Izotop tória 232. Čo je to tórium? Vlastnosti, extrakcia, aplikácia a cena tória
1 gram na 28 000 litrov. Toto je pomer spotreby paliva v motoroch automobilov, ak nahradíte obvyklé palivo tóriom.
Hovoríme o 232. izotope. Má najdlhší polčas rozpadu. 8 gramov tória stačí na udržanie motora v nepretržitom chode po dobu 100 rokov.
Zásoby nového paliva sú 3-krát väčšie ako v zemskej kôre. Špecialisti Laser Power Systems už začali s vývojom nového motora.
americká spoločnosť. Činnosť motora bude pripomínať cyklus štandardnej elektrárne. Háčikom bol vývoj vhodného lasera.
Jeho úlohou je ohrievať vodu, ktorej para poháňa miniturbíny. Zatiaľ čo vedci pracujú na procese, dozvieme sa viac o palive 21. storočia a v budúcnosti aj celého tisícročia.
Čo je tórium?
Kovové tórium patrí medzi aktinidy. Táto rodina zahŕňa rádioaktívne. Všetci sa nachádzajú v 3. skupine 7. tretiny tabuľky.
Čísla aktinidov sú od 90 do 103. Tórium je prvé. Bol objavený ako prvý, v rovnakom čase ako urán.
Vo svojej čistej podobe bol hrdina vybraný v roku 1882 Larsom Nilssonom. Rádioaktivita prvku nebola okamžite objavená.
Preto, tória dlho nevzbudzoval záujem verejnosti. Rozpad tória preukázané až v roku 1907.
Od roku 1907 izotopy tória otvorili jeden po druhom. Do roku 2017 existuje 30 modifikácií kovu. Prijatých bolo 9 z nich.
232. je najstabilnejšia. Polčas rozpadu tória v tejto forme trvá 1,4 * 10 10 rokov. Preto je 232. izotop všadeprítomný a v zemskej kôre zaberá podiel 8 * 10 -4 %.
Zvyšné izotopy sa uchovávajú niekoľko rokov, a preto nemajú praktický význam a v prírode sa vyskytujú len zriedka. Pravda, tórium 229 sa rozpadne za 7 340 rokov. Ale tento izotop bol „odvodený“ umelo.
Tórium nemá úplne stabilné izotopy. Vo svojej čistej forme prvok vyzerá ako -, plast.
Vďaka tomu je minerál thorit taký mäkký. ľahko rezať. Minerál študoval Jens Berzenlius.
Švédsky chemik bol schopný identifikovať neznáme v zložení kameňa, ale nedokázal to izolovať, čím dal vavríny Nilssonovi.
Vlastnosti tória
Tórium - prvok, ktorého špecifická rádioaktivita je 0,109 mikrocurie na gram. Napríklad pre urán 238 je toto číslo takmer 3-krát vyššie.
V súlade s tým je tórium slabo rádioaktívne. Mimochodom, niekoľko izotopov tória je dôsledkom rozpadu uránu. Hovoríme o 230., 231., 234. a 235. modifikácii 90. prvku.
Rozpad hrdinu článku je sprevádzaný uvoľňovaním radónu. Tento plyn sa nazýva aj thoron. Druhé meno sa však bežne nepoužíva.
Radón je nebezpečný pri vdýchnutí. Mikrodávky sú však obsiahnuté v minerálnych vodách a pôsobia priaznivo na organizmus.
Dôležitá je cesta, ktorou thoron vstupuje do tela. Môžete ho piť, absorbovať, áno, ale nevdychovať ho.
Z hľadiska kryštálovej mriežky rádioaktívne tórium sa objavuje len v dvoch formách. Do 1 400 stupňov je štruktúra kovu orientovaná na tvár.
Jeho základom sú objemové kocky pozostávajúce zo 14 atómov. Niektoré z nich stoja v rohoch postavy. Zvyšné atómy sú umiestnené v strede každého z nich.
Pri zahriatí nad 1400 stupňov Celzia sa kryštálová mriežka tória vycentruje na telo.
„Balenie“ takýchto kociek je menej husté. Už mäkké tórium sa stáva ešte drobivejším.
Tórium – chemické prvok klasifikovaný ako paramagnetický. V súlade s tým je magnetická permeabilita kovu minimálna, takmer jednotná.
Látky skupiny sa vyznačujú aj schopnosťou magnetizovať sa v smere vonkajšieho poľa.
Molárna tepelná kapacita tória je 27,3 kilojoulov. Indikátor udáva tepelnú kapacitu jedného mólu látky, odtiaľ názov.
Je ťažké pokračovať v zozname, pretože väčšina vlastností 90. kovu závisí od stupňa jeho kontaminácie.
Pevnosť v ťahu prvku sa teda pohybuje od 150 do 290 meganewtonov na meter štvorcový.
Tórium je tiež nestabilné. Pre kov dávajú od 450 do 700 kilogramov sily.
Tórium, ktoré stojí na začiatku svojej skupiny, prevzalo niektoré vlastnosti z prvkov, ktoré mu predchádzali. Takže hrdina článku sa vyznačuje 4. stupňom oxidácie.
Aby tórium rýchlo oxidovalo na vzduchu, musíte teplotu zvýšiť na 400 stupňov. Kov bude okamžite pokrytý filmom oxidu.
Duet tória s kyslíkom je mimochodom najodolnejší zo zemských oxidov, zmäkčuje až pri 3 200 stupňoch Celzia.
Súčasne je zlúčenina aj chemicky stabilná. Čistý kov reaguje s.
akýkoľvek rádioaktívny izotop tória interaguje s ním aj pri izbovej teplote.
Ďalšie reakcie s hrdinom článku prebiehajú pri zvýšených teplotách. Pri 200 stupňoch nastáva reakcia s.
Vznikajú práškové hydridy. Nitridy vznikajú pri zahrievaní tória v atmosfére.
Vyžaduje sa teplota 800 stupňov Celzia. Najprv však musíte získať činidlo. Poďme zistiť, ako to robia.
Ťažba tória a ložiská
350 000 000 dolárov. Približne rovnaká suma sa ročne vyčlení na rozvoj energie tória. V krajine je veľa ložísk 232. izotopu.
To je alarmujúce, pretože hrozí, že stratí svoje vedúce postavenie v palive, ak sa prvok 90 stane hlavným zdrojom energie na svete.
V krajine sú rezervy. Milióny ton kovu sa napríklad nachádzajú neďaleko Novokuznecka.
Treba si však obhájiť prednostné právo využívať tórium a boj o ne je na svete. Každý chápe, čo je budúcnosť.
Typicky sa tórium nachádza vo forme lesklého piesku. Ide o minerál monazit. Jeho pláže sú často súčasťou rekreačných oblastí.
Napríklad na pobreží Azovského mora stojí za to myslieť nielen na slnečné žiarenie, ale aj na to, ktoré prichádza zo zeme. Žilné tórium sa nachádza iba v Južnej Afrike. Tamojšie ložiská rudy sa nazývajú Steenkasmkraal.
Ak získavate tórium z rúd, je jednoduchšie získať prvok spolu s. Zostáva zistiť, kde by mohlo byť tórium užitočné, okrem automobilových motorov budúcnosti.
Aplikácie tória
Pretože jadro tória neudržateľné, prirodzené využitie prvku v jadrovej energetike. Pre jeho potreby sa nakupuje fluorid a oxid tóriitý.
Pamätáte si teplotu, ktorú 90-stupňový oxid kovu dokáže vydržať? Iba takáto zlúčenina bude fungovať v reaktoroch s roztavenou soľou.
Oxid tória je užitočný aj v leteckom priemysle. Tam slúži ako posilňovač 90-stupňový kov. Služba tória sa nachádza aj v tele.
S jedlom sa denne skonzumujú asi 3 miligramy rádioaktívneho prvku. Podieľa sa na regulácii systémových procesov a je absorbovaný hlavne pečeňou.
Hutníci kupujú aj tórium, ale nie na potraviny. Ako prísada sa používa čistý kov, teda prísada, ktorá zlepšuje kvalitu najmä horčíka. S ligatúrou sa stávajú tepelne odolné a majú lepšiu odolnosť proti roztrhnutiu.
Na záver doplníme informácie o novom motore auta. Tórium v ňom nie je jadrové palivo, ale iba surovina preň.
Samotný prvok 90 nie je schopný poskytnúť energiu. Neutrónové prostredie a vodný reaktor všetko menia.
Pomocou nich sa tórium premieňa na urán 233. Toto je efektívne palivo. Koľko za to platia suroviny? Skúsme to zistiť.
Cena tória
Cena tória sa líši medzi čistým kovom a jeho zlúčeninami. Toto je bežná fráza z . Medzi detaily - len cenovka za kilo oxidu tória je približne 7 500.
Tu sa otvorené žiadosti končia. Predajcovia žiadajú upresniť cenu, keďže predávajú rádioaktívny prvok.
Na internete nie sú žiadne ponuky čistého tória a neexistujú žiadne údaje o na gram kovu. Medzitým záujemcov o nový typ automobilového paliva prenasleduje otázka, rovnako ako ich prenasleduje, či požiadavky na 90. prvok poskočia, ak bude široko používaný.
Spočiatku, s cieľom vytlačiť benzínové motory z trhu, bude tórium čo najziskovejšie. Čo sa však stane potom, keď návrat do minulosti už nebude pravdepodobný?
Otázok je veľa. Je tu však málo špecifík, ako pri všetkom novom, neznámom, čo v prvých dňoch pôsobí ako dobrodružstvo.
Hoci prvé verzie tóriového motora sú už pripravené. Vážia okolo 200 kilogramov. Takéto zariadenie sa dá ľahko umiestniť pod kapotu strednej veľkosti.
232 Pa (β+)
236U()
Spolu s ďalšími prirodzene sa vyskytujúcimi izotopmi tória sa tórium-232 objavuje v nepatrných množstvách v dôsledku rozpadu izotopov uránu.
Vznik a rozpad
Tórium-232 sa tvorí v dôsledku nasledujúcich rozpadov:
Rozpad tória-232 prebieha v týchto smeroch:
energia emitovaných α-častíc je 3 947,2 keV (v 21,7 % prípadov) a 4 012,3 keV (v 78,2 % prípadov).
Aplikácia
pozri tiež
Napíšte recenziu na článok "Thorium-232"
Poznámky
- G. Audi, A.H. Wapstra a C. Thibault (2003). "". Jadrová fyzika A 729 : 337-676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. Bibcode:.
- G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot a A. H. Wapstra (2003). "". Jadrová fyzika A 729 : 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bibcode:.
- Rutherford Appleton Laboratory. . . (Angličtina) (Stiahnuté 4. marca 2010)
- Svetová jadrová asociácia. . . (Angličtina) (Stiahnuté 4. marca 2010)
- (2004) "". Príroda 17 : 117–120. (Angličtina) (Stiahnuté 4. marca 2010)
Úryvok charakterizujúci Thorium-232
"Toto sú Božie stroje," povedal princ Andrei. "Vzali nás za otca." A toto je jediná vec, v ktorej ho neposlúcha: nariadi, aby týchto tulákov odohnali, a ona ich prijme.- Čo je Boží ľud? - spýtal sa Pierre.
Princ Andrei mu nestihol odpovedať. Sluhovia mu vyšli v ústrety a on sa spýtal, kde je starý princ a či ho čoskoro čakajú.
Starý princ bol stále v meste a každú minútu ho čakali.
Princ Andrei priviedol Pierra k svojej polovici, ktorá naňho vždy čakala v dokonalom poriadku v dome jeho otca, a sám išiel do škôlky.
"Poďme k mojej sestre," povedal princ Andrei a vrátil sa k Pierrovi; - Ešte som ju nevidel, teraz sa skrýva a sedí so svojím Božím ľudom. Slúži jej právo, bude v rozpakoch a uvidíš Boží ľud. C "est curieux, ma parole." [To je zvláštne, úprimne.]
– Qu"est ce que c"est que [Čo je to] Boží ľud? - spýtal sa Pierre
- Ale uvidíš.
Princezná Marya bola naozaj v rozpakoch a keď k nej prišli, miestami očervenela. V jej útulnej izbe s lampami pred skrinkami na ikony, na pohovke, pri samovare sedel vedľa nej mladý chlapec s dlhým nosom a dlhými vlasmi v kláštornom rúchu.
Na neďalekom kresle sedela vráskavá chudá stará žena s pokorným výrazom v detskej tvári.
"Andre, pourquoi ne pas m"avoir prevenu? [Andrei, prečo si ma nevaroval?]," povedala s pokornou výčitkou a stála pred svojimi tulákmi ako sliepka pred svojimi sliepkami.
– Charmee de vous voir. Je suis tres contente de vous voir, [Veľmi rád ťa vidím. Som taká rada, že ťa vidím,“ povedala Pierrovi a on jej pobozkal ruku. Poznala ho ako dieťa a teraz si ho obľúbilo priateľstvo s Andrejom, nešťastie s manželkou a hlavne milá, jednoduchá tvár. Pozrela sa naňho svojimi krásnymi žiarivými očami a zdalo sa, že hovorí: „Veľmi ťa milujem, ale nesmej sa mi, prosím. Po výmene prvých pozdravných fráz si sadli.
"Och, a Ivanuška je tu," povedal princ Andrei a s úsmevom ukázal na mladého tuláka.
— Andre! - povedala princezná Marya prosebne.
"Il faut que vous sachiez que c"est une femme, [Vedz, že toto je žena," povedal Andrei Pierrovi.
– Andre, au nom de Dieu! [Andrey, preboha!] – opakovala princezná Marya.
Bolo jasné, že posmešný postoj princa Andreja k tulákom a zbytočné prihováranie sa princeznej Márie v ich mene boli medzi nimi dôverne známe a ustálené vzťahy.
"Mais, ma bonne amie," povedal princ Andrei, "vous devriez au contraire m"etre reconaissante de ce que j"explique a Pierre votre intímne avec ce jeune homme... [Ale, priateľu, mal by si mi byť vďačný že vysvetlím Pierrovi vašu blízkosť k tomuto mladému mužovi.]
- Vraiment? [Naozaj?] - povedal Pierre zvedavo a vážne (za čo mu bola princezná Marya obzvlášť vďačná), keď sa cez okuliare pozrel do tváre Ivanushky, ktorá si uvedomila, že hovoria o ňom, a pozrela sa na všetkých prefíkanými očami.
Princezná Marya sa úplne márne hanbila za vlastný ľud. Neboli vôbec bojazliví. Stará žena so sklopenými očami, no pozerajúc sa bokom na tých, čo vstúpili, prevrátila šálku hore dnom na tanierik a položila k nej odhryznutý kúsok cukru, pokojne a nehybne sedela na stoličke a čakala, kým jej ponúknu ďalší čaj. . Ivanuška, popíjajúci z tanierika, hľadel na mladých ľudí spod obočia prefíkanými, ženskými očami.
– Kde si bol v Kyjeve? – spýtal sa princ Andrey starej ženy.
"Bolo to, otče," odpovedala slušne stará žena, "v samých Vianociach som mala česť so svätými oznámiť sväté, nebeské tajomstvá." A teraz od Koljazina, otca, sa otvorila veľká milosť...
- Dobre, Ivanuška je s tebou?
"Idem sám, živiteľ rodiny," povedala Ivanuška a snažila sa prehovoriť hlbokým hlasom. - Len v Juchnove sme si s Pelageyushkou rozumeli...
Pelagia prerušila svojho druha; Očividne chcela povedať, čo videla.
- V Kolyazine, otče, bola odhalená veľká milosť.
- No, sú tie relikvie nové? - spýtal sa princ Andrej.
"To stačí, Andrey," povedala princezná Marya. - Nehovor mi, Pelageyushka.
"Nie...čo to hovoríš, mami, prečo mi to nepovieš?" Milujem ho. Je milý, Bohom priaznivo naklonený, on, dobrodinec, mi dal ruble, pamätám si. Ako som bol v Kyjeve a svätý blázon Kiryusha mi povedal – skutočný Boží muž, v zime aj v lete chodí bosý. Prečo kráčaš, hovorí, nie na svojom mieste, choď do Koljazinu, je tam zázračná ikona, zjavila sa Matka Najsvätejšej Bohorodičky. Z týchto slov som sa rozlúčil so svätými a odišiel...
Všetci mlčali, jeden tulák hovoril odmeraným hlasom a nasával vzduch.
„Otče, ľudia prišli a povedali mi: Zjavila sa veľká milosť, Matke Presvätej Bohorodičky kvapká myrha z líca...
"Dobre, dobre, povieš mi to neskôr," povedala princezná Marya a začervenala sa.
„Spýtam sa jej,“ povedal Pierre. -Videli ste to sami? - spýtal sa.
V roku 1815 oznámil známy švédsky chemik Jens Jakob Berzelius objav nového prvku, ktorý pomenoval thorium na počesť Thora, boha hromu a syna najvyššieho škandinávskeho boha Odina. V roku 1825 sa však zistilo, že tento objav bol omylom. Napriek tomu bol názov užitočný - Berzelius ho dal novému prvku, ktorý objavil v roku 1828 v jednom z nórskych minerálov (teraz sa tento minerál nazýva thorit). Tento prvok môže mať pred sebou veľkú budúcnosť, kde bude môcť v jadrovej energetike zohrať úlohu, ktorá nie je podradná vo význame hlavnému jadrovému palivu – uránu.
| Výhody a nevýhody | |
| + | Na Zemi je niekoľkonásobne viac tória ako uránu |
| + | Nie je potrebné oddeľovať izotopy |
| + | Rádioaktívna kontaminácia pri ťažbe tória je výrazne nižšia (v dôsledku kratšieho radónu) |
| + | Môže využívať existujúce tepelné reaktory |
| + | Tórium má lepšie termomechanické vlastnosti ako urán |
| + | Tórium je menej toxické ako urán |
| + | Pri použití tória sa nevytvárajú minoritné aktinidy (rádioaktívne izotopy s dlhou životnosťou). |
| - | Počas ožarovania tória sa vytvárajú izotopy emitujúce gama, čo spôsobuje ťažkosti pri prepracovaní paliva |
Vzdialení príbuzní bomby
Jadrová energia, do ktorej sa teraz vkladá toľko nádejí, je vedľajšou vetvou vojenských programov, ktorých hlavnými cieľmi bolo vytvorenie atómových zbraní (a o niečo neskôr aj reaktorov pre ponorky). Ako jadrový materiál na výrobu bômb si človek mohol vybrať z troch možných možností: urán-235, plutónium-239 alebo urán-233.
Takto vyzerá tóriový jadrový cyklus, ktorý ilustruje premenu tória na vysoko účinné jadrové palivo – urán-233.
Urán-235 sa nachádza v prírodnom uráne vo veľmi malých množstvách – len 0,7 % (zvyšných 99,3 % je izotop 238) a musí sa izolovať, čo je nákladný a zložitý proces. Plutónium-239 v prírode neexistuje; musí sa vyrobiť ožiarením uránu-238 neutrónmi v reaktore a následným oddelením od ožiareného uránu. Rovnakým spôsobom možno urán-233 získať ožiarením tória-232 neutrónmi.
V 60. rokoch sa plánovalo uzavretie jadrového cyklu pre urán a plutónium s použitím približne 50 % jadrových elektrární využívajúcich tepelné reaktory a 50 % využívajúcich rýchle reaktory. Vývoj rýchlych reaktorov však spôsobil ťažkosti, takže v súčasnosti je v prevádzke iba jeden takýto reaktor - BN-600 v Belojarskej JE (a ďalší bol postavený - BN-800). Z tóriových termických reaktorov a približne 10 % rýchlych reaktorov teda možno vytvoriť vyvážený systém, ktorý doplní chýbajúce palivo pre tepelné.
Prvé dve metódy boli implementované v 40. rokoch 20. storočia, no fyzici sa rozhodli nezaťažovať tretiu. Faktom je, že v procese ožarovania tória-232 vzniká okrem užitočného uránu-233 aj škodlivá prímes - urán-232 s polčasom rozpadu 74 rokov, ktorého rozpadový reťazec vedie k tzv. vzhľad tália-208. Tento izotop vyžaruje vysokoenergetické (tvrdé) gama žiarenie, ktoré si vyžaduje ochranu pred hrubými olovenými platňami. Tvrdé gama žiarenie navyše znemožňuje riadiace elektronické obvody, bez ktorých sa pri konštrukcii zbraní nemožno zaobísť.
Cyklus tória
Na tórium sa však úplne nezabudlo. Ešte v 40-tych rokoch Enrico Fermi navrhol výrobu plutónia v rýchlych neutrónových reaktoroch (účinnejších ako tepelné), čo viedlo k vytvoreniu reaktorov EBR-1 a EBR-2. V týchto reaktoroch je urán-235 alebo plutónium-239 zdrojom neutrónov, ktoré premieňajú urán-238 na plutónium-239. V tomto prípade sa môže vytvoriť viac plutónia, ako sa „spáli“ (1,3-1,4 krát), preto sa takéto reaktory nazývajú „množiteľské“.
Ďalšia vedecká skupina vedená Eugenom Wignerom navrhla vlastný návrh množivého reaktora, ale nie s rýchlymi neutrónmi, ale s tepelnými neutrónmi, s tóriom-232 ako ožiareným materiálom. Miera reprodukcie sa znížila, ale dizajn bol bezpečnejší. Bol tu však jeden problém. Tóriový palivový cyklus vyzerá takto. Absorbovaním neutrónu sa tórium-232 premení na tórium-233, ktoré sa rýchlo zmení na protaktínium-233 a spontánne sa rozpadne na urán-233 s polčasom rozpadu 27 dní. A počas tohto mesiaca bude protaktínium pohlcovať neutróny a zasahovať do výrobného procesu. Na vyriešenie tohto problému by bolo dobré odstrániť protaktínium z reaktora, ale ako to urobiť? Neustále nakladanie a vykladanie paliva totiž znižuje prevádzkovú efektivitu takmer na nulu. Wigner navrhol veľmi dômyselné riešenie – reaktor s kvapalným palivom vo forme vodného roztoku uránových solí. V roku 1952 bol v Oak Ridge National Laboratory pod vedením Wignerovho študenta Alvina Weinberga postavený prototyp takéhoto reaktora, Homogeneous Reactor Experiment (HRE-1). A čoskoro sa objavil ešte zaujímavejší koncept, ideálny pre prácu s tóriom: reaktor s roztavenou soľou, experiment s reaktorom s roztavenou soľou. Palivo vo forme fluoridu uránu bolo rozpustené v tavenine fluoridov lítia, berýlia a zirkónia. MSRE fungovalo v rokoch 1965 až 1969 a hoci sa tam nepoužívalo tórium, samotná koncepcia sa ukázala ako celkom uskutočniteľná: použitie kvapalného paliva zvyšuje efektivitu prevádzky a umožňuje odstraňovať škodlivé produkty rozpadu z aktívnej zóny.
Reaktor s tekutou soľou umožňuje oveľa flexibilnejšie riadenie palivového cyklu ako bežné tepelné elektrárne a využíva palivo s najväčšou účinnosťou, pričom odstraňuje škodlivé produkty rozpadu z aktívnej zóny a podľa potreby pridáva nové palivo.
Cesta najmenšieho odporu
Napriek tomu sa reaktory s roztavenou soľou (MSR) nerozšírili, pretože konvenčné tepelné reaktory využívajúce urán sa ukázali byť lacnejšie. Svetový priemysel jadrovej energetiky zvolil najjednoduchšiu a najlacnejšiu cestu, pričom ako základ použil osvedčené tlakovodné reaktory (VVER), potomkov reaktorov navrhnutých pre ponorky, ako aj reaktory s vriacou vodou chladenou vodou. Reaktory moderované grafitom, ako je RBMK, predstavujú ďalšiu vetvu rodokmeňa – pochádzajú z reaktorov na výrobu plutónia. „Hlavným palivom pre tieto reaktory je urán-235, ale jeho zásoby, aj keď dosť značné, sú predsa len obmedzené,“ vysvetľuje pre Popular Mechanics Stanislav Subbotin, vedúci oddelenia systematického strategického výskumu Výskumného centra Kurčatovho inštitútu. — O tejto problematike sa začalo uvažovať už v 60. rokoch 20. storočia a vtedy sa za plánované riešenie tohto problému považovalo zavedenie odpadového uránu-238 do jadrového palivového cyklu, ktorého zásoby sú takmer 200-krát väčšie. Na tento účel sa plánovalo postaviť mnoho reaktorov s rýchlymi neutrónmi, ktoré by produkovali plutónium s faktorom rozmnožovania 1,3-1,4, aby sa prebytok mohol použiť na napájanie tepelných reaktorov. Rýchly reaktor BN-600 bol spustený v Belojarskej JE - aj keď nie v množiteľskom režime. Nedávno tam bola postavená ďalšia - BN-800. Ale na vybudovanie efektívneho jadrového energetického ekosystému je potrebných približne 50 % takýchto reaktorov.“
Všetky rádioaktívne izotopy, ktoré sa prirodzene vyskytujú v prírode, patria do jednej z troch rodín (rádioaktívne série). Každý takýto rad je reťazec jadier spojených postupným rádioaktívnym rozpadom. Predkami rádioaktívnej série sú izotopy s dlhou životnosťou urán-238 (polčas rozpadu 4,47 miliardy rokov), urán-235 (704 miliónov rokov) a tórium-232 (14,1 miliardy rokov). Reťazce končia stabilnými izotopmi olova. Existuje ďalšia séria začínajúca neptúniom-237, ale jeho polčas rozpadu je príliš krátky - iba 2,14 milióna rokov - takže sa v prírode nevyskytuje.
Mocné tórium
Tu vstupuje do hry tórium. „Thorium sa často nazýva alternatívou k uránu-235, ale to je úplne nesprávne,“ hovorí Stanislav Subbotin. — Samotné tórium, podobne ako urán-238, vôbec nie je jadrové palivo. Jeho umiestnením do neutrónového poľa v najbežnejšom tlakovodnom reaktore však môžete získať vynikajúce palivo – urán-233, ktoré sa potom môže použiť v tom istom reaktore. To znamená, že nie sú potrebné žiadne úpravy, žiadne veľké zmeny existujúcej infraštruktúry. Ďalšou výhodou tória je jeho hojnosť v prírode: jeho zásoby sú najmenej trikrát väčšie ako zásoby uránu. Okrem toho nie je potrebná separácia izotopov, pretože počas súvisiacej ťažby sa spolu s prvkami vzácnych zemín nachádza iba tórium-232. Opäť platí, že pri ťažbe uránu je okolie znečistené relatívne dlhotrvajúcim (polčas rozpadu 3,8 dňa) radónom-222 (v tóriovom rade je radón-220 krátkodobý, 55 sekúnd a nestihne sa rozšíriť ). Okrem toho má tórium vynikajúce termomechanické vlastnosti: je žiaruvzdorné, menej náchylné na praskanie a pri poškodení plášťa palivovej tyče uvoľňuje menej rádioaktívnych plynov. Výroba uránu-233 z tória v tepelných reaktoroch je približne trikrát efektívnejšia ako plutónium z uránu-235, takže prítomnosť aspoň polovice takýchto reaktorov v ekosystéme jadrovej energie uzavrie kolobeh uránu a plutónia. Je pravda, že rýchle reaktory budú stále potrebné, pretože šľachtiteľský faktor pre tóriové reaktory nepresahuje jednu.
Na výrobu 1 GW v priebehu roka je potrebné: vyťažiť 250 ton prírodného uránu (obsahujúceho 1,75 ton uránu-235) 215 ton ochudobneného uránu (vrátane 0,6 tony uránu-235); do skládok; Do reaktora sa vloží 35 ton obohateného uránu (z toho 1,15 tony uránu-235); vyhorené palivo obsahuje 33,4 tony uránu-238, 0,3 tony uránu-235, 0,3 tony plutónia-239, 1 tonu produktov rozkladu. 1 tona tória-232, keď sa naplní do reaktora s roztavenou soľou, sa úplne premení na 1 tonu uránu-233; 1 tona produktov rozpadu, z toho 83 % sú izotopy s krátkou životnosťou (na stabilné sa rozpadnú asi za desať rokov).
Tórium má však aj jednu dosť vážnu nevýhodu. Keď je tórium ožiarené neutrónmi, urán-233 sa kontaminuje uránom-232, ktorý podlieha rozpadovému reťazcu vedúcemu k tvrdému izotopu tália-208 emitujúceho gama. „To značne komplikuje prácu pri spracovaní paliva,“ vysvetľuje Stanislav Subbotin. „Ale na druhej strane to uľahčuje odhalenie takéhoto materiálu, čím sa znižuje riziko krádeže. Navyše v uzavretom jadrovom cykle a s automatizovaným spracovaním paliva na tom príliš nezáleží.“
Termonukleárne zapálenie
Experimenty s použitím tóriových palivových tyčí v tepelných reaktoroch sa uskutočňujú v Rusku a ďalších krajinách - Nórsku, Číne, Indii a USA. „Teraz je čas vrátiť sa k myšlienke reaktorov na roztavenú soľ,“ hovorí Stanislav Subbotin. — Chémia fluoridov a fluoridových tavenín je dobre študovaná vďaka výrobe hliníka. Pre tórium sú reaktory s roztavenou soľou oveľa efektívnejšie ako konvenčné reaktory typu voda-voda, pretože umožňujú flexibilné nakladanie a odstraňovanie produktov rozpadu z jadra reaktora. Navyše s ich pomocou je možné implementovať hybridné prístupy, ktoré nepoužívajú jadrové palivo ako zdroj neutrónov, ale termonukleárne zariadenia - aspoň rovnaké tokamaky. Reaktor s roztavenou soľou nám navyše umožňuje vyriešiť problém s minoritnými aktinoidmi – izotopmi amerícia, kúria a neptunia s dlhou životnosťou (ktoré vznikajú v ožiarenom palive), ktoré „dopaľujú“ v odpadkovom reaktore. Takže v najbližších desaťročiach sa bez tória v jadrovej energetike nezaobídeme.“
THÓRIUM
Tórium je prirodzene sa vyskytujúci, slabo rádioaktívny kov objavený v roku 1828 švédskym chemikom Jensom Berzeliusom, ktorý ho pomenoval po Thorovi, škandinávskom bohu vojny. V malom množstve je prítomný v mnohých horninách a pôdach, kde je jeho obsah takmer trikrát vyšší ako obsah uránu. Pôda obsahuje približne šesť častí na milión tória.
Tórium sa nachádza v mnohých mineráloch, z ktorých najbežnejší je minerál vzácnych zemín fosforečnan tória – monazit, ktorý obsahuje až 12 % oxidu tória. Ložiská tohto minerálu sa nachádzajú vo viacerých krajinách. Tórium-232 sa rozkladá veľmi pomaly (jeho polčas rozpadu je takmer trojnásobok veku Zeme), ale sú v ňom a v rozpadových reťazcoch uránu obsiahnuté iné izotopy tória. Väčšina z nich sú prvky s krátkou životnosťou, a preto sú oveľa rádioaktívnejšie ako Th-232, hoci z masového hľadiska je ich obsah zanedbateľný.
| Svetové zásoby tória (k dispozícii na ťažbu) | ||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
| (Zdroj: USGS, Mineral Reserves, január 1999) |
Tórium ako jadrové palivo
Tórium, podobne ako urán, možno použiť ako jadrové palivo. Th-232, sám o sebe neštiepny materiál, absorbuje pomalé neutróny a vytvára štiepny urán-233. Podobne ako U-2238 je tórium-232 surovinou paliva.
V jednom významnom ohľade je U-233 lepší ako urán-235 a plutónium-239, pričom má vyšší výťažok neutrónov na absorbovaný neutrón. Začatím reakcie s iným štiepnym materiálom (U-235 alebo Pu-239) možno dosiahnuť cyklus štiepneho materiálu, ktorý je podobný, ale účinnejší ako cyklus U-238 a plutónia v reaktoroch s pomalými neutrónmi. Th-232 pohltí neutrón a premení sa na Th-233, ktorý sa po rozpade zmení na Ra-233 a potom na U-233. Ožiarené palivo je možné z reaktora vybrať, U-233 oddeliť od tória a vložiť do iného reaktora ako súčasť uzavretého palivového cyklu.
Za posledných 30 rokov bol záujem o tórium ako jadrové palivo, keďže jeho zásoby v zemskej kôre sú trikrát väčšie ako zásoby uránu. Okrem toho sa v reaktoroch môže použiť všetko vyťažené tórium, na rozdiel od 0,7 % izotopu U-235 z prírodného uránu.
Hlavnou možnosťou v reaktoroch PWR by boli palivové kazety namontované tak, aby oblasť ploska pozostávajúca predovšetkým z tória pokrývala prvok nukleácie s vyšším obohatením obsahujúci U-235, ktorý produkuje neutróny pre podkritickú oblasť oblasti plosky. Keďže U-233 sa vyrába v deke, horí tam. Hovoríme tu o ľahkovodnom množiteľskom reaktore, ktorý úspešne prešiel demonštračnými testami v USA v 70. rokoch.
Výskum a vývoj
Možnosť implementácie tóriových palivových cyklov sa skúma približne 30 rokov, ale oveľa menej intenzívne ako uránové alebo uránovo-plutóniové cykly. Hlavné výskumné a dizajnérske práce sa uskutočnili v Nemecku, Indii, Japonsku, Rusku, Veľkej Británii a USA. Uskutočnilo sa aj testovacie ožarovanie tóriového paliva v reaktoroch, kým sa nedosiahla vysoká úroveň vyhorenia. Niekoľko experimentálnych reaktorov bolo úplne alebo čiastočne naplnených tóriovým palivom.
Pozoruhodné experimenty na cykle tória zahŕňajú nasledujúce (prvé tri sa uskutočnili vo vysokoteplotných reaktoroch chladených plynom):
- V rokoch 1967 až 1988 bol v Nemecku viac ako 750 týždňov prevádzkovaný experimentálny reaktor AVR s objemovým pokrytím pri výkone 15 MegaW. 95 % celej prevádzkovej doby reaktora sa spotrebovalo na tórium. Palivo pozostávalo zo 100 000 palivových článkov vo forme guľôčok. Celková hmotnosť tóriového paliva bola 1360 kg; tórium bolo použité zmiešané s vysoko obohateným uránom. Maximálne vyhorenie bolo 150 000 MW deň/t.
- Tóriové palivové tyče zložené z tória a uránu v pomere 10:1 boli ožarované 741 dní v 20 MegaW reaktore Dragon v anglickom meste Winfeet. Reaktor Dragon bol prevádzkovaný ako súčasť spoločného projektu, na ktorom sa spolu s Veľkou Britániou, Rakúskom, Dánskom, Švédskom, Nórskom a Švajčiarskom podieľali v rokoch 1964 až 1973. Na výrobu U-233 sa použilo tórium-uránové palivo, ktoré nahradilo spotrebovaný U-235 v približne rovnakom pomere. Palivo by mohlo v reaktore fungovať šesť rokov.
- V rokoch 1967-1974 fungoval v USA vysokoteplotný uránovo-tóriový palivový reaktor Peach Bottom s kapacitou 110 MegaWt vyrobený spoločnosťou General Atomic.
- V Indii bol v roku 1996 v Kalpakkame v roku 1996 spustený ako zdroj neutrónov experimentálny výskumný reaktor Kamini s výkonom 30 kW, poháňaný U-233 vyrobeným ožarovaním ThO 2 v inom reaktore. Reaktor bol vybudovaný neďaleko množiteľského reaktora rýchlych neutrónov s výkonom 40 MegaW, v ktorom sa ožarovalo ThO 2.
- V Holandsku bol tri roky prevádzkovaný homogénny reaktor s vodnou zmesou s výkonom 1 MegaW. V reaktore bolo použité palivo vo forme roztoku vysoko obohateného uránu a tória; Za účelom odstránenia štiepnych produktov prebiehalo kontinuálne spracovanie, v dôsledku čoho s vysokou účinnosťou. vyrába U-233.
- Uskutočnilo sa množstvo experimentov s reaktormi s rýchlymi neutrónmi.
Energetické reaktory
- Na základe reaktora AVR bol v Nemecku vyvinutý 300 MegaW reaktor THTR, ktorý fungoval v rokoch 1983 až 1989; reaktor pracoval s hromadnou oblasťou 674 000 prvkov, z ktorých viac ako polovicu tvorilo palivo urán-tórium a zvyšok tvorili grafitový moderátor a absorbéry neutrónov. Palivové tyče sa počas nakladania priebežne obnovovali a reaktorom prešli v priemere šesťkrát. Výroba paliva bola postavená na priemyselnej báze.
- Reaktor Fort St Vrain bol jediným komerčným reaktorom v USA, ktorý využíval tórium; tento reaktor bol tiež navrhnutý na základe nemeckého AVR a fungoval v rokoch 1976 až 1989. Išlo o vysokoteplotný reaktor (1300°C) s grafitovým moderátorom a héliovým chladením s konštrukčným výkonom 842 MegaW (330 MegaW elektrických). Palivové články boli vyrobené z karbidu tória a karbidu Th/U-235 vo forme mikroguľôčok, ktoré obsahovali produkty štiepenia, potiahnuté oxidom kremičitým a pyrolytickým uhlíkom. Palivové tyče mali tvar šesťhranných stĺpov („hranolov“). Reaktor spotreboval takmer 25 ton tória; hĺbka vyhorenia bola 170 000 MW deň/t.
- Výskum tóriového paliva pre reaktory PWR sa uskutočnil v americkom reaktore Shippingport; Ako počiatočný štiepny palivový materiál sa použili U-235 a plutónium. Dospelo sa k záveru, že tórium vážne neovplyvní prevádzkové režimy a životnosť aktívnej zóny. Tu bol v rokoch 1977 až 1982 úspešne testovaný množiteľský reaktor na báze ľahkej vody, ktorý využíva tórium-uránové palivo potiahnuté zliatinou zirkónu.
- 60-megawattový reaktor Lingen BWR v Nemecku využíval palivové tyče Th/Pu.
India
V Indii sa v záujme zvýšenia účinnosti po spustení naložilo do blokov 1 a 2 jadrovej elektrárne Kakrapar 500 kg tóriového paliva. Blok 1 AES bol prvým reaktorom na svete, v ktorom sa na vyrovnanie výkonu v aktívnej zóne použilo tórium namiesto ochudobneného uránu. 1. blok, ktorý pracoval na tóriové palivo, dosiahol plnú kapacitu za 300 dní a 2. blok za 100 dní. Palivo tórium sa plánuje použiť v 1. a 2. bloku jadrovej elektrárne Kaiga a v 3. a 4. bloku jadrovej elektrárne Rádžastán, ktoré sú vo výstavbe.
So zásobami tória šesťkrát väčšími ako zásoby uránu si India stanovila zavedenie cyklu tória ako svoj hlavný cieľ priemyselnej výroby energie, ktorý sa dosiahne v troch etapách:
- Ťažkovodné reaktory CANDU poháňané prírodným uránovým palivom sa budú využívať na výrobu plutónia;
- rýchle množivé reaktory (FBR) založené na výslednom plutóniu budú produkovať U-233 z tória;
- sľubné ťažkovodné reaktory budú bežať na U-233 a tóriu, pričom 75 % energie budú získavať z tória.
Vyhoreté palivo sa potom prepracuje na regeneráciu štiepnych materiálov a potom sa prepracuje;
Ako ďalšia možnosť pre tretiu etapu sa uvažuje o subkritických akcelerátorových systémoch (ADS).
Vývoj pokročilých reaktorov
Konštrukčné riešenia pre pokročilé tóriové palivové reaktory zahŕňajú:
- Ľahké vodné reaktory využívajúce ako palivo oxid plutónia (PuO 2), oxid tória (ThO 2) a (alebo) oxid uránu (UO 2), z ktorých sa vyrábajú palivové tyče.
- Vysokoteplotné plynom chladené reaktory (HTGR) sú dostupné v dvoch typoch: palivové kazety s objemným krytom a hranolové palivové kazety.
- Modulárne reaktory s plynovou turbínou s chladením héliom (GT-MHR). Výsledkom výskumu realizovaného v USA na reaktoroch typu HTGR boli prizmatické palivové kazety. Použitie hélia na chladenie pri vysokých teplotách a relatívne nízky energetický výkon na modul (600 MW) umožňuje kombinovať modulárnu konštrukciu s plynovou turbínou (Braytonov cyklus), čo zvyšuje produkciu tepelnej energie takmer o 50 %. Jadro takýchto reaktorov umožňuje použitie širokej škály návrhov palivových článkov, vrátane HEU/Th a Pu/Th. Použitie paliva HEU/Th bolo demonštrované na americkom reaktore Fort St Vrain.
- Bulk Blanket Modular Reactor (PBMR). Navrhnuté v Južnej Afrike na základe výskumu uskutočneného v Nemecku. Práce v súčasnosti vykonáva medzinárodné konzorcium. Umožňuje použitie tóriových prikrývok.
- Reaktory s roztavenou soľou. Sľubný množivý reaktor, v ktorom sa tóriové palivo používa vo forme roztavenej soli bez potreby dodatočného externého chladenia. Chladivo primárneho okruhu prechádza cez výmenník tepla, kde sa tepelná energia štiepnej reakcie prenáša na pracovný materiál sekundárneho okruhu na výrobu pary. Podrobné štúdie tohto konceptu sa uskutočnili v 60. rokoch dvadsiateho storočia; Teraz sa obnovili kvôli nástupu pokročilých technológií výroby materiálov.
- Pokročilé ťažkovodné reaktory (AHWR). Práca v tomto smere v súčasnosti prebieha v Indii. Podobne ako kanadský reaktor CANDU-NG, aj indický 250 MegaW reaktor je chladený obyčajnou vodou. Hlavnú časť jadra tvorí zmes oxidov tória a U-233 v podkritickom stave; pomery zmesi sú také, že U-233 sa sám reprodukuje. Reakcia je riadená niekoľkými zárodkovými zónami na báze konvenčného paliva MOX.
- Likvidácia plutónia. Dnes sa v niektorých reaktoroch používa palivo MOX (U, Pu). Alternatívou je použitie tórium-plutóniového paliva; v tomto prípade reaktor beží na plutónium, pričom vzniká štiepny U-233, ktorý sa po separácii môže použiť ako súčasť uránovo-tóriového palivového cyklu.
Aplikácia tória v komplexoch urýchľovačov (ADS)
V komplexoch urýchľovačov vznikajú vysokoenergetické neutróny jadrovou štiepnou reakciou vysokoenergetických protónov urýchľovača, ktoré sa zrážajú s ťažkými cieľovými jadrami (olovo, olovo-bizmut alebo iné prvky). Tieto neutróny môžu byť odoslané do podkritického reaktora obsahujúceho tórium, kde neutróny produkujú U-233 a umožňujú jeho štiepenie. Je možné zabezpečiť samoudržateľnú štiepnu reakciu, ktorá môže smerovať buď k produkcii energie, alebo k transmutácii aktinoidov vytvorených v dôsledku palivového cyklu U/Pu. Použitie tória namiesto uránu znamená, že v samotnom reaktore ADS sa bude produkovať menej aktinoidov.
Vývoj tóriového palivového cyklu
Problémy spojené s riešením tohto problému spočívajú vo vysokých nákladoch na výrobu paliva, čiastočne v dôsledku vysokej rádioaktivity U-233, ktorý vždy obsahuje U-232; Podobné problémy sa týkajú prepracovania tória v dôsledku vysokej rádioaktivity Th-228, určitého rizika šírenia U-233 ako materiálu na zbrane, ako aj množstva technických problémov prepracovania (zatiaľ nedostatočne vyriešených). Pred uvedením tóriového cyklu na komerčný základ je potrebné vykonať ešte veľa práce, ale pokiaľ sa dá ťažiť urán vo veľkých množstvách, takáto práca sa zdá byť nepravdepodobná.
Cyklus tória s potenciálom reprodukcie bez použitia rýchlych neutrónových reaktorov však zostane perspektívny ešte dlho. Tento cyklus je určujúcim faktorom rozvoja sebestačnej jadrovej energetiky.
Tórium, Th, je chemický prvok skupiny III periodickej tabuľky, prvý člen aktinidovej skupiny; sériové číslo 90, atómová hmotnosť 232.038. V roku 1828 pri analýze vzácneho minerálu nájdeného vo Švédsku Jens Jakob Berzelius v ňom objavil oxid nového prvku. Tento prvok bol nazvaný thorium na počesť všemohúceho škandinávskeho božstva Thora (Thor je kolega Marsu a Jupitera: boh vojny, hromu a blesku.). Berzeliusovi sa nepodarilo získať čisté kovové tórium. Prípravok čistého tória získal až v roku 1882 ďalší švédsky chemik, objaviteľ skandia, Lars Nilsson. Rádioaktivitu tória objavili v roku 1898 nezávisle Marie Skłodowska-Curie a Herbert Schmidt.
Izotopy tória
Prírodné rádioaktívne izotopy: 227Th, 228Th (1,37-100%), 230Th, 231Th, 232Th (~ 100%), 234Th. Je známych deväť umelých rádioaktívnych izotopov tória.
Tórium je prírodný rádioaktívny prvok, predchodca čeľade tória. Je známych 12 izotopov, ale prírodné tórium prakticky pozostáva z jedného izotopu 232Th (T1/2=1,4*10 10 rokov, α-rozpad). Jeho špecifická rádioaktivita je 0,109 mikrokurie/g. Rozpad tória vedie k tvorbe rádioaktívneho plynu, thorónu (radónu-220), ktorý je nebezpečný pri vdýchnutí. 238Th je v rovnováhe s 232Th (RdTh, Т1/2=1,91 roka). Štyri izotopy tória vznikajú pri rozpadových procesoch 238U (230Th (iónium, Io, T = 75,380 rokov) a 234Th (uránX1, UX1, T = 24,1 dňa) a 235U (2827Th (rádioaktínium, T2 dní, Rd. a 231Th (urán Y, UY, T=1,063 dňa) Pre praktické aplikácie sú jedinými izotopmi prítomnými v značnom množstve v čistenom tóriu 228Th a 230Th, pretože ostatné majú veľmi krátky polčas rozpadu a 228Th sa rozpadá po niekoľkých rokoch. skladovanie izotopov tória je z nich dlhý polčas rozpadu iba 229Th (T1/2 = 7340 rokov), ktorý patrí do umelej rádioaktívnej rodiny neptúnia Prierez na zachytávanie tepelných neutrónov izotop 232th je 7,31 barna/atóm.
Rádioaktívne izotopy tória sa získavajú z monazitových rúd, najčastejšie metódou rozkladu kyselinou sírovou.
Tórium v prírode
Tórium ako rádioaktívny prvok je jedným zo zdrojov rádioaktívneho pozadia Zeme. Obsah tória v thorianitovom minerále sa pohybuje od 45 do 88%, v thoritovom minerále - až 62%. Obsah tória v riečnej vode je 8,1 10 -4 Bq/l. To je rádovo nižšie ako urán a o dva rády nižšie ako 40K (3,7-10 -2 Bq/l).
V prírode je oveľa viac tória ako uránu. Nachádza sa v nepatrných množstvách dokonca aj v granitoch. Obsah tória v zemskej kôre je 8*10-4 hm. %, približne rovnaký ako olovo. V prírodných zlúčeninách je tórium spojené s uránom, prvkami vzácnych zemín a zirkónom je typickým litosférickým prvkom a je sústredené najmä v horných vrstvách litosféry. Tórium sa nachádza vo viac ako 100 mineráloch, ktorými sú zlúčeniny kyslíka, najmä oxidy a oveľa menej často - fosforečnany a uhličitany. Viac ako 40 minerálov sú zlúčeniny tória alebo obsahujú tórium ako jednu zo svojich hlavných zložiek. Hlavnými priemyselnými tóriovými minerálmi sú monazit (Ce, La, Th...)PO 4, torit ThSiO 4 a torianit (Th,U)O 2.
Thorit je veľmi bohatý na tórium (45 až 93 % ThO 2), ale je vzácny, rovnako ako ďalší bohatý tóriový minerál, thorianit (Th, U)O 2, ktorý obsahuje 45 až 93 % ThO 2. Dôležitým tóriovým minerálom je monazitový piesok. Vo všeobecnosti sa jeho vzorec píše ako (Ce, Th)PO4, no okrem céru obsahuje aj lantán, prazeodým, neodým a iné vzácne zeminy, ako aj urán. Tórium v monazite - od 2,5 do 12%. V Brazílii, Indii, USA, Austrálii a Malajzii sú bohaté monazity. Žilné ložiská tohto minerálu sú známe aj v južnej Afrike.
Monazit je odolný minerál, ktorý je odolný voči poveternostným vplyvom. Počas zvetrávania hornín, obzvlášť intenzívneho v tropických a subtropických zónach, kedy sú zničené a rozpustené takmer všetky minerály, sa monazit nemení. Potoky a rieky ho nesú do mora spolu s ďalšími stabilnými minerálmi - minerálmi zirkónu, kremeňa, titánu. Vlny morí a oceánov dokončujú prácu na ničení a triedení nerastov nahromadených v pobrežnej zóne. Pod ich vplyvom sa koncentrujú ťažké minerály, čo spôsobuje, že piesky pláží získavajú tmavú farbu. Na plážach tak vznikajú monazitové ryže – „čierne piesky“.
Fyzikálne a chemické vlastnosti
Tórium je striebristo biely lesklý kov, ktorý je tvárny, ľahko opracovateľný (ľahko deformovateľný za studena), odolný voči oxidácii vo svojej čistej forme, ale zvyčajne sa časom pomaly zafarbí na tmavú farbu. Vzorky kovového tória s obsahom oxidu tória 1,5 – 2 % sú veľmi odolné voči oxidácii a dlho sa nekazia. Do 1400° C je plošne centrovaná kubická mriežka stabilná, a = 0,5086 nm nad touto teplotou je stabilná kubická mriežka centrovaná na telo, a = 0,41 nm; Atómový priemer tória v α-forme je 0,359 nm, v β-forme 0,411 nm.
Základné vlastnosti tória: hustota: 11,724 g/cm3, teplota topenia: 1750 °C; teplota varu: 4200° C. Teplo topenia 4,6 kcal/mol, teplo vyparovania 130-150 kcal/mol, atómová tepelná kapacita 6,53 cal/g-at.deg, tepelná vodivosť 0,090 (20°) cal/cm.s. krupobitie, elektrický odpor 15*10 -6 ohm.cm. Pri teplote 1,3-1,4 K sa tórium stáva supravodičom.
Tórium sa pomaly ničí studenou vodou, ale v horúcej vode je rýchlosť korózie tória a zliatin na jeho báze stokrát vyššia ako u hliníka. Kovový prášok tória je samozápalný (preto je uložený pod vrstvou petroleja). Pri zahrievaní na vzduchu sa zapáli a horí jasným bielym svetlom. Čisté tórium je mäkké, veľmi pružné a tvárne, možno ho priamo opracovávať (valcovanie za studena, razenie za tepla a pod.), ale ťažko sa ťahá pre jeho nízku pevnosť v ťahu. Obsah oxidov výrazne ovplyvňuje mechanické vlastnosti tória; aj čisté vzorky tória zvyčajne obsahujú niekoľko desatín percent oxidu tória. Pri silnom zahriatí interaguje s vodíkom, halogénmi, sírou, dusíkom, kremíkom, hliníkom a množstvom ďalších prvkov. Zaujímavou vlastnosťou kovového tória je rozpustnosť vodíka v ňom, ktorá sa zvyšuje s klesajúcou teplotou. Je slabo rozpustný v zásaditých kyselinách, s výnimkou kyseliny chlorovodíkovej. Je mierne rozpustný v kyseline sírovej a dusičnej. Kovové tórium je rozpustné v koncentrovaných roztokoch HC1 (6-12 mol/l) a HNO 3 (8-16 mol/l) v prítomnosti iónu fluóru.
Pokiaľ ide o chemické vlastnosti, tórium je na jednej strane analógom céru a na druhej strane zirkónu a hafnia. Tórium je schopné vykazovať oxidačné stavy +4, +3 a +2, z ktorých +4 je najstabilnejší.
Tórium sa vzhľadom a teplotou topenia podobá platine a olovo špecifickou hmotnosťou a tvrdosťou. Chemicky má tórium malú podobnosť s aktíniom (hoci je klasifikované ako aktinid), ale má veľa podobností s cérom a inými prvkami druhej podskupiny skupiny IV. Len z hľadiska štruktúry elektrónového obalu atómu je rovnocenným členom rodiny aktinidov.
Hoci tórium patrí do rodiny aktinidov, v niektorých vlastnostiach sa približuje aj druhej podskupine IV. skupiny periodickej sústavy - Ti, Zr, Hf. Podobnosť tória s prvkami vzácnych zemín súvisí s blízkosťou ich iónových polomerov, ktoré sú pre všetky tieto prvky v rozmedzí 0,99 - 1,22 A. V zlúčeninách iónového alebo kovalentného typu je tórium takmer výlučne štvormocné.
ThO2 – hlavný oxid tória (fluoritová štruktúra) sa získava spaľovaním tória na vzduchu. Kalcinovaný ThO2 je takmer nerozpustný v roztokoch kyselín a zásad; proces rozpúšťania v kyseline dusičnej sa prudko zrýchli, keď sa pridajú malé množstvá iónov fluóru. Oxid tória je pomerne žiaruvzdorná látka - jeho teplota topenia 3300 ° C je najvyššia zo všetkých oxidov a vyššia ako u väčšiny ostatných materiálov, s niekoľkými výnimkami. Táto vlastnosť bola kedysi považovaná za primárne komerčné využitie tória ako žiaruvzdorná keramika – predovšetkým v keramických častiach, žiaruvzdorných odlievacích formách a téglikoch. Ale pri vysokých teplotách sa oxid tória čiastočne rozpúšťa v mnohých tekutých kovoch a znečisťuje ich. Najrozšírenejšie využitie oxidu bolo pri výrobe plynových mriežok do plynových lámp.
Výroba tória
Tórium sa získava spracovaním monazitového piesku, ktorý sa mieša s kremeňom, zirkónom, rutilom... Preto prvou etapou výroby tória je výroba čistého monazitového koncentrátu. Na separáciu monazitu sa používajú rôzne metódy a zariadenia. Spočiatku sa zhruba separuje na dezintegrátoroch a koncentračných stoloch, pričom sa využíva rozdiel v hustote minerálov a ich zmáčavosti rôznymi kvapalinami. Jemné oddelenie sa dosiahne elektromagnetickým a elektrostatickým oddelením. Takto získaný koncentrát obsahuje 95...98 % monazitu.
Separácia tória je mimoriadne náročná, keďže monazit obsahuje prvky podobné vlastnostiam tóriu – kovy vzácnych zemín, urán... Z početných spôsobov otvárania monazitových koncentrátov majú priemyselný význam len dva:
1) Ošetrenie silnou kyselinou sírovou pri 200 °C
2) Ošetrenie jemne mletého koncentrátu 45 % roztokom NaOH pri 140 °C.
V ďalšej fáze dochádza k separácii uránu a tória od vzácnych zemín. V súčasnosti sa na to využívajú najmä extrakčné procesy. Najčastejšie sa tórium a urán extrahuje z vodných roztokov tributylfosfátom, ktorý je s vodou nemiešateľný. K separácii uránu a tória dochádza v štádiu selektívneho stripovania. Za určitých podmienok sa tórium nasáva z organického rozpúšťadla do vodného roztoku kyseliny dusičnej a urán zostáva v organickej fáze. Po oddelení tória sa jeho zlúčeniny musia premeniť na kov. Bežné sú dve metódy: redukcia oxidu ThO 2 alebo tetrafluoridu ThF 4 kovovým vápnikom a elektrolýza roztavených halogenidov tória. Typicky je produktom týchto premien tóriový prášok, ktorý sa potom speká vo vákuu pri 1100 až 1350 °C.
Početné výzvy spojené s výrobou tória sú spojené s potrebou spoľahlivej radiačnej ochrany.
Aplikácie tória
Teraz sa tórium používa na legovanie niektorých zliatin. Tórium výrazne zvyšuje pevnosť a tepelnú odolnosť zliatin na báze železa, niklu, kobaltu, medi, horčíka alebo hliníka. Veľký význam majú viaczložkové zliatiny na báze horčíka obsahujúce tórium, ako aj Zn, Zr a Mn; Zliatiny sa vyznačujú nízkou špecifickou hmotnosťou, dobrou pevnosťou a vysokou odolnosťou pri zvýšených teplotách. Tieto zliatiny sa používajú na časti prúdových motorov, riadených striel, elektronických a radarových zariadení.
V 19. storočí sa oxid ThO2 používal pri výrobe plynových rozvodov – plynové osvetlenie bolo bežnejšie ako elektrické. Uzávery vyrobené z oxidov céru a tória, ktoré vynašiel rakúsky chemik Karl Auer von Welsbach, zvýšili jas a transformovali plameňové spektrum prúdov plynu - ich svetlo sa stalo jasnejším a rovnomernejším. Pokúsili sa tiež vyrobiť tégliky na tavenie vzácnych kovov z oxidu tóritého, veľmi žiaruvzdornej zlúčeniny. Táto látka sa však pri najvyšších teplotách čiastočne rozpustila v mnohých tekutých kovoch a znečistila ich. ThO 2 tégliky sa preto veľmi nepoužívajú.
Tórium sa používa ako katalyzátor v procesoch organickej syntézy, krakovania ropy, pri syntéze kvapalného paliva z uhlia, hydrogenácii uhľovodíkov, ako aj pri oxidačných reakciách NH 3 na HNO 3 a SO 2 na SO 3.
Kvôli relatívne nízkej funkcii práce elektrónov a vysokej emisii elektrónov sa tórium používa ako elektródový materiál pre niektoré typy elektrónok. Tórium sa používa rovnako ako getr v elektronickom priemysle.
Najdôležitejšou oblasťou použitia tória je jadrová technológia. V mnohých krajinách boli postavené jadrové reaktory, v ktorých sa ako palivo používa kovové tórium, karbid tória, Th 3 Bi 5 atď., často zmiešané s uránom a jeho zlúčeninami.
Ako už bolo spomenuté, tórium-232 nie je schopné štiepiť tepelné neutróny. Napriek tomu je tórium zdrojom sekundárneho jadrového paliva (233U), vyrobeného jadrovou reakciou pomocou tepelných neutrónov.
U je vynikajúce jadrové palivo, ktoré podporuje štiepenie reťazca a má určitú výhodu oproti 235U: keď sa jeho jadro štiepi, uvoľňuje sa viac neutrónov. Každý neutrón absorbovaný jadrom 239Pu alebo 235U produkuje 2,03 - 2,08 nových neutrónov a 233U - oveľa viac - 2,37. Z hľadiska jadrového priemyslu je výhodou tória oproti uránu jeho vysoká teplota topenia, absencia fázových premien až do 1400 °C, vysoká mechanická pevnosť a odolnosť kovového tória a radu jeho zlúčenín ( oxid, karbid, fluorid). 233U sa vyznačujú vysokou hodnotou reprodukčného faktora tepelných neutrónov, zabezpečujúcou vysoký stupeň ich využitia v jadrových reaktoroch. Nevýhody tória zahŕňajú potrebu pridávať k nemu štiepne materiály na uskutočnenie jadrovej reakcie.
Využitie tória ako jadrového paliva komplikuje predovšetkým skutočnosť, že pri vedľajších reakciách vznikajú izotopy s vysokou aktivitou. Hlavnou takouto znečisťujúcou látkou je 232U, α- a γ-emitor s polčasom rozpadu 73,6 roka. Jeho využitiu bráni aj to, že tórium je drahšie ako urán, keďže urán sa ľahšie izoluje zo zmesi s inými prvkami. Niektoré uránové minerály (uranit, uránová smola) sú jednoduché oxidy uránu. Tórium nemá také jednoduché minerály (priemyselného významu). A súvisiace oddelenie od minerálov vzácnych zemín je komplikované podobnosťou tória s prvkami rodiny lantánu.
Hlavným problémom pri získavaní štiepneho materiálu z tória je, že na rozdiel od 238U nie je spočiatku prítomný v skutočnom palive reaktora. Ak chcete použiť množenie tória, vysoko obohatený štiepny materiál (235U, 233U, 239Pu) sa musí použiť ako palivo reaktora s inklúziami tória, aby sa umožnilo šľachtenie (t. j. nedochádza k žiadnemu alebo len malému uvoľňovaniu energie, hoci spaľovanie lokálne vyrobeného 233U môže prispieť k energii uvoľnenie). Na druhej strane, tepelné množivé reaktory (pomalé neutróny) sú schopné využívať množivý cyklus 233U/tórium, najmä ak sa ako moderátor používa ťažká voda. Napriek tomu by sa malo vážne uvažovať o koncovej jadrovej energii. Zásoby tohto prvku v samotných rudách vzácnych zemín sú trikrát väčšie ako celosvetové zásoby uránu. To nevyhnutne povedie k zvýšeniu úlohy tóriového jadrového paliva v energetickom sektore budúcnosti.
Fyziologické vlastnosti tória
Napodiv, vstup tória do gastrointestinálneho traktu (ťažký kov a tiež rádioaktívny!) nespôsobuje otravu. Vysvetľuje to skutočnosť, že žalúdok má kyslé prostredie a za týchto podmienok sa zlúčeniny tória hydrolyzujú. Konečným produktom je nerozpustný hydroxid tóriitý, ktorý sa vylučuje z tela. Len nereálna dávka 100 g tória môže spôsobiť akútnu otravu...
Dostať sa tórium do krvi je mimoriadne nebezpečné. Žiaľ, ľudia sa o tom hneď nepresvedčili. V 20-30 rokoch sa na diagnostické účely pri ochoreniach pečene a sleziny používal liek „thorotrast“, ktorý zahŕňal oxid tóriitý. Lekári, ktorí boli presvedčení o netoxickosti tóriových liekov, predpísali Thorotrast tisíckam pacientov. A potom začali problémy. Na choroby krvotvorného systému zomrelo niekoľko ľudí, u niektorých sa vyvinuli špecifické nádory. Ukázalo sa, že keď sa tórium v dôsledku injekcií dostane do krvného obehu, zráža proteín a tým prispieva k upchatiu kapilár. Prírodné tórium-232 sa ukladá v kostiach v blízkosti krvotvorných tkanív a stáva sa zdrojom pre telo oveľa nebezpečnejších izotopov - mezotórium, tórium-228, thoron. Prirodzene, Thorotrust bol urýchlene stiahnutý z používania.
Pri práci s tóriom a jeho zlúčeninami je možné, že sa do tela dostane ako samotné tórium, tak aj jeho dcérske produkty. Najpravdepodobnejšia cesta vstupu aerosólových častíc alebo plynných produktov je cez dýchací systém. Tórium sa môže dostať do tela aj cez gastrointestinálny trakt a kožu, najmä poškodenú kožu s drobnými odreninami a škrabancami. Soli tória vstupujúce do tela podliehajú hydrolýze s tvorbou ťažko rozpustného hydroxidu, ktorý sa vyzráža. Tórium môže existovať v iónovej forme v extrémne nízkych koncentráciách, vo väčšine prípadov sa nachádza vo forme agregátov molekúl (koloidov). Tórium tvorí silné komplexy s bielkovinami, aminokyselinami a organickými kyselinami. Veľmi malé častice tória sa môžu adsorbovať na povrchu buniek mäkkých tkanív.
Keď tórium vstúpi cez dýchací systém, thoron sa stanoví vo vydychovanom vzduchu. Jeho správanie v organizme sa výrazne líši od ostatných produktov rozkladu. Pri vdýchnutí sa zmieša s pľúcnym vzduchom, z pľúc difunduje do krvného obehu rýchlosťou asi 20 % za minútu a šíri sa po celom tele. Hladina TBC z krvi je 4,5 min
Keď sa Thorotrast podáva intravenózne, okamžitou reakciou tela je rýchlo prechádzajúca horúčka, nevoľnosť, krátkodobá anémia, leukopénia alebo leukocytóza. Boli opísané deštruktívne zmeny na koži po terapeutickom užívaní T. Dlhodobé užívanie konvenčných terapeutických dávok T teda spôsobuje ireverzibilné degeneratívne-atrofické zmeny na koži s poškodením epidermy, podkožia a kožných kapilár. V závažných prípadoch sa pozoruje tvorba pľuzgierov na koži, po ktorej nasleduje nekróza a tvorba žltých tvrdých kôr. Pri liečbe kožných lézií u pacientov 4 roky po terapeutickom použití 324Th dochádza k atrofii kože.
Stanovenie obsahu tória v tele sa uskutočňuje meraním α-, γ-žiarenia vo vydychovanom vzduchu (thorone), ako aj v krvi, sekrétoch, výplachových vodách, zvratkoch; vo vzduchu - riadené úrovňou γ-žiarenia.
Preventívne opatrenia: zamedzenie úniku aerosólov a plynných produktov rozpadu tória do ovzdušia, mechanizácia a utesnenie všetkých výrobných procesov. Pri práci s izotopmi tória je potrebné dodržiavať hygienické predpisy a normy radiačnej bezpečnosti pomocou špeciálnych ochranných opatrení v súlade s triedou práce. Urgentná starostlivosť. Dekontaminácia rúk a tváre mydlom a vodou alebo 2-3% roztokom prášku Novosta. Vypláchnite ústa a nosohltan. Perorálne protijed na ťažké kovy (antidotum metallorum 50,0 g) alebo aktívne uhlie. Emetiká (apomorfín 1% - 0,5 ml subkutánne) alebo výplach žalúdka vodou. Slané laxatíva, čistiace klystíry. Diuretiká (hypotiazid 0,2 g, fonurit 0,25). V prípade poškodenia vdýchnutím (prach, aerosól) -
vnútorné expektoranty (termopsa so sódou, terpinhydrát). Intravenózne 10 ml 5% roztoku pentacínu.
