Dünyada Toryum

    Toryum doğada uranyumdan daha fazladır.

    Bölünebilir olmaktan çok verimlidir ve yalnızca geri dönüştürülmüş plütonyum gibi bölünebilir bir malzeme ile birlikte yakıt olarak kullanılabilir.

    Toryum yakıtları, çeşitli nükleer reaktörlerde kullanılmak üzere bölünebilir uranyum-233 üretebilir.

    Normal yakıt üretimi önlendiğinden, erimiş tuz reaktörleri toryum yakıtına çok uygundur.

    Yeni bir birincil enerji kaynağı olarak toryumun kullanılması uzun yıllardır umut verici bir durumdur. Gizli enerji değerini uygun maliyetli bir şekilde çıkarmak bir zorluk olmaya devam ediyor ve önemli ölçüde Ar-Ge yatırımı gerektirecek. Bu, mütevazı ABD desteği ile Çin'de yaygın olarak gerçekleşiyor.

Toryumun doğası ve kaynakları

    Toryum, 1828'de İskandinav gök gürültüsü tanrısı Thor'un adını veren İsveçli kimyager Jons Jakob Berzelius tarafından keşfedilen, doğal olarak oluşan, hafif radyoaktif bir metaldir. Uranyumdan yaklaşık üç kat daha fazla olduğu çoğu kaya ve toprakta küçük miktarlarda bulunur. Toprak, ortalama olarak milyonda 6 parça ( ppm ) toryum içerir. Toryum çok çözünmezdir, bu yüzden uranyumun aksine kumlarda bol bulunur, ancak deniz suyunda yoktur.

    Toryum, doğada çok yavaş bozulan tek bir izotopik formda ( Th-232 ) bulunur ( yarı ömrü Dünya'nın yaşının yaklaşık üç katıdır ). Doğal toryum ve uranyumun bozunma zincirleri, Th-228, Th-230 ve Th-234'ün küçük izlerine yol açar, ancak bunların kütle açısından varlığı önemsizdir. Sonunda kurşun-208'e düşer.

    Saf olduğunda toryum, parlaklığını birkaç ay koruyan gümüşi beyaz bir metaldir. Bununla birlikte, oksitle kirlendiğinde, toryum havada yavaşça kararır, gri olur ve sonunda siyah olur. Havada ısıtıldığında toryum metal tutuşur ve beyaz bir ışıkla parlak bir şekilde yanar. Toryum oksit ( ThO₂ ), tüm oksitlerin ( 3300 °C ) en yüksek erime noktalarından birine sahiptir ve bu nedenle ampul elemanlarında, fener örtülerinde, ark ışık lambalarında, kaynak elektrotlarında ve ısıda uygulamalar bulmuştur. Ayrıca dayanıklı seramiklerde. Toryum oksit içeren cam hem yüksek kırılma indisine hem de dalga boyu dağılımına sahiptir ve kameralar ve bilimsel aletler için yüksek kaliteli lenslerde kullanılır.

    Toryum oksit ( ThO₂ ) nispeten inerttir ve UO₂'den farklı olarak daha fazla oksitlenmez . UO₂'den daha yüksek termal iletkenliğe ve daha düşük termal genleşmeye ve çok daha yüksek bir erime noktasına sahiptir. Nükleer yakıtta, fisyon gazı salınımı UO₂'den çok daha düşüktür .

   En yaygın toryum kaynağı, yaklaşık % 12'ye kadar toryum fosfat içeren ancak ortalama % 6 - 7 olan nadir toprak fosfat minerali monazittir. Monazit, magmatik ve diğer kayaçlarda bulunur, ancak en zengin konsantrasyonlar, dalga ve diğer ağır minerallerle akım etkisiyle yoğunlaşan plaser birikintilerindedir. Dünya monazit kaynaklarının yaklaşık 16 milyon ton olduğu tahmin edilmektedir ve bunların 12 Mt'u Hindistan'ın güney ve doğu kıyılarındaki ağır mineral kum yataklarındadır. Diğer bazı ülkelerde önemli mevduatlar bulunmaktadır ( aşağıdaki Tabloya bakınız ). Monazit gelen toryum iyileşme genellikle 140 °C ThO saf çökeltmek için karmaşık bir işlem ile, ardından sodyum hidroksit ile yıkanarak ekstre 2 . Torit ( ThSiO₄ ) başka bir yaygın toryum mineralidir. Idaho'da büyük bir toryum ve nadir toprak metalleri damar yatağı bulunmaktadır.

    IAEA - NEA yayını Uranium 2014: Kaynaklar, Üretim ve Talep ( genellikle Kırmızı Kitap olarak anılır ) 6,2 milyon ton toplam bilinen ve tahmin edilen kaynak rakamını verir. 80 $ / kg Th veya daha düşük bir maliyetle geri kazanılabilen makul ölçüde teminat altına alınmış ve çıkarılmış kaynaklara ilişkin veriler, daha az kesin olan bazı Asya rakamları hariç, aşağıdaki tabloda verilmektedir. Rakamlardan bazıları, jeolojik verileri çoğu maden kaynağıyla aynı şekilde yönlendirmek yerine, mineral kumları için varsayımlara ve yedek verilere ( monazit x varsayım Th içeriği ) dayanmaktadır.

Tahmini dünya toryum kaynakları 

    Toryum kaynakları için uluslararası veya standart bir sınıflandırma yoktur ve tanımlanan Th kaynakları, tanımlanmış U kaynakları ile sınıflandırma açısından aynı anlama sahip değildir. Toryum birincil keşif hedefi değildir ve kaynaklar uranyum ve nadir toprak kaynakları ile ilgili olarak tahmin edilmektedir. 
Kaynak: OECD NEA & IAEA, Uranium 2014: Kaynaklar, Üretim ve Talep ( 'Kırmızı Kitap' )  , herhangi bir aralığın daha düşük rakamları kullanılarak.

    Monazite Hindistan, Brezilya, Vietnam ve Malezya'da muhtemelen 10.000 ton / yıldan daha az bir oranda çıkarılmaktadır, ancak ticari nadir toprak geri kazanımı olmadan toryum üretimi şu anda ekonomik değildir. Çin üretimi bilinmemektedir. 2014 'Kırmızı Kitap', monazitten nadir toprak elementlerinin ( REE ) geri kazanımının bir yan ürünü olarak toryumun çıkarılmasının şu anda toryum üretiminin en uygun kaynağı olduğunu öne sürüyor.

Nükleer yakıt olarak toryum

   Toryum ( Th-232 ) kendi başına bölünemez ve bu nedenle bir termal nötron reaktöründe doğrudan kullanılamaz. Bununla birlikte, bu verimli ve uranyum-233 ( U-233 ) için dönüştürecek olan bir nötron emici üzerine bir mükemmel bir bölünebilir yakıt malzemesi olan b . Bu bakımdan uranyum-238'e benzer ( plütonyum-239'a dönüşür ). Bu nedenle tüm toryum yakıt konseptleri, Th-232'nin ilk olarak protaktinyum-233 üretmek için gerekli nötron dozlamasını sağlamak için bir reaktörde ışınlanmasını gerektirir. Üretilen Pa-233, ana toryum yakıtından kimyasal olarak ayrılabilir ve bozunma ürünü U-233 daha sonra yeni yakıta dönüştürülebilir veya U-233, özellikle aynı yakıt formunda 'in-situ' kullanılabilir. Erimiş tuz reaktörlerinde ( MSR'ler ).

    Bu nedenle toryum yakıtları, bir zincirleme reaksiyonun ( ve dolayısıyla fazla nötron tedarikinin ) sürdürülebilmesi için bir 'sürücü' olarak bölünebilir bir malzemeye ihtiyaç duyar. Tek bölünebilir sürücü seçenekleri U-233, U-235 veya Pu-239'dur. ( Bunların hiçbirinin tedarik edilmesi kolay değildir )

    Termal reaktörlerde tükettikleri bölünebilir malzemeden daha fazla U-233 üreten toryum yakıtları tasarlamak mümkündür - ancak oldukça zordur ( bu, 1.0'dan fazla bölünebilir dönüşüm oranına sahip olarak adlandırılır ve aynı zamanda ıslah olarak da adlandırılır ). Toryum ile termal ıslah, reaktördeki nötron ekonomisinin çok iyi olmasını gerektirir ( yani, kaçış veya parazitik absorpsiyon yoluyla düşük nötron kaybı olmalıdır ). Yavaş nötron sistemlerinde bölünebilir malzeme üretme olasılığı toryum bazlı yakıtlar için benzersiz bir özelliktir ve uranyum yakıtlarla mümkün değildir.

    Toryumu kullanmak için bir başka farklı seçenek, tüketilirken bölünebilir sürücü görevi gören plütonyum içeren yakıtlar ( ve hatta amerisyum gibi diğer transuranik elementler ) için 'verimli bir matris' olmasıdır. Karışık toryum-plütonyum oksit ( Th-Pu MOX ) yakıtı, mevcut uranyum-MOX yakıtının bir analogudur, ancak U-Pu MOX yakıtındaki uranyum yakıtlarının aksine toryum bileşeninden yeni plütonyum üretilmez ve dolayısıyla net plütonyum tüketimi yüksektir. Tüm aktinitlerin üretimi geleneksel yakıttan daha düşüktür ve negatif reaktivite katsayısı, U-Pu MOX yakıtı ile karşılaştırıldığında artırılmıştır.

    Taze toryum yakıtta, tüm fisyonlar ( dolayısıyla güç ve nötronlar ) sürücü bileşeninden türetilir. Yakıt çalıştıkça, U-233 içeriği kademeli olarak artar ve yakıtın güç çıkışına daha fazla katkıda bulunur. U-233'ten ( ve dolayısıyla dolaylı olarak toryumdan ) nihai enerji çıkışı, aşağıdakiler dahil olmak üzere çeşitli yakıt tasarım parametrelerine bağlıdır: elde edilen yakıt yanması, yakıt düzenlemesi, nötron enerji spektrumu ve nötron akısı (ara ürün olan protaktinyum-233'ü etkiler, nötron emici). Bir U-233 çekirdeğinin fisyonu, U-235 ile yaklaşık aynı miktarda enerji ( 200 MeV ) salar.

    Toryum yakıt sistemlerinin tasarımında önemli bir ilke , tohum bölgesi olarak adlandırılan yüksek bölünebilir ( ve dolayısıyla daha yüksek güçlü ) bir yakıt bölgesinin, yakıtın verimli ( düşük veya sıfır güçlü ) toryum kısmından fiziksel olarak ayrıldığı heterojen yakıt düzenlemesidir . - genellikle battaniye denir . Böyle bir düzenleme, fazla nötronları toryum çekirdeklerine sağlamak için çok daha iyidir, böylece bunlar bölünebilir U-233'e dönüşebilirler, aslında tüm termal ıslah yakıt tasarımları heterojendir. Bu ilke, toryum özellikli tüm reaktör sistemleri için geçerlidir.

    Th-232, 1 MeV'den fazla enerjiye sahip hızlı nötronlarla bölünebilir. Bu nedenle hızlı erimiş tuzda ve uranyum veya plütonyum yakıtlı diğer Gen IV reaktörlerinde fisyonu başlatmak için kullanılabilir. Bununla birlikte, Th-232 hızlı fisyonu U-238'in yanı sıra yalnızca onda birini oluşturur, bu nedenle kullanılmayı bekleyen büyük miktarda tükenmiş uranyum göz önüne alındığında, hızlı reaktörlerde toryum kullanmanın özel bir nedeni yoktur.

    Norveç'te Thor Energy, mevcut nükleer enerji santrallerinde kullanılmak üzere toryum içeren iki yakıt geliştiriyor ve test ediyor. Toryum katkı maddesi ( Th-Add ) ve ayrıca toryum MOX ( Pu ile ) yakıt çubukları içeren yakıt çubukları, Halden test reaktöründe Nisan 2013'ten beri beş yıllık bir ışınlama denemesinde bulunuyor. Şirket, 2017 - 18 yılına kadar Th-Add yakıtının ticari üretimi ve kullanımı için düzenleyici onay almak ve daha sonra yakıtı pazarlamak için çalışıyor. 2015 ortalarında, ikinci bir Th-MOX yakıt peleti partisi teste başlayacak. Thor Energy ve Kuzey Amerika ve Avrupa'dan çeşitli kuruluşlar, Th-Add yakıtının ticari reaktörlerde kullanımını araştırmak için fizibilite çalışmaları başlatıyor. Bu yakıt, ticari reaktörlerdeki güç profillerini iyileştirmenin bir yolu olarak tanıtılmaktadır.

Toryum kullanabilen reaktörler

    Toryumun nükleer yakıt olarak sokulabileceği yedi tür reaktör vardır. Bunların ilk beşi bir noktada operasyonel hizmete girdi. Son ikisi hala kavramsaldır:

    Ağır Su Reaktörleri ( PHWR'ler ) : Bunlar, aşağıdakilerin kombinasyonlarından dolayı toryum yakıtları için çok uygundur:

1. Mükemmel nötron ekonomisi ( düşük parazitik nötron absorpsiyonu, daha fazla nötronun toryum tarafından absorbe edilerek faydalı U-233 üretilebileceği anlamına gelir ).
2. U-233'e dönüşümü destekleyen biraz daha hızlı ortalama nötron enerjisi.
3. Esnek çevrimiçi yakıt ikmali yeteneği. Ayrıca, ağır su reaktörleri ( özellikle CANDU ), kapsamlı lisanslama deneyimine sahip, iyi kurulmuş ve yaygın olarak kullanılan ticari teknolojidir.

    Geliştirilmiş Candu 6 ( EC6 ) ve % 5 plütonyum ( reaktör sınıfı ) artı toryum ile beslenen ACR-1000 reaktörleri için potansiyel uygulama vardır. Kapalı yakıt çevriminde, kalkış için gereken sürücü yakıtı kademeli olarak geri dönüştürülmüş U-233 ile değiştirilir, böylece dengeye ulaşıldığında enerjinin % 80'i toryumdan gelir. Bölünebilir tahrik yakıtı LEU, plütonyum veya LWR'den geri dönüştürülmüş uranyum olabilir. Neredeyse kendi kendine yeterli denge toryum yakıt döngülerine sahip PHWR filoları, plütonyum sağlamak için birkaç hızlı besleyici reaktörle desteklenebilir.

    Yüksek Sıcaklıklı Gaz Soğutmalı Reaktörler ( HTR'ler ): Bunlar, plütonyum veya zenginleştirilmiş uranyum ile karıştırılmış, pirolitik karbon ve fisyonu tutan silikon karbür tabakaları ile kaplanmış sağlam 'TRISO' kaplı toryum parçacıkları formundaki toryum bazlı yakıtlar için çok uygundur. Yakıt parçacıkları, yüksek sıcaklıklarda çok kararlı olan bir grafit matris içine gömülüdür. Bu tür yakıtlar çok uzun süre ışınlanabilir ve bu nedenle orijinal bölünebilir yüklerini derinden yakabilir. Toryum yakıtları hem 'çakıl yataklı' hem de 'prizmatik' HTR reaktör tipleri için tasarlanabilir.

    Kaynatma ( Hafif ) Su Reaktörleri ( BWR'ler ): BWR yakıt düzenekleri, değişken bileşimlere ( bölünebilir içerik ) sahip çubuklar açısından esnek bir şekilde tasarlanabilir ve yakıtın daha fazla veya daha az ölçülü olmasını sağlayan yapısal özellikler ( örneğin, yarı uzunlukta yakıt çubukları ) . Bu tasarım esnekliği, uygun heterojen düzenlemeler bulabilmek ve iyi optimize edilmiş toryum yakıtları yaratabilmek için çok iyidir. Bu nedenle, örneğin, plütonyum fazlalığını 'yakmak' için uyarlanmış toryum-plütonyum BWR yakıtları tasarlamak mümkündür. Ve daha önemlisi, BWR'ler iyi anlaşılmış ve lisanslı bir reaktör türüdür.

    Basınçlı ( Hafif ) Su Reaktörleri ( PWR'ler ): Canlı toryum yakıtlar, BWR'lerden daha az esnek olsa da, bir PWR için tasarlanabilir. Tatmin edici yakıt yanması elde etmek için yakıtın heterojen düzenlemelerde olması gerekir. Önemli miktarlarda U-233'ü dönüştüren toryum bazlı uygulanabilir PWR yakıtları tasarlamak mümkün değildir. PWR'ler toryum kullanmak için mükemmel bir reaktör olmasa da, endüstrinin iş gücüdür ve çok sayıda PWR lisanslama deneyimi vardır. Uygun bir erken giriş toryum platformudur.

    Hızlı Nötron Reaktörleri ( FNR'ler ): Toryum, hızlı bir nötron spektrumu ile çalışan reaktörler için bir yakıt bileşeni olarak hizmet edebilir - burada daha geniş bir ağır nüklit aralığı bölünebilir ve potansiyel olarak bir toryum yakıtını çalıştırabilir. Bununla birlikte, bu reaktör sistemlerinde verimli bir yakıt matrisi olarak tükenmiş uranyum ( DU ) yerine toryum kullanmanın göreceli bir avantajı yoktur, çünkü U-238 için daha yüksek hızlı fisyon oranı ve buradaki kalıntı U-235'ten fisyon katkısı. Ayrıca, ticari olarak daha fazla FNR mevcut olduğunda kullanılmak üzere büyük miktarda fazla DU mevcuttur, bu nedenle toryum bu sistemlerde çok az rekabet üstünlüğüne sahiptir veya hiç yoktur.

    Erimiş Tuz Reaktörleri ( MSR'ler ): Bu reaktörler hala tasarım aşamasındadır ancak yakıt olarak toryumu kullanmak için çok uygun olmaları muhtemeldir. Eşsiz sıvı yakıt, 400 - 700 ºC aralığında eriyen bir tuz karışımının parçası olarak toryum ve uranyum ( U-233 ve / veya U-235 ) florürleri içerebilir ve bu sıvı, hem ısı transfer sıvısı hem de matris görevi görür. Sıvı, bir çekirdek bölge boyunca ve ardından çeşitli fisyon ürünlerini ( zehirler ) ve / veya değerli U-233'ü ortadan kaldıran bir kimyasal işlem devresi boyunca dolaşır. Ilımlılık seviyesi, çekirdeğe yerleştirilmiş grafit miktarı ile verilir. Bazı MSR tasarımları , yararlı miktarlarda U-233 üretmek üzere toryum yakıtları için özel olarak tasarlanacaktır.

    Hızlandırıcı Tahrikli Reaktörler ( ADS ): Alt kritik ADS sistemi, potansiyel olarak 'toryum kapasitesine sahip' olan geleneksel olmayan bir nükleer fisyon enerjisi konseptidir. Spallation nötronlar üretilen d bir hızlandırıcıdan yüksek enerjili protonlar kurşun gibi ağır bir hedefe çarptıklarında. Bu nötronlar, bir toryum yakıtı, örneğin geleneksel bir reaktörde olduğu gibi ısı üretmek için reaksiyona giren Th-plütonyum içeren bir bölgeye yönlendirilir. Sistem kritik altı kalır, yani proton ışını olmadan bir zincirleme reaksiyonu sürdüremez. Zorluklar, yüksek enerjili hızlandırıcıların güvenilirliğinde ve ayrıca yüksek güç tüketimleri nedeniyle ekonomide yatmaktadır.

    Toryum yakıt araştırmalarından bugüne kadar elde edilen önemli bir bulgu, yakıt yanmadığı sürece toryum yakıtlarla bölünebilir bir sürücü olarak düşük zenginleştirilmiş uranyum ( LEU -% 20'ye kadar U-235 içeriği ile ) kullanmanın ekonomik olarak uygun olmadığıdır. Up çok yüksek seviyelere alınabilir - zirkonyum kaplamalı LWR'lerde şu anda elde edilebilenlerin çok ötesinde.

    Yayılmanın önemi ile ilgili olarak, toryum bazlı güç reaktör yakıtları, bir patlayıcı cihazın yasadışı imalatında kullanılabilen bölünebilir malzeme için zayıf bir kaynak olacaktır. Tükenmiş toryum yakıtında bulunan U-233, çok radyoaktif yavru çekirdekler üretmek üzere bozunan U-232 içerir ve bunlar güçlü bir gama radyasyon alanı oluşturur. Bu, önemli kullanım sorunları yaratarak ve tespit edilebilirliği ( izlenebilirliği ) ve bu malzemeyi koruma yeteneğini büyük ölçüde artırarak çoğalmaya karşı direnç sağlar.