот вопрос начал рассматриваться еще в 1960-х годах, и тогда планируемым решением этой проблемы считалось введение в ядерный топливный цикл отвального урана-238, запасов которого почти в 200 раз больше. Для этого планировалось построить множество реакторов на быстрых нейтронах, которые бы нарабатывали плутоний с коэффициентом воспроизводства 1,3–1,4, чтобы избыток можно было использовать для питания тепловых реакторов. Быстрый реактор БН-600 был запущен на Белоярской АЭС - правда, не в режиме бридера. Недавно там же был построен и еще один - БН-800. Но для построения эффективной экосистемы атомной энергетики таких реакторов нужно примерно 50%».

Могучий торий

Вот тут как раз на сцену и выходит торий. «Торий часто называют альтернативой урану-235, но это совершенно неправильно, - говорит Станислав Субботин. - Сам по себе торий, как и уран-238, вообще не является ядерным топливом. Однако, поместив его в нейтронное поле в самом обычном водо-водяном реакторе, можно получить отличное топливо - уран-233, которое затем использовать для этого же самого реактора. То есть никаких переделок, никакого серьезного изменения существующей инфраструктуры не нужно. Еще один плюс тория - распространенность в природе: его запасы как минимум втрое превышают запасы урана. Кроме того, нет необходимости в разделении изотопов, поскольку при попутной добыче вместе с редкоземельными элементами встречается только торий-232. Опять же, при добыче урана происходит загрязнение окружающей местности относительно долгоживущим (период полураспада 3,8 суток) радоном-222 (в ряду тория радон-220 - короткоживущий, 55 секунд, и не успевает распространиться). Кроме того, торий имеет отличные термомеханические свойства: он тугоплавкий, менее склонен к растрескиванию и выделяет меньше радиоактивных газов при повреждении оболочки ТВЭЛ. Наработка урана-233 из тория в тепловых реакторах примерно в три раза более эффективна, чем плутония из урана-235, так что наличие как минимум половины таких реакторов в экосистеме атомной энергетики позволит замкнуть цикл по урану и плутонию. Правда, быстрые реакторы все равно будут нужны, поскольку коэффициент воспроизводства у ториевых реакторов не превышает единицы».

Однако у тория есть и один достаточно серьезный минус. При нейтронном облучении тория уран-233 оказывается загрязненным ураном-232, который испытывает цепочку распадов, приводящую к жесткому гамма-излучающему изотопу таллий-208. «Это сильно затрудняет работу по переработке топлива, - объясняет Станислав Субботин. - Но с другой стороны, облегчает обнаружение такого материала, уменьшая риск хищений. Кроме того, в замкнутом ядерном цикле и при автоматизированной обработке топлива это не имеет особого значения».

Термоядерное зажигание

Эксперименты по использованию ториевых ТВЭЛов в тепловых реакторах ведутся в России и других странах - Норвегии, Китае, Индии, США. «Сейчас самое время вернуться к идее жидкосолевых реакторов, - считает Станислав Субботин. - Химия фторидов и фторидных расплавов хорошо изучена благодаря производству алюминия. Для тория реакторы на расплавах солей гораздо более эффективны, чем обычные водо-водяные, поскольку позволяют гибко производить загрузку и вывод продуктов распада из активной зоны реактора. Более того, с их помощью можно реализовать гибридные подходы, используя в качестве источника нейтронов не ядерное топливо, а термоядерные установки - хотя бы те же токамаки. К тому же жидкосолевой реактор позволяет решить проблему с минорными актинидами - долгоживущими изотопами америция, кюрия и нептуния (которые образуются в облученном топливе), „дожигая“ их в реакторе-мусорщике. Так что в перспективе нескольких десятилетий в атомной энергетике без тория нам не обойтись».

Что случится, если мы узнаем, что при помощи атомного двигателя можно решить проблему лишних выбросов вредных веществ в результате сгорания обычного дизеля или бензина. Как это на нас повлияет? Мы приглашаем всех, кого интересует данная тема, поговорить об атомном двигателе для автомобиля, работающего на изотопе тория-232. Любопытно, что как раз у тория-232 наибольший период полураспада среди прочих изотопов этого элемента. При этом именно он - самый распространенный. Ученые из американской компании Laser Power Systems изучили данный факт и предположили, что можно создать двигатель, использующий в качестве топлива торий. Этот проект в настоящее время является абсолютно реальным.

Давно уже выявили, что если использовать торий в качестве топлива, он будет иметь преимущество, выделяя в процессе работы невероятное количество энергии. Ученые подсчитали, что лишь восемь граммов тория-232 дадут двигателю возможность работать в течение 100 лет. Один же грамм этого вещества производит энергии больше, чем 28 000 литров бензина. Согласитесь, что цифры впечатляют. Среди далеких от атомной энергетики людей существует теория, согласно которой именно торий скрывают злые атомные гении от рядовых потребителей энергии. Он дешев, безопасен, совсем не оставляет радиоактивных отходов. Атомная энергетика с ним пришла бы на вершины могущества. Но по каким-то причинам этого не случилось…

В настоящее время парк ядерных промышленных реакторов на все сто процентов применяет урановое топливо, а именно - изотоп U235. Этому есть довольно простое объяснение, в природе данное вещество - единственное, способное поддерживать цепную реакцию распада. Прочие тяжелые природные элементы, скажем, все тот же торий, Th232, и U238, не поддерживают ядерную цепную реакцию. Существует еще несколько веществ, получаемых искусственно и способных работать в реакторе. Речь идет, например, о Pu239 или U233, получаемых посредством трансмутации все тех же U238 и Th232. Тяжеловодные реакторы, наряду с жидкосолевыми и газоохлаждаемыми, являются одними из ведущих технологий, в которых реально применять ториевый цикл. То есть торий ядерным топливом не является, вот первая причина, по которой мы не получаем сотни реакторов на тории, с легкостью снабжающих электричеством весь мир. Он обретает смысл лишь в составе ЗЯТЦ - замкнутого ядерного топливного цикла. Аналогично ЗЯТЦ на уране, торию потребуются быстрые реакторы, коэффициент производительности которых превышает единицу, а также перерабатывающие радиохимические заводы и прочие сложности. Фактически, Th232 является конкурентом U238, вещества, вполне превращаемого в ядерное топливо.

У всякого кандидата в ядерное топливо, в общем-то, существуют собственные минусы и плюсы. Например, в земной коре тория в несколько раз больше, нежели урана. Это его большой плюс. Торий не имеет проблем с минорными актиноидами. А топливо на базе ториевого цикла оказывается не радиоактивным лишь через несколько сотен лет, в отличие от уранового цикла в сотни тысяч лет. И это - главное преимущество тория. Однако торий приходится добывать, а три с половиной миллиона тонн урана уже находятся на складах. В процессе трансмутации Th232 в U233 выделяется промежуточный Pa233, распадающийся довольно долго и являющийся нейтронным ядом. И это - значительный минус. Побочный изотоп U232, нарабатываемый в топливе с торием, при распаде дает цепочку из жестких гамма-излучателей, сильно осложняющих переработку ОЯТ - отработавшего ядерного топлива. Ясно, что при подобных условиях и при отсутствии ЗЯТЦ торий имеет мало шансов, во всяком случае, в наши дни. В остальном же у тория не обнаружено каких-либо преимуществ или недостатков. Ему нередко приписывают отсутствие проблем распространения оружейно-ядерных технологий, а зря. Плутония тут, конечно, нет, но имеется U233, прекрасно подходящий для создания ядерных бомб. Превращения в топливе современного реактора материалов: три с половиной процента U235 распадается в продукты деления, одновременно из U238 вырабатывается три процента Pu, из которых два процента также распадается, выдавая нейроны и тепло.

Что же является определяющим для будущего тория?

Есть проблема минорных актиноидов, когда в процессе работы ядерного реактора из 95-97 процентов U238 и 3-5 процентов U235, в процессе поглощения нейтронами возникают различные «нехорошие» вещества, называемые минорными актиноидами. В эту группу входят нептуний Np-237, а также изотопы америция Am-241, -243 и кюрия Cm-242, -244, -245. Они все радиоактивны, являясь мощными гамма-излучателями. Правда, в «свеженьком» ОЯТ их окажется вовсе немного: на тонну - лишь несколько килограммов. А ведь еще более активных продуктов деления, вроде известного Cs-137, на тонну образуются десятки килограммов.

Где же тут проблема?

Все дело в периоде полураспада. Длиннейший период полураспада продуктов деления у Cs-137. Составляет он около трех десятков лет. За три сотни лет его активность станет меньше в тысячу раз, за девять сотен - в миллиард. А значит, за исторически вполне обозримый период времени мы можем прекратить беспокоиться о коррозии ОЯТ. Для минорных актиноидов периоды полураспада достигают тысячелетий, что означает удлинение сроков их хранения с веков до десятков тысяч лет. Подобный временной отрезок вообразить довольно сложно. Но вот вполне реально представить, что в случае интенсивной деятельности атомной энергетики уже через несколько тысячелетий ОЯТ заполнит весьма значительную территорию, при этом популярнейшей профессией окажется «охранник хранилища ОЯТ».

История изменится, если заменить имеющийся ныне цикл с однократным применением топлива на цикл замкнутый, нарабатывая ядерное топливо из Th232 или U238 и сжигая его в реакторе. При этом, понятно, резко уменьшится объем ОЯТ, хотя начнет значительно возрастать количество минорных актиноидов. Проблема уничтожения в ядерных реакторах при помощи расщепления или трансмутации минорных актиноидов берет начало еще с 70 годов прошлого века, одной из самых серьезных на пути к развертыванию ЗЯТЦ. В этот момент «на коне» оказывается Th232. Минорные актиноиды не будут образовываться в его ЯТЦ. Выходит, отпадает проблема с «вечным» хранением ОЯТ. Не будет и проблем в обращении со столь неприятными и непростыми субстанциями во время переработки уранового ОЯТ. В связи с этим, у тория получается серьезное преимущество, именно на нем ЗЯТЦ может быть в чем-то проще.

Оно компенсируется, правда, нехорошими ядерно-физическими особенностями вещества. Наработка из Th232 в U233 и U238 в Pu239 ядерного топлива осуществляется посредством генерации промежуточных изотопов соответственно Pa233 и Np239. Оба вещества являются «нейтронными ядами», поглощающими нейтроны. Правда, у протактиния период полураспада в десять раз больше, иными словами, содержание в топливе его в 1000 (210) раз более. Как результат - солидные проблемы в попытках создания быстрого классического реактора на Th232 и U233. Как следствие этой проблемы - идея жидкосолевого реактора. В такую емкость с расплавом из «ядерной» соли FLiBe= LiF + BeF2 добавляют фториды U233 и Th232. Управляют подобным реактором при помощи контроля утечки активной зоны нейтронов. У него фактически не существует каких-либо исполнительных механизмов в границах АЗ. Самое главное, что он непрерывно очищается радиохимическим методом от продуктов распада U233 и Pa233.

Идея жидкосолевого реактора очень важна для ядерной инженерии и вместе с тем является кошмаром для материаловедов. Ведь в данном расплаве за короткий промежуток времени образуется почти вся таблица Менделеева. Пока что никто не смог создать материал, который мог бы удержать подобную смесь в условиях радиации и высокой температуры без коррозии.

Можно подвести итог. У атомной индустрии в настоящее время не существует ни потребностей, ни возможностей к возведению ториевой энергетики. Как это выглядит с экономической точки зрения? Торий не будет интересен, покуда стоимость килограмма урана не превысит три сотни долларов. Именно так сформулировали в выводах отчета МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергетике) по ториевому циклу. Даже Индия, в условиях отсутствия ресурсов урана внутри страны и ограничения его поставок, сделавшая в 80 годы ставку на ториевый ЗЯТЦ, в наши дни потихоньку сворачивает свои разработки по его запуску. У России же есть наследие лишь из той эпохи, когда минусы и плюсы тория были вовсе неясны. Остались только, расположенные в Красноуфимске, склады с 80 тысячами тонн ториевой руды, или монацитового песка. Мы не имеем при этом ни значительных экономически оправданных месторождений тория, ни планов осваивать его для ядерной энергетики.