Торий — будущее ядерной энергетики?

В Китае впервые в мире запущен ядерный реактор на ториевом топливе. Эта технология обещает быть более безопасной, экономичной и экологичной, чем традиционная урановая. Но насколько реальны эти преимущества и какие проблемы могут возникнуть на пути к ториевой революции в энергетике?


Торий — химический элемент с атомным номером 90, который относится к группе актинидов в таблице Менделеева. Он был открыт в 1828 году шведским химиком Яном Берцелиусом, который назвал его в честь скандинавского бога грома Тора. Торий имеет серебристо-белый цвет и металлический блеск, но на воздухе быстро тускнеет и окисляется. Торий является радиоактивным элементом, но его радиоактивность очень слабая — период полураспада самого распространенного изотопа тория-232 составляет около 14 миллиардов лет, что примерно равно возрасту вселенной.

Торий широко распространен в земной коре — его содержание составляет около 10 граммов на тонну породы, что в четыре раза больше, чем урана. По оценкам Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), мировые запасы тория достигают 4–5 миллионов тонн, что достаточно для обеспечения всей планеты электричеством на несколько тысячелетий. Основные производители тория в мире — Китай, Индия, Австралия, Бразилия и США.

Торий используется в различных областях науки и техники. Например, он добавляется к стеклу для повышения его прозрачности и прочности, к магнию для улучшения его свойств как легкого сплава, к газоразрядным лампам для увеличения яркости свечения. Торий также применяется в медицине для диагностики и лечения рака, в астрономии для калибровки спектрографов, в геологии для определения возраста пород.

Но самое перспективное применение тория — ядерная энергетика. Торий может служить альтернативным источником ядерного топлива для реакторов четвертого поколения, которые работают по так называемому ториевому циклу. Этот цикл заключается в следующем: природный торий содержит только один изотоп — Th-232, который сам по себе не расщепляется под действием нейтронов. Однако если его облучить нейтронами из другого расщепляющегося материала, например, урана-235 или плутония-239, то он превращается в изотоп урана U-233, который уже является расщепляющимся и может поддерживать цепную реакцию. Таким образом, торий можно использовать для «выращивания» урана внутри реактора и получения энергии из него.

Ториевый цикл имеет ряд преимуществ по сравнению с урановым циклом, который используется в большинстве современных реакторов. Во-первых, торий более эффективен — из одной тонны тория можно получить столько же энергии, сколько из 200 тонн урана. Во-вторых, торий более безопасен — он не требует высокого обогащения, не подвержен термоядерному взрыву и не образует плутония, который может быть использован для создания ядерного оружия. В-третьих, торий более экологичен — он производит меньше радиоактивных отходов и имеет меньший период полураспада, чем уран.

Однако ториевый цикл также имеет ряд сложностей и рисков, которые мешают его широкому внедрению. Во-первых, торий требует сложной химической переработки для извлечения урана-233 из отработанного топлива. Этот процесс может быть дорогостоящим, энергоемким и экологически опасным. Во-вторых, торий загрязняется ураном-232, который имеет высокую радиоактивность и испускает жесткое гамма-излучение. Это затрудняет работу с ним и требует специальной защиты. В-третьих, торий имеет недостаток опыта и стандартов. Ториевая энергетика находится на ранней стадии развития и имеет ограниченный опыт эксплуатации и исследований.

В мире существует лишь несколько экспериментальных или прототипных ториевых реакторов, которые работали недолго или были закрыты по разным причинам. Например, в Германии в 1985 году был запущен реактор THTR-300 мощностью 300 МВт, но он был остановлен в 1989 году из-за технических и финансовых проблем. В Индии с 1996 года работает реактор KAMINI мощностью 30 кВт, который использует уран-233, полученный из тория, в качестве топлива. В Норвегии в 2017 году был анонсирован проект корабля ThorConIsle, который должен использовать ториевый реактор на расплавленной соли мощностью 500 МВт.

Китайский реактор на расплавленной соли тория является первым в мире такого типа и масштаба. Его разработка началась в 2011 году в рамках национальной программы по развитию четвертого поколения ядерных реакторов. Строительство реактора было завершено в 2021 году, а эксплуатация началась в июне 2023 года после получения разрешения от китайского регулятора по ядерной безопасности. Реактор будет работать в течение 10 лет в качестве опытного образца для дальнейшего совершенствования технологии и создания коммерческих реакторов большей мощности.

Реактор расположен на территории пустыни Гоби — в городе Увэй провинции Ганьсу. Этот выбор не случаен, ведь ториевый реактор не нуждается в воде для охлаждения, как урановый. Вместо этого он использует расплавленную соль, которая одновременно служит теплоносителем и транспортом для топлива. Расплавленная соль нагревается до 450 °C и постепенно продвигается по тепловому контуру, отдавая тепло воде, которая превращается в пар и вращает турбину. При этом вода никак не контактирует с радиоактивными веществами. Это повышает безопасность реактора и уменьшает риск радиоактивных утечек. Даже в случае аварии ториевый реактор просто остынет без новой порции топлива без взрывов и разброса радиоактивных веществ.

Китай обладает одними из крупнейших запасов тория в мире — около 3,5 млн тонн, что составляет около 12% мировых запасов. По некоторым подсчетам, запасов тория в Китае хватит на 20 тыс. лет снабжения страны электричеством и теплом. Кроме того, торий более эффективен, чем уран — из одной тонны тория можно получить столько же энергии, сколько из 200 тонн урана. Торий также производит меньше радиоактивных отходов и имеет меньший период полураспада, чем уран. Все это делает торий привлекательным источником ядерного топлива для Китая, который стремится уменьшить свою зависимость от угля и импортного урана, а также повысить свою энергетическую безопасность и экологичность.