От урана к торию. Новый этап развития атомной мировой энергетики
В 1980-е годы лауреат Нобелевской премии итальянский ученый Карло Руббиа предложил концепцию безопасного ядерного реактора на тории, в котором принципиально не может произойти неконтролируемая цепная реакция. Сейчас эти идеи возрождают в Китае, Индонезии, США и других странах. Как работают ториевые реактор и в чем их потенциал — в материале «Энергии Северо-Запада».
Первый жидкосолевой реактор мощностью 7,4 мегаватта был создан в 1960-е годы в США в Ок-Риджской национальной лаборатории. Проект был закрыт через пять лет из-за низкого коммерческого потенциала.
В Китае решили возродить эту технологию на качественно новом уровне. Опытный жидкосолевой китайский реактор мощностью всего 2 МВт тепловой энергии (а электрической еще меньше) начали строить в 2021 году. Реактор находится в Вувее (провинция Ганьсу) на окраине пустыни Гоби. Если технология себя оправдает, то на следующем этапе в Китае к 2030 году построят ториевый реактор мощностью 373 МВт.
Руководство стартапа Flibe Energy из США заявило в марте 2022 года, что их ученые спроектировали ториевый солевой реактор. Стартап Transmutex из Швейцарии обещает к началу 2030-х годов представить полноценный коммерчески успешный ториевый реактор.
Испанская Empresarios Agrupados совместно с американской ThorCon уже в этом году начнет строить в Индонезии плавучую АЭС с двумя 500-мегаваттными жидкосолевыми ториевыми реакторами. ThorCon вложит в проект свои разработки. Со стороны Empresarios Agrupados над проектом будут работать более 1200 инженеров.
Плавучую АЭС построят и подключат к энергосистеме страны всего за один год. Энергоблок разместят на барже длиной 185 метров, которую построят в Южной Корее. В случае успеха этого проекта будут построены АЭС с реакторами ThorCon суммарной мощностью 3 ГВт.
В мире сейчас тысячи ядерных реакторов, работающих на урановом топливе, а конкретно — на изотопе 235U. На данный момент это единственный природный изотоп, который способен поддерживать цепную реакцию распада. Запасов 232Th (тория) на Земле в два раза больше, чем урана.
В теории торий гораздо менее опасный — он становится нерадиоактивным уже через несколько сотен лет. При работе ядерного реактора на урановом топливе образуются минорные актиноиды — мощные радиоактивные гамма-излучатели, в том числе нептуний 237Np, изотопы америция 241Am, 243Am, кюрия 242Cm, 244Cm, 245Cm. Период их распада — десятки тысяч лет. Во время работы реактора на тории минорные актиноиды не образуются.
Главная особенность в том, что торий не является ядерным топливом. Изотоп тория-232 облучается в реакторе вспомогательным радиоактивным топливом (тем же ураном). Торий поглощает нейтроны, образуя уран-233, который уже расщепляется с выделением тепла.
Ториевый реактор может работать только в составе замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ). Эффективную модель такого цикла пока никто не построил. Дело в том, что в классическом реакторе образование урана-233 из тория происходит через генерацию промежуточных изотопов нептуния (239Np) и протоактиния 233Pa, которые являются «нейтронными ядами», паразитно поглощая нейтроны. Решить эту проблему в классическом атомном реакторе пока не получилось.
Жидкосолевым реактором на тории можно управлять с помощью контроля утечки нейтронов, а продукты распада урана-233 очищать радиохимическим способом. Расплав солей при температурах около 450 ºC и низком давлении циркулирует через реактор. Ученые говорят, что такая схема исключает возможность взрыва. Для остановки ториевого реактора достаточно отключить ускоритель протонов, необходимый для получения нейтронов высокой интенсивности. Чтобы остановить урановый реактор, нужна полная выгрузка ядерного топлива.
Проблема в том, что в ториевом солевом реакторе образуется вся таблица Менделеева. Реактор нужно создать из таких материалов, которые удержат эту ядерную смесь. Ученые стартапа Flibe Energy придумали решение этой проблемы. На дне корпуса реактора они установили замерзшую соляную пробку. При отключении питания соль тает, стекая в резервуар для хранения. Процесс деления прекращается.
Жидкосолевые реакторы на тории пока хороши в теории. Если коммерчески успешная модель реактора появится в ближайшие годы, это станет новым этапом развития атомной мировой энергетики.