Долгосрочный потенциал тория в ядерной энергетике

Пески Индии потенциально могут стать источником топлива, которое обеспечит безуглеродное будущее страны. Поскольку Индия является родиной крупнейших в мире запасов тория, ее долгосрочная стратегия развития атомной энергетики предполагает использование этого серебристого малорадиоактивного металла, который считается более экологически чистым и эффективным, чем традиционное ядерное топливо.

«Торий был в центре внимания исследователей и разработчиков с самого начала индийской ядерно-энергетической программы», — отмечает Анил Какодкар, ректор Национального института им. Хоми Бабы в Мумбаи, Индия. Индия спроектировала и разрабатывает ториевый реактор — усовершенствованный тяжеловодный реактор, который, по словам Какодкара, будет служить демонстрацией не только ториевого топливного цикла, но и пассивных средств безопасности.

Воспользоваться уникальными свойствами тория намеревается не только Индия. В июне 2023 года Китай выдал разрешение на эксплуатацию экспериментального ядерного реактора на расплавах солей тория. Реактор, построенный на севере страны посреди пустыни Гоби, в течение нескольких следующих лет будет проходить испытания. Япония, Соединенное Королевство, Соединенные Штаты Америки и другие страны также интересуются исследованиями возможного применения тория в ядерной энергетике.

Проблемы использования тория для производства энергии

Торий, обычно встречающийся в магматических породах и песках тяжелых минералов, назван в честь Тора, бога грома в скандинавской мифологии. В природе он встречается в три раза чаще, чем уран, но исторически сложилось так, что он не получил широкого применения в промышленности и производстве электроэнергии. Отчасти это объясняется тем, что торий сам по себе не является ядерным топливом, хотя и может быть использован для его создания. Торий-232, единственный изотоп тория естественного происхождения, считается воспроизводящим материалом, т.е. способным к делению. Это означает, что торий нуждается во вспомогательных материалах, таких как уран или плутоний, для запуска и поддержания цепной реакции. При облучении торий-232 претерпевает ряд ядерных реакций, в конечном итоге образуя уран-233, который затем может быть расщеплен с выделением энергии для питания ядерного реактора.

При этом использование тория для производства энергии сопряжено с некоторыми трудностями. Существует ряд экономических и технических препятствий, которые затрудняют внедрение тория. Несмотря на распространенность этого металла, его получение в настоящее время стоит дорого. «Минерал монацит, который является основным источником редкоземельных элементов, является также основным источником тория, — говорит специалист по урановым ресурсам в МАГАТЭ Марк Михаласки. — Без текущего спроса на редкоземельные элементы монацит не добывался бы только из-за содержащегося в нем тория. Торий — это побочный продукт, и для его получения требуются более дорогостоящие методы, чем для получения урана. Однако это может измениться, если возрастет спрос на торий и его применение в ядерной энергетике».

Не менее дорогостоящими являются исследования, разработки и испытания ториевых ядерных установок, что объясняется отсутствием значительного опыта работы с торием и исторически сложившейся распространенностью урана в ядерной энергетике. « Еще одним недостатком использования тория является то, что с таким топливом трудно обращаться, — рассказывает Анжелика Хаперская, технический руководитель по ядерному топливу и установкам ядерного топливного цикла в МАГАТЭ. — Для изготовления ториевого топлива, в отличие от уранового топлива, необходимо использовать более дорогостоящие дистанционные технологии в связи с присутствием дочерних продуктов деления тория с жестким гамма-излучением. Кроме того, сложной задачей является переработка отработавшего ториевого топлива. Существуют трудности с растворением диоксида тория и обращением с газообразными продуктами. Оборудование для переработки также подвержено коррозии из-за использования фторидов в процессе растворения. И в целом технологиям переработки еще необходимо достичь уровня промышленной зрелости».

При координации МАГАТЭ был осуществлен четырехлетний исследовательский проект, посвященный возможностям развития ториевой ядерной энергетики, изучению преимуществ и проблем использования тория в качестве топлива и анализу его применения в различных типах реакторов — от наиболее распространенных водоохлаждаемых реакторов до реакторов на солевых расплавах. Результаты проекта были недавно опубликованы в докладе «Near Term and Promising Long Term Options for the Deployment of Thorium Based Nuclear Energy» («Краткосрочные и перспективные долгосрочные варианты развития ядерной энергетики на основе тория») (IAEA-TECDOC-2009).

Преимущества тория

Торий обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным ядерным топливом — ураном-235. Торий может производить больше делящегося материала (урана-233), чем он потребляет, будучи загруженным в водоохлаждаемый реактор или реактор на солевых расплавах, и он производит меньше долгоживущих младших актинидов, чем плутониевое топливо. По оценкам, в верхнем слое земной коры содержание тория составляет в среднем 10,5 грамм на тонну, а урана — примерно 3 грамма на тонну.

«Благодаря своей распространенности и способности к воспроизведению делящегося материала торий может помочь человечеству удовлетворять свои потребности в энергии в долгосрочной перспективе», — говорит специалист по установкам топливного цикла в МАГАТЭ и один из авторов доклада МАГАТЭ Кайлаш Агарвал.

Помимо того что ториевые реакторы — и ядерная энергетика в целом — не выделяют парниковых газов в процессе эксплуатации, еще одним их преимуществом является то, что они производят меньше долгоживущих ядерных отходов, чем современные урановые реакторы.