Что будет, если мы скажем, будто избыток выбросов вредных веществ в результате сгорания бензина или обычного дизеля топлива можно решить, используя атомный двигатель? Впечатлит ли вас это? Если нет, то можно даже не начинать читать этот материал, а вот для тех, кому данная тема интересна, милости просим, потому, как речь у нас пойдет об атомном двигателе для автомобиля, который работает на изотопе тория-232.
Удивительно, но именно торий-232 обладает самым большим периодом полураспада среди изотопов тория и при этом является наиболее распространенным. Поразмыслив над этим фактом, ученые американской компании Laser Power Systems заявили о возможности сконструировать двигатель, который использует торий в качестве топлива и при этом является абсолютно реальным проектом на сегодняшний день.
Уже давно было определено, что торий, в случае использования его как топлива, имеет сильные позиции и при «работе» выделяет колоссальное количество энергии. По подсчетам ученых, всего 8 грамм тория-232 позволят работать двигателю в течение 100 лет, а 1 грамм произведет больше энергии, чем 28 тыс. литров бензина . Согласитесь, подобное не может не впечатлять.
Как сообщает генеральный директор Laser Power Systems Чарльз Стивенс, команда специалистов уже начала эксперименты, используя небольшое количество тория, однако самая ближайшая цель это создание необходимого для технологического процесса лазера. Описывая принцип работы подобного двигателя, можно привести в пример работу классической электростанции. Так, лазер, по планам ученых, будет нагревать емкость с водой, а полученный пар пойдет на работу мини-турбин.
Однако, каким бы прорывным не казалось заявление специалистов LPS , сама идея использовать атомный ториевый двигатель не нова. В 2009 году, Лорен Кулеусус показал мировому сообществу свое видение будущего и продемонстрировал концепт-кар Cadillac World Thorium Fuel Concept Car. И, несмотря на его футуристический внешний вид, главным отличием концепт-кара было наличие источника энергии для автономной работы, который использовал в качестве топлива торий.
«Учёными должен быть найден более дешёвый источник энергии в сравнении с углём, обладающий низким значением выброса диоксида углерода при сгорании или его отсутствием. В противном случае данная идея вовсе не сможет получить своего развития» - Роберт Харгрейв, специалист в области изучения свойств тория
На данный момент специалисты Laser Power Systems полностью сосредоточили свои силы на создании серийного образца двигателя для массового производства. Впрочем, не исчезает один из самых важных вопросов, как отреагируют на подобное новшество страны и компании, лоббирующие «нефтяные» интересы. Ответ подскажет только время.
Интересное:
- Природные запасы тория превышают запасы урана в 3-4 раза
- Специалисты называют торий и в частности торий -232 «ядерным топливом будущего»
1 грамм на 28 000 литров . Таково соотношения расхода топлива в автомобильных двигателях, если заменить привычное горючее торием.
Речь о 232-ом изотопе . У него самый длинный период полураспада. 8 граммов тория хватит, чтобы двигатель беспрерывно работал в течение 100 лет.
Запасов нового топлива в 3 раза больше, чем в земной коре. Специалисты Laser Power Systems уже приступили к разработке нового двигателя.
Компания американская. Работа двигателя будет напоминать цикл стандартной электростанции. Загвоздкой стала разработка подходящего лазера.
Его задача – нагревать воду, пар которой запускает мини-турбины. Пока ученые отрабатывают процесс, узнаем побольше о топливе 21-го века, а в перспективе и всего тысячелетия.
Что такое торий?
Металл торий относится к актиноидам. В это семейство входят радиоактивные . Все они располагаются в 3-ей группе 7-го периода таблицы .
Номера актиноидов – от 90-го до 103-го. Торий стоит первым. Его и открыли первым, одновременно с ураном.
В чистом виде героя выделил в 1882-ом году Ларс Нильсон. Радиоактивность элемента обнаружили не сразу.
Поэтому, торий долго не вызывал интереса общественности. Распад тория доказан лишь в 1907-ом году.
С 1907-го года изотопы тория открывались один за другим. К 2017-му насчитывается 30 модификаций металла. 9 из них получены .
Наиболее устойчива 232-я. Полураспад тория в таком виде длится 1,4*10 10 лет. Именно поэтому 232-ой изотоп повсеместно распространен, в земной коре занимает долю 8*10 -4 %.
Остальные изотопы хранятся несколько лет, а посему не представляют практического интереса и редко встречаются в природе. Правда 229-ый торий распадается за 7 340 лет. Но, этот изотоп «выведен» искусственно.
Полностью устойчивых изотопов у тория нет. В чистом виде элемент выглядит как —, пластичный .
Именно он делает столь мягким минерал торит. легко режется . Минерал изучал Йенс Берценлиус.
Шведский химик смог вычислить в составе камня неизвестный , но не смог выделить его, отдав лавры Нильсону.
Свойства тория
Торий – элемент , удельная радиоактивность которого равна 0,109 микрокюри на грамм. У 238-го урана, к примеру, показатель почти в 3 раза больше.
Соответственно, торий слаборадиоактивен. Несколько изотопов тория, кстати, являются следствием распада урана. Речь о 230-ом, 231-ом, 234-ом и 235-ом модификациях 90-го элемента.
Распад героя статьи сопровождается выделением радона. Этот газ, так же, именуют тороном. Однако, второе название не общеупотребительное.
Радон опасен при вдыхании. Однако, микродозы содержатся в минеральных водах и влияют на организм благостно.
Принципиален именно путь попадания торона в организм. Выпить можно, впитать – да, но не вдыхать.
В плане кристаллической решетки радиоактивный торий предстает всего в двух ипостасях. До 1 400-от градусов строение металла гранецентрическое.
Оно основано на объемных кубах, состоящих из 14-ти атомов. Часть из них стоят в углах фигуры. Остальные атомы располагаются посередине каждого .
При нагреве свыше 1 400-от градусов Цельсия кристаллическая решетка тория становится объемноцентрированной.
«Упаковка» таких кубов менее плотная. И без того мягковатый торий становится еще более рыхлым.
Торий – химический элемент, отнесенный к парамагнетикам. Соответственно, магнитная проницаемость металла минимальна, близка к единице.
Отличают вещества группы, так же, способность намагничиваться в направлении внешнего поля.
Мольная теплоемкость тория составляет 27,3 килоджоулей. Показатель указывает на тепловую вместимость одного моля вещества, отсюда и название.
Продолжать список сложно, поскольку основная масса свойств 90-го металла зависит от степени его загрязнения.
Так, предел прочности элемента варьируется от 150-ти до 290-та меганьютонов на квадратный метр.
Нестабильна и тория. По металлу дают от 450-ти до 700-от килограмм-силы.
Стоя в начале своей группы, торий перенял часть свойств от предшествующих ей элементов. Так, для героя статьи характерна 4-я степень окисления.
Чтобы торий быстро окислился на воздухе, нужно довести температуру до 400-от градусов. Металл моментально покроется пленкой оксида.
Дуэт тория с кислородом, кстати, самый тугоплавкий из земных оксидов, размягчается лишь при 3 200-от градуса Цельсия.
При этом, соединение еще и химически устойчиво. Чистый же металл вступает в реакцию с .
Любой радиоактивный изотоп тория взаимодействует с ним даже при комнатной температуре.
Остальные реакции с героем статьи проходят при повышенных температурах. При 200-от градусах идет реакция с .
Образуются гидриды порошкообразной формы. Нитриды получаются, если торий нагреть в атмосфере .
Потребуется температура в 800-от градусов Цельсия. Но, для начала нужно добыть реактив. Узнаем, как это делают.
Добыча и месторождения тория
350 000 000 долларов. Примерно такую сумму ежегодно выделяют в на развитие ториевой энергетики. В стране масса месторождений 232-го изотопа.
Это настораживает , которая рискует потерять лидерство на топливном , если основным энергоресурсом в мире станет 90-ый элемент.
Запасы в отечестве есть. Миллионы тонн металла, к примеру, расположились под Новокузнецком.
Однако, нужно отстоять приоритетное право на применение ториевых , а за них в мире ведется борьба. Все понимают, за чем будущее.
Обычно, торий находят в виде , блестящего песка. Это минерал монацит. Пляжи из него часто входят в курортные зоны.
На побережье Азовского моря, к примеру, стоит задуматься не только о солнечной радиации, но и той, что исходит от земли. Жильный торий встречается только в ЮАР. Рудные залежи там зовутся Стинкасмкрааль.
Если добывать торий из руд, то проще получать элемент попутно с . Осталось выяснить, где торий может пригодиться, не считая автомобильных двигателей будущего.
Применение тория
Поскольку ядро тория неустойчиво, естественно применение элемента в атомной энергетике. Для ее нужд закупают , фторид и оксид тория.
Помните температуру, которую выдерживает окись 90-го металла? Только такое соединение и сдюжит в жидкосолевых реакторах.
Окись тория пригождается и в авиационной промышленности. Там 90-ый металл служит упрочнителем. Служба торию находится и в организме .
Ежедневно с пищей поступает около 3 миллиграммов радиоактивного элемента. Он участвует в регулировке процессов системы, усваивается, в основном, печенью.
Закупают торий, так же, металлурги, но не для еды. Чистый металл используют в качестве , то есть добавки, улучшающей качество , в частности, магниевых. С лигатурой они становятся жаропрочными и лучше сопротивляются разрыву.
Напоследок дополним информацию о новом автомобильном двигателе. Торий в нем – не ядерное топливо, а лишь сырье для него.
Сам по себе 90-ый элемент не способен давать энергию. Все меняют нейтронная среда и водный реактор.
С ними торий преобразуется в 233-ий уран. Вот он – эффективное топливо. Почем платят за сырье для него? Попробуем узнать.
Цена тория
Цена тория разнится на чистый металл и его соединения. Это общая фраза из . Из частностей — лишь ценник за кило оксида тория примерно в 7 500 .
На этом открытые запросы заканчиваются. Продавцы просят уточнять стоимость, поскольку реализуют радиоактивный элемент.
Предложений чистого тория в интернете нет, как нет и данных о за грамм металла. Меж тем, заинтересованным новым видом автомобильного топлива вопрос не дает покоя, как не дает покоя и то, не подскочат ли запросы за 90-ый элемент в случае его повсеместного использования.
Изначально, ради вытеснения с рынка бензиновых двигателей, торий сделают максимально выгодным. Но, что будет потом, когда возврат к былому будет уже маловероятен?
Вопросов много. Конкретики мало, впрочем, как и во всем новом, неизведанном, кажущемся на первых парах авантюрой.
Хотя, первые варианты ториевого двигателя уже готовы. Весят они около 200-от килограммов. Такой аппарат легко поместить под капот средних размеров.
ТОРИЙ
Торий – природный слабо радиоактивный металл, открытый в 1828 г. шведским химиком Йенсом Берцелиусом, который назвал его в честь Тора, бога войны скандинавских народов. В небольших количествах он присутствует во многих горных породах и грунтах, где его содержание почти в три раза превышает содержание урана. В почве содержится приблизительно шесть частей тория на миллион.
Торий встречается во многих минералах, наиболее распространенным из которых является редкоземельный минерал – фосфат тория – монацит, в котором содержится до 12% оксида тория. Залежи этого минерала имеются в нескольких странах. Торий-232 распадается очень медленно (его период полураспада почти в три раза превышает возраст Земли), но другие изотопы тория содержатся в нем и в цепях распада урана. Большинство из них являются короткоживущими элементами, и поэтому они намного более радиоактивны, чем Th-232, хотя в массовом отношении их содержание ничтожно мало.
| Мировые запасы тория (доступные для добычи) | ||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
| (Источник – Служба геологической разведки USA, Запасы минералов, январь 1999 года) |
Торий в качестве ядерного топлива
Торий, как и уран , может использоваться в качестве ядерного топлива. Сам по себе не являющийся делящимся материалом Th-232 поглощает медленные нейтроны и образует делящийся уран-233. Как и U-2238, торий-232 является топливным сырьем.
По одному из существенных показателей U-233 превосходит уран-235 и плутоний-239, имея более высокий выход нейтронов на один поглощенный нейтрон. Если начать реакцию с помощью другого делящегося материала (U-235 или Pu-239), можно реализовать цикл наработки делящегося материала, напоминающий, но более эффективный, чем цикл на U-238 и плутоний в реакторах на медленных нейтронах. Th-232 поглощает нейтрон и преобразуется в Th-233, который при распаде переходит в Ра-233, а затем в U-233. Облученное топливо можно выгрузить из реактора, U-233 отделить от тория и загрузить в другой реактор, как часть замкнутого топливного цикла.
За последние 30 лет появился интерес к торию в качестве ядерного топлива, поскольку его запасы в земной коре в три раза превышают запасы урана. Кроме того, в реакторах можно использовать весь добываемый торий в отличие от 0,7% изотопа U-235 из природного урана.
Основным вариантом в реакторах типа PWR могут быть топливные сборки, смонтированные так, что бланкет, состоящий главным образом из тория, покрывает затравочный элемент с большей степенью обогащения, содержащий U-235, который производит нейтроны для подкритического бланкета. Поскольку U-233 производится в бланкете, он там же и сгорает. Здесь речь следует о легководном реакторе-бридере, который успешно прошел демонстрационные испытания в USA в 1970 годах.
Научно-исследовательские и конструкторские разработки
Возможность реализации ториевых топливных циклов изучается уже около 30 лет, однако значительно менее интенсивно, чем урановых или уран-плутониевых циклов. Основные исследовательские и конструкторские работы проводились в Германии, Индии, Японии, Рф, Великобритании и USA. Было проведено также и пробное облучение ториевого топлива в реакторах до получения высокого уровня выгорания. Полностью или частично загружались ториевым топливом несколько опытных реакторов.
К заслуживающим внимания экспериментам по ториевому циклу относятся следующие (первые три проводились на высокотемпературных реакторах с газовым охлаждением):
- В период с 1967 по 1988 годы в Германии более 750 недель эксплуатировался экспериментальный реактор AVR с насыпным бланкетом при мощности 15 МегаВт. 95% всего периода работы реактора составляла работа на ториевом топливе. Топливо представляло собой 100000 топливных элементов в виде шариков. Общий вес ториевого топлива составлял 1360 кг; торий использовался в смеси с высокообогащенным ураном. Максимальная глубина выгорания составила 150000 МВт·сутки/т.
- Ториевые ТВЭЛы, состоящие из тория и урана в соотношении 10:1, в течение 741 суток облучались в реакторе Dragon мощностью 20 МегаВт в английском городе Уинфит. Реактор Dragon эксплуатировался в рамках совместного проекта, в котором, наряду с Великобританией, с 1964 по 1973 годы участвовали Австрия, Дания, Швеция, Норвегия и Швейцария. Ториево-урановое топливо использовалось для производства U-233, который заменял потребляемый U-235 примерно в том же соотношении. Топливо могло работать в реакторе в течение шести лет.
- В 1967-1974 годах в USA работал высокотемпературный реактор Peach Bottom на уран-ториевом топливе мощностью 110 МегаВт производства компании General Atomic.
- В Индии в 1996 г. в Калпаккаме в качестве источника нейтронов был запущен экспериментальный исследовательский реактор Kamini мощностью 30 кВт, работавший на U-233, полученном путем облучения ThO 2 на другом реакторе. Реактор был построен неподалеку от бридерного реактора на быстрых нейтронах мощностью 40 МегаВт, в котором и облучался ThO 2 .
- В Нидерландах в течение трех лет эксплуатировался гомогенный реактор с водяной смесью мощностью 1 МегаВт. В реакторе использовалось топливо в виде раствора высокообогащенного урана и тория; с целью удаления продуктов деления непрерывно велась переработка, в результате которой с высоким К.П.Д. производился U-233.
- Проводился ряд экспериментов с реакторами на быстрых нейтронах.
Энергетические реакторы
- На базе реактора AVR в Германии был разработан 300 МегаВт-реактор THTR, проработавший с 1983 по 1989 годы; реактор работал на насыпном бланкете из 674000 элементов, из которых больше половины представляло собой уран-ториевое топливо, а остальные – графитовый замедлитель и нейтронные поглотители. ТВЭЛы непрерывно обновлялись при загрузке, и в среднем прошли через реактор шесть раз. Производство топлива было поставлено на промышленную основу.
- Реактор Fort St Vrain был единственным в USA коммерческим реактором, работавшем на ториевом топливе; этот реактор также был сконструирован на базе немецкого AVR и проработал с 1976 по 1989 годы. Это был высокотемпературный реактор (1300°С) с графитовым замедлителем и гелиевым охлаждением с проектной мощностью 842 МегаВт (330 МегаВт электрических). Топливные элементы были изготовлены из карбида тория и карбида Th/U-235 в виде микросфер, для удержания продуктов деления, покрытых диоксидом кремния и пироуглеродом. ТВЭЛы имели форму шестигранных колонн («призм»). В реакторе использовалось почти 25 тонн тория; глубина выгорания составила 170000 МВт·сутки/т.
- Исследования ториевого топлива для реакторов типа PWR проводились на американском реакторе Shippingport; в качестве исходного делящегося материала топлива использовались U-235 и плутоний. Был сделан вывод, что торий серьезно не повлияет на режимы работы и сроки эксплуатации активной зоны. Здесь же с 1977 по 1982 годы успешно прошли испытания легководного бридерного реактора затравочно-бланкетного типа на ториево-урановом топливе, покрытым сплавом циркония.
- В 60-мегаваттном реакторе Lingen типа BWR в Германии использовались Th/Pu-ТВЭЛы.
Индия
В Индии с целью повышения эффективности после запуска в блоки 1 и 2 А.Э.С в Какрапаре было загружено 500 кг ториевого топлива. 1-Ый блок А.Э.С был первым в мире реактором, в котором для выравнивания мощности в активной зоне использовался не обедненный уран, а торий. Работая на ториевом топливе, 1-й блок вышел на полную мощность за 300 суток, а 2-й блок – за 100 суток. Ториевое топливо планируется использовать в блоках 1 и 2 А.Э.С в Кайга и в блоках 3 и 4 А.Э.С в Раджастане, которые находятся в стадии строительства.
Обладая запасами тория, в шесть раз превышающими запасы урана, Индия в качестве основной задачи промышленного производства энергии поставила задачу внедрения ториевого цикла, которая будет решаться в три этапа:
- тяжеловодные реакторы CANDU, работающие на топливе из природного урана, будут использоваться для наработки плутония;
- реакторы-бридеры на быстрых нейтронах (FBR) на основе полученного плутония будут производить U-233 из тория;
- перспективные тяжеловодные реакторы будут работать на U-233 и тории, получая 75% энергии из тория.
Отработанное топливо затем будет перерабатываться для восстановления делящихся материалов и их последующей переработки;
В качестве еще одной возможности для третьего этапа рассматриваются подкритические комплексы на ускорителях (ADS).
Разработка перспективных реакторов
Конструкторские решения по перспективным реакторам на ториевом топливе включают:
- Легководные реакторы, использующие в качестве топлива оксид плутония (PuO 2), оксид тория (ThO 2) и(или) оксид урана (UO 2), из которых изготовляются стержневые ТВС.
- Высокотемпературные реакторы с газовым охлаждением (HTGR) двух типов – с насыпным бланкетом и призматическими топливными сборками.
- Газотурбинные модульные реакторы с гелиевым охлаждением (GT-MHR). Результатом проведенных в USA исследований на реакторах типа HTGR стали призматические ТВС. Использование гелия для охлаждения при высоких температурах и сравнительно небольшая выходная энергия на модуль (600 МВт) позволяет скомбинировать модульную конструкцию с газовой турбиной (цикл Брайтона), что повышает производство тепловой энергии почти на 50%. Активная зона таких реакторов допускает применение широкого спектра конструкций ТВС, в том числе ВОУ/Th и Pu/Th. Использование ВОУ/Th-топлива было продемонстрировано на американском реакторе Fort St Vrain.
- Модульный реактор с насыпным бланкетом (PBMR). Сконструирован в Южной Африке на основе результатов проведенных в Германии исследований. Сейчас работы ведутся международным консорциумом. Позволяет использовать ториевые насыпные бланкеты.
- Реакторы на солевом расплаве. Перспективный реактор-бридер, в котором ториевое топливо используется в виде солевого расплава, не требуя дополнительного внешнего охлаждения. Хладагент первичного контура проходит через теплообменник, где тепловая энергия реакции деления передается в рабочий материал вторичного контура с целью генерации пара. Детальные исследования концепции проводились в 60-е годы ХХ века; сейчас они возобновились в связи с появлением передовых технологий производства материалов.
- Перспективные тяжеловодные реакторы (AHWR). В Индии в настоящее время ведутся работы по этому направлению. Как и канадский реактор CANDU-NG, индийский реактор мощностью 250 МегаВт охлаждается обычной водой. Основная часть активной зоны состоит из смеси оксидов тория и U-233 в подкритическом состоянии; пропорции смеси таковы, что U-233 самовоспроизводится. Реакция управляется несколькими затравочными зонами на основе обычного МОХ-топлива.
- Утилизация плутония. Сегодня в некоторых реакторах используется МОХ-топливо (U, Pu). Альтернатива состоит в использовании торий-плутониевого топлива; в этом случае реактор работает на плутонии, производя делящийся U-233, который после разделения можно использовать в составе уран-ториевого топливного цикла.
Применение тория в комплексах с ускорителями (ADS)
В комплексах с ускорителями высокоэнергетические нейтроны производятся за счет реакции расщепления ядер высокоэнергетическими протонами ускорителя, соударяющимися с тяжелыми ядрами мишени (свинец, свинец-висмут или другие элементы). Эти нейтроны можно направить в субкритический реактор, содержащий торий, где нейтроны производят U-233 и обеспечивают его деление. Существует возможность обеспечения самоподдерживающейся реакции деления, которую можно направить либо на производство энергии, либо на трансмутацию актиноидов, образующихся в результате U/Pu топливного цикла. Использование тория вместо урана означает, что в самом реакторе ADS будет производиться меньшее число актиноидов.
Разработка ториевого топливного цикла
Проблемы, связанные с решением этой задачи, сводятся к высокой стоимости производства топлива частично вследствие высокой радиоактивности U-233, который всегда содержит U-232; аналогичные проблемы касаются и переработки тория вследствие высокой радиоактивности Th-228, определенного риска распространения U-233 как оружейного материала, а также ряда технических проблем переработки (пока не решенных должным образом). Предстоит проделать большую работу, прежде чем ториевый цикл будет поставлен на коммерческую основу, но пока можно в больших количествах добывать уран, такая работа представляется маловероятной.
Тем не менее, ториевый цикл с его потенциалом по воспроизводству без использования реакторов на быстрых нейтронах сохранит свою перспективность еще в течение длительного времени. Этот цикл является определяющим фактором в развитии самодостаточной ядерной энергетики.
Торий (Thorium), Th, - химический элемент III группы периодической системы, первый член группы актинидов; порядковый номер 90, атомный вес 232.038. В 1828 году, анализируя редкий минерал, найденный в Швеции, Йенс Якоб Берцелиус обнаружил в нем окись нового элемента. Этот элемент был назван торием в честь всемогущего скандинавского божества Тора (Тор - коллега Марса и Юпитера: – бог войны, грома и молнии.). Получить чистый металлический торий Берцелиусу не удалось. Чистый препарат тория был получен лишь в 1882 другим шведским химиком - первооткрывателем скандия - Ларсом Нильсоном. Радиоактивность тория открыта в 1898 году независимо друг от друга одновременно Марией Склодовской-Кюри и Гербертом Шмидтом.
Изотопы тория
Природные радиоактивные изотопы: 227Th , 228Th (1,37-100 %), 230Th , 231Th , 232Th (∼ 100%), 234Th. Известно девять искусственных радиоактивных изотопов тория.
Торий – природный радиоактивный элемент, родоначальник семейства тория. Известны 12 изотопов, однако природный торий практически состоит из одного изотопа 232Th (T1/2=1,4*10 10 лет, α-распад). Его удельная радиоактивность 0.109 микрокюри/г. Распад тория приводит к образованию радиоактивного газа – торона (радон-220), который представляет опасность при вдыхании. С 232Th в равновесии находится 238Th (RdTh, Т1/2=1,91 лет). Четыре изотопа тория образуются в процессах распада 238U (230Th (ионий, Io , T =75.380 лет) и 234Th (уранХ1, UX1, T=24.1 дня)) и 235U (227Th (радиоактиний, RdAc, Т=18.72 дн. и 231Th (уран Y, UY, T=1.063 дня). Для практических применений, единственными изотопами, присутствующими в заметных количествах в очищенном тории - 228Th и 230Th, т.к. остальные имеют очень короткий период полураспада, и 228Th распадается после нескольких лет хранения. Искусственные изотопы тория большей частью короткоживущие; из них большой период полураспада имеет только 229Th (Т1/2=7340 лет), принадлежащий к искусственному радиоактивному семейству нептуния. Сечение захвата тепловых нейтронов изотопом 232Th 7,31 барн/атом.
Радиоактивные изотопы тория получают из монацитовых руд, используя чаще всего сернокислотный метод разложения.
Торий в природе
Торий, как радиоактивный элемент, является одним из источников радиоактивного фона Земли. Содержание тория в минерале торианите составляет от 45 до 88 %, в минерале торите — до 62%. Содержание тория в речной воде 8,1 10 -4 Бк/л. Это на порядок ниже, чем урана, и на два порядка ниже, чем 40К (3,7-10 -2 Бк/л).
Тория в природе значительно больше урана. В ничтожных количествах он встречается даже в гранитах. Содержание тория в земной коре 8*10 -4 вес.%, примерно столько же, сколько свинца. В природных соединениях торий связан с ураном, редкоземельными элементами и цирконием, относится к типично литосферным элементам и концентрируется преимущественно в верхних слоях литосферы. Торий обнаружен более чем в 100 минералах, представляющих собой кислородные соединения, преимущественно оксиды и значительно реже – фосфаты и карбонаты. Более 40 минералов являются соединениями тория или же торий входит в них в качестве одного из главных компонентов. Основными промышленными минералами тория являются монацит (Ce, La, Th…)PO 4 , торит ThSiO 4 и торианит (Th,U)O 2 .
Торит очень богат торием (45 до 93% ThO 2), но редок, так же как и другой богатый ториевый минерал - торианит (Th, U)O 2 , содержащий от 45 до 93% ThO 2 . Важный минерал тория - монацитовый песок. В общем виде его формулу записывают в виде (Ce, Th)PO4, но он содержит кроме церия еще лантан, празеодим, неодим и другие редкие земли, а также - уран. Тория в монаците - от 2.5 до 12%. Богатые монацитовые россыпи есть в Бразилии, Индии, США, Австралии, Малайзии. Известны и жильные месторождения этого минерала - на юге Африки.
Монацит – минерал прочный, устойчивый против выветривания. При выветривании горных пород, особенно интенсивном в тропической и субтропической зонах, когда почти все минералы разрушаются и растворяются, монацит не изменяется. Ручьи и реки уносят его к морю вместе с другими устойчивыми минералами – цирконом, кварцем, минералами титана. Волны морей и океанов довершают работу по разрушению и сортировке минералов, накопившихся в прибрежной зоне. Под их влиянием происходит концентрирование тяжелых минералов, отчего пески пляжей приобретают темную окраску. Так на пляжах формируются монацитовые россыпи – «чёрные пески».
Физические и химические свойства
Торий – серебристо-белый блестящий металл, пластичный, легко подвергающийся механической обработке (легко деформируется на холоду), стойкий к окислению в чистом виде, но обычно медленно тускнеющий до темного цвета с течением времени. Образцы металлического тория с содержанием оксида тория 1,5—2% очень устойчивы к окислению и долгое время не тускнеют. До 1400° С устойчива кубическая гранецентрированная решетка, а=0,5086 нм, выше этой температуры кубическая объемно- центрированная, а=0,41 нм. Атомный диаметр тория в α-форме 0,359 нм, в β-форме 0,411 нм.
Основные свойства тория: плотность: 11.724 г/см 3 , температура плавления: 1750° C; температура кипения: 4200° C. Теплота плавления 4,6 ккал/моль, теплота испарения 130-150 ккал/моль, атомная теплоёмкость 6,53 кал/г-ат.град, теплопроводность 0,090 (20° ) кал/см.сек.град, удельное электросопротивление 15*10 -6 ом.см. При температуре 1,3-1,4 К торий становится сверхпроводником.
Торий медленно разрушается холодной водой, но в горячей воде скорость коррозии тория и сплавов на его основе в сотни раз выше, чем у алюминия. Порошок металлического тория пирофорен (поэтому его хранят под слоем керосина). При нагреве в воздухе он загорается и горит ярким белым светом. Чистый торий - мягкий, очень гибкий и ковкий, с ним можно работать непосредственно (холодный прокат, горячая штамповка и т.п.), однако его протяжка затруднительна из-за низкого предела прочности на разрыв. Содержание оксида сильно затрагивает механические свойства тория; даже чистые образцы тория обычно содержат несколько десятых процента оксида тория. При сильном нагреве он взаимодействует с водородом, галогенами, серой, азотом, кремнием, алюминием и рядом других элементов. Интересным свойством металлического тория является растворимость в нем водорода, возрастающая с понижением температуры. Он плохо растворяется в основных кислотах, за исключением соляной. Он малорастворим в серной и азотной кислотах. Металлический торий растворим в концентрированных растворах НС1 (6—12 моль/л) и HNO 3 (8—16 моль/л) в присутствии иона фтора.
По химическим свойствам торий, с одной стороны, является аналогом церия, а с другой — циркония и гафния. Торий способен проявлять степени окисления +4, +3 и +2, из которых наиболее устойчивой является +4.
Торий по внешнему виду и температуре плавления напоминает платину, по удельному весу и твердости - свинец. В химическом отношении у тория мало сходства с актинием (хотя его и относят к актинидам), но много сходства с церием и другими элементам второй подгруппы IV группы. Лишь по структуре электронной оболочки атома - он равноправный член семейства актинидов.
Хотя торий относится к семейству актинидов, по некоторым свойствам он близок также ко второй подгруппе IV группы периодической системы – Ti, Zr, Hf. Сходство тория с редкоземельными элементами связано с близостью величин их ионных радиусов, которые для всех этих элементов находятся в пределах 0.99 - 1.22 А. В соединениях ионного или ковалентного типа торий почти исключительно четырехвалентен.
ТhO2 – основной оксид тория (структура флюорита) получается при сжигании тория на воздухе. Прокаленная ThO2 почти не растворяется в растворах кислот и щелочей; процесс растворения в азотной кислоте резко ускоряется при добавлении незначительных количеств ионов фтора. Окись тория является довольно тугоплавкой субстанцией - ее температура плавления 3300°С - самая высокая из всех оксидов и выше большинства других материалов, за несколькими исключениями. Это свойство когда-то рассматривалось для основного коммерческого использования тория как огнеупорной керамики - в основном в керамических деталях, огнеупорных литьевых формах и тиглях. Но, выдерживая высочайшие температуры, окись тория частично растворяется во многих жидких металлах и загрязняет их. Самое широкое применение окиси было в производстве газокалильных сеток для газовых фонарей.
Производство тория
Торий получают переработкой монацитового песка, который перемешан с кварцевым, цирконовым, рутиловым... Поэтому первая стадия производства тория – получение чистого монацитового концентрата. Для отделения монацита используют разные способы и приспособления. Первоначально грубо отделяют его на дезинтеграторах и концентрационных столах, используя разницу в плотности минералов и их смачиваемости различными жидкостями. Тонкого разделения достигают путем электромагнитной и электростатической сепарации. Полученный таким образом концентрат содержит 95...98% монацита.
Отделение тория чрезвычайно затруднено, поскольку монацит содержит элементы, по свойствам близкие к торию, – редкоземельные металлы, уран... Из многочисленных методов вскрытия монацитовых концентратов промышленное значение имеют лишь два:
1) Обработка крепкой серной кислотой при 200° С
2) Обработка тонокоизмельчённого концентрата 45%-ным раствором NaOH при 140° С.
Отделение урана и тория от редких земель происходит на следующей стадии. Сейчас для этого в основном используют процессы экстракции. Чаще всего из водных растворов торий и уран экстрагируют несмешивающимся с водой трибутилфосфатом. Разделение урана и тория происходит на стадии избирательной реэкстракции. При определенных условиях торий из органического растворителя перетягивается в водный раствор азотной кислоты, а уран остается в органической фазе. После того как торий отделен, нужно превратить его соединения в металл. Распространены два способа: восстановление двуокиси ThO 2 или тетрафторида ThF 4 металлическим кальцием и электролиз расплавленных галогенидов тория. Обычно продуктом этих превращений бывает ториевый порошок, который затем спекают в вакууме при 1100...1350°C.
Многочисленные сложности ториевого производства усугубляются необходимостью надежной радиационной защиты.
Применение тория
Сейчас торий используется для легирования некоторых сплавов. Торий заметно повышает прочность и жаростойкость сплавов на железной, никелевой, кобальтовой, медной, магниевой или алюминиевой основе. Большое значение имеют многокомпонентные сплавы на магниевой основе, содержащие торий, а также Zn, Zr, и Mn; сплавы отличаются небольшим удельным весом, хорошей прочностью, высокой стойкостью при повышенных температурах. Эти сплавы применяют для деталей реактивных двигателей, управляемых снарядов, электронной и радарной аппаратуры.
В XIX веке двуокись ThO2 применяли в производстве газокалильных сеток - газовое освещение было распространено больше, чем электрическое. Изобретенные австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом колпачки из окислов церия и тория увеличивали яркость и преобразовывали спектр пламени газовых рожков – свет их становился ярче, ровнее. Из двуокиси тория – соединения весьма тугоплавкого – пробовали делать и тигли для выплавки редких металлов. Но, выдерживая высочайшие температуры, это вещество частично растворялось во многих жидких металлах и загрязняло их. Потому тигли из ThO 2 широкого распространения не получили.
Торий применяется как катализатор - в процессах органического синтеза, крекинга нефти, при синтезе жидкого топлива из каменного угля, гидрирования углеводородов, а так же в реакциях окисления NH 3 до HNO 3 и SO 2 до SO 3 .
В связи со сравнительно малой работой выхода электрона и высокой электронной эмиссией торий применяют как электродный материал для некоторых типов электронных ламп. Торий используется так же как геттер в электронной промышленности.
Важнейшей областью применения тория является ядерная техника. В ряде стран построены атомные реакторы в которых в качестве топлива используется металлический торий, карбид тория, Th 3 Bi 5 и др., часто в смеси с ураном и его соединениями.
Как уже упоминалось, торий-232 не способен делиться тепловыми нейтронами. Тем не менее торий является источником вторичного ядерного горючего (233U), получаемого по ядерной реакции на тепловых нейтронах.
U - отличное ядерное горючее, поддерживающее цепное деление и имеющее некоторое преимущество перед 235U: при делении его ядра выделяется больше нейтронов. Каждый нейтрон, поглощенный ядром 239Pu или 235U, дает 2.03 - 2.08 новых нейтронов, а 233U - намного больше - 2.37. С точки зрения ядерной индустрии, преимущество тория перед ураном заключается в высокой температуре плавления, в отсутствии фазовых превращений до 1400° С, в высокой механической прочности и радиационной устойчивости металлического тория и ряда его соединений (оксида, карбида, фторида). 233U отличается высоким значением коэффициента воспроизводства тепловых нейтронов, обеспечивающим высокую степень их использования в ядерных реакторах. К недостаткам тория относится необходимость добавления к нему делящихся материалов для осуществления ядерной реакции.
Применение тория в качестве ядерного горючего затруднено прежде всего тем, что в побочных реакциях образуются изотопы с высокой активностью. Главный из таких загрязнителей 232U - α- и γ-излучатель с периодом полураспада 73.6 года. Его использованию препятствует и то обстоятельство, что торий дороже урана, поскольку уран легче выделить из смеси с другими элементами. Некоторые урановые минералы (уранит, урановая смолка) - это простые оксиды урана. У тория таких простых минералов (имеющих промышленное значение) нет. А попутное выделение из редкоземельных минералов осложнено сходством тория с элементами семейства лантана.
Главная проблема получения делящегося материала из тория состоит в том, что он изначально не присутствует в реальном реакторном топливе, в отличие от 238U. Для использования ториевого воспроизводства высокообогащенный делящийся материал (235U, 233U, 239Pu) должен использоваться в качестве топлива реактора с включениями тория только для возможности воспроизводства (т.е. не происходит или происходит незначительное выделение энергии, хотя сгорание 233U, полученного на месте, может внести вклад в выделение энергии). С другой стороны, тепловые бридерные реакторы (на медленных нейтронах) способны использовать 233U/торий цикл воспроизводства, особенно если в качестве замедлителя использовать тяжелую воду. Тем не менее о торцевой ядерной энергетике следует думать всерьез. Запасы этого элемента только в редкоземельных рудах втрое превышают все мировые запасы урана. Это неминуемо приведет к увеличению роли ториевого ядерного горючего в энергетике будущего.
Физиологические свойства тория
Как ни странно, поступление тория в желудочно-кишечный тракт (тяжелый металл, к тому же радиоактивный!) не вызывает отравления. Объясняется это тем, что в желудке – кислая среда, и в этих условиях соединения тория гидролизуются. Конечный продукт – нерастворимая гидроокись тория, которая выводится из организма. Острое отравление способна вызвать лишь нереальная доза в 100 г тория...
Чрезвычайно опасно попадание тория в кровь. В этом, к сожалению, люди убедились не сразу. В 20...30 годах при заболеваниях печени и селезенки для диагностических целей применяли препарат «торотраст», включавший окись тория. Врачи, уверенные в нетоксичности ториевых препаратов, прописывали торотраст тысячам пациентов. И тут начались неприятности. Несколько человек погибли от заболевания кроветворной системы, у некоторых возникли специфические опухоли. Оказалось, что, попадая в кровь в результате инъекций, торий осаждает протеин и тем способствует закупорке капилляров. Отлагаясь в костях близ кроветворных тканей, природный торий-232 становится источником гораздо более опасных для организма изотопов – мезотория, тория-228, торона. Естественно, что торотраст был спешно изъят из употребления.
При работе с торием и его соединениями возможно поступление в организм как самого тория, так и его дочерних продуктов. Наиболее вероятным путем проникновения аэрозольных частиц или газообразного продукта являются органы дыхания. Торий может поступать в организм также через ЖКТ и кожу, особенно поврежденную, имеющую мелкие ссадины, царапины. Соли тория, попадая в организм, подвергаются гидролизу с образованием труднорастворимого выпадающего в осадок гидроксида. Торий может существовать в ионной форме в исключительно низких концентрациях, в большинстве случаев он находится в виде агрегатов молекул (коллоид). Торий образует прочные комплексы с белками, аминокислотами и органическими кислотами. Очень мелкие частицы тория могут адсорбироваться на поверхности клеток мягких тканей.
При поступлении тория через органы дыхания в выдыхаемом воздухе определяется торон. Поведение его в организме существенно отличается от других продуктов распада. При вдыхании он смешивается с легочным воздухом, диффундирует из легких в ток крови со скоростью около 20 % в мин и разносится по организму. Тб торона из крови составляет 4,5 мин
При внутривенном введении торотраста непосредственная реакция организма заключается в быстро проходящей лихорадке, тошноте, кратковременной анемии, лейкопении или лейкоцитозе. Описаны деструктивные изменения кожи после терапевтического применения Т. Так, длительное использование обычных терапевтических доз Т. вызывает необратимые дегенеративно-атрофические изменения кожи с нарушением эпидермиса, подкожной ткани и кожных капилляров. В тяжелых случаях наблюдаются пузыри на коже с последующей некротизацией и образованием желтых твердых корочек. При лечении кожных поражений у больных через 4 года после терапевтического применения 324Th наступает атрофия кожи.
Определение содержания тория в организме проводят измерением α-, γ-излучения в выдыхаемом воздухе (тороне), а также в крови, выделениях, промывных водах, рвотных массах; в воздухе — контролируют по уровню γ-излучения.
Меры профилактики: предупреждение поступления в воздух аэрозолей и газообразных продуктов распада тория, механизация и герметизация всех производственных процессов. При работе с изотопами тория необходимо соблюдать санитарные правила и нормы радиационной безопасности с применением специальных мер защиты в соответствии с классом работ. Неотложная помощь. Дезактивация рук и лица водой с мылом или 2—3 % раствором порошка «Новость». Промывание полости рта и носоглотки. Внутрь противоядие от тяжелых металлов (аntidotum metallorum 50,0 г) или активированный уголь. Рвотные средства (апоморфин 1 % — 0,5 мл подкожно) или промывание желудка водой. Солевые слабительные, очистительные клизмы. Мочегонные (гипотиазид 0,2 г, фонурит 0,25). При ингаляционном поражении (пыль, аэрозоль) —
внутрь отхаркивающие (термопсис с содой, терпингидрат). Внутривенно 10 мл 5 % раствора пентацина.
