Елемент, названий на честь одного з головних скандинавських богів, може врятувати людство від енергетичної кризи, яка чекає нас у найближчому майбутньому.
1815 року знаменитий шведський хімік Єнс Якоб Берцеліус заявив про відкриття нового елемента, який він назвав торієм на честь Тора, бога-громовержця і сина верховного скандинавського бога Одіна. Однак 1825 року виявилося, що відкриття це було помилкою. Проте назва стала в нагоді - його Берцеліус дав новому елементу, який він виявив у 1828 році в одному з норвезьких мінералів (зараз цей мінерал називається торит). Цьому елементу, можливо, належить велике майбутнє, де він зможе зіграти в атомній енергетиці роль, що не поступається за важливістю головному ядерному паливу - урану.
Далекі родичі бомби
Атомна енергетика, на яку зараз покладається стільки надій, - це побічна гілка військових програм, основними цілями яких було створення атомної зброї (а трохи пізніше реакторів для підводних човнів). Як ядерний матеріал для виготовлення бомб можна було вибрати з трьох можливих варіантів: уран-235, плутоній-239 або уран-233.
Так виглядає торієвий ядерний цикл, що ілюструє перетворення торію на високоефективне ядерне паливо - уран-233.
Уран-235 міститься в природному урані в дуже невеликій кількості - всього 0,7% (решта 99,3% становить ізотоп 238), і його потрібно виділити, а це дорогий і складний процес. Плутоній-239 не існує в природі, його потрібно напрацьовувати, опромінюючи нейтронами уран-238 в реакторі, а потім виділяючи його з опроміненого урану. Таким же чином можна отримувати уран-233 шляхом опромінення нейтронами торію-232.
Ідеальна екосистема
У 1960-х планувалося замкнути ядерний цикл з урану і плутонію з використанням приблизно 50% АЕС на теплових реакторах і 50% на швидких. Але розробка швидких реакторів викликала труднощі, так що в даний час експлуатується лише один такий реактор - БН-600 на Білоярській АЕС (і побудований ще один - БН-800). Тому збалансовану систему можна створити з торієвих теплових реакторів і приблизно 10% швидких реакторів, які будуть заповнювати відсутнє паливо для теплових.
Перші два способи в 1940-х роках були реалізовані, а ось з третім фізики вирішили не возитися. Справа в тому, що в процесі опромінення торія-232 крім корисного урану-233 утворюється ще й шкідлива примесь - уран-232 з періодом напіврозпаду в 74 роки, ланцюжок розпадів якого призводить до появи таллію-208. Цей ізотоп випромінює високоенергетичні (жорсткі) гамма-кванти, для захисту від яких потрібні товстенні свинцеві плити. Крім того, жорстке гамма-випромінювання виводить з ладу керуючі електронні ланцюги, без яких неможливо обійтися в конструкції зброї.
Торієвий цикл
Проте про торію не зовсім забули. Ще в 1940-х роках Енріко Фермі запропонував напрацьовувати плутоній в реакторах на швидких нейтронах (це більш ефективно, ніж на теплових), що призвело до створення реакторів EBR-1 і EBR-2. У цих реакторах уран-235 або плутоній-239 є джерелом нейтронів, що перетворюють уран-238 на плутоній-239. При цьому плутонія може утворюватися більше, ніж «спалюється» (в 1,3 − 1,4 рази), тому такі реактори називаються «розмножувачами».
Інша наукова група під керівництвом Юджина Вігнера запропонувала свій проект реактора-розмножувача, але не на швидких, а на теплових нейтронах, з торієм-232 як опромінюваний матеріал. Коефіцієнт відтворення при цьому зменшився, але конструкція була більш безпечною. Однак існувала одна проблема. Торієвий паливний цикл виглядає таким чином. Поглинаючи нейтрон, торій-232 переходить в торій-233, який швидко перетворюється на протактиній-233, а він вже мимовільно розпадається на уран-233 з періодом напіврозпаду 27 днів. І ось протягом цього місяця протактиній поглинатиме нейтрони, заважаючи процесу напрацювання. Для вирішення цієї проблеми добре б вивести протактиний з реактора, але як це зробити? Адже постійне завантаження і вивантаження палива зводить ефективність напрацювання майже до нуля. Вігнер запропонував дуже дотепне рішення - реактор з рідким паливом у вигляді водного розчину солей урану. У 1952 році в Національній лабораторії в Оак-Ріджі під керівництвом учня Вигнера, Елвіна Вайнберга, був побудований прототип такого реактора - Homogeneous Reactor Experiment (HRE-1). А незабаром з'явилася ще більш цікава концепція, яка ідеально підходила для роботи з торієм: це реактор на розплавах солей, Molten-Salt Reactor Experiment. Паливо у вигляді фториду урану було розчинено в розплаві фторидів літію, берилію і цирконію. MSRE пропрацював з 1965 по 1969 рік, і хоча торій там не використовувався, сама концепція виявилася цілком працездатною: використання рідкого палива підвищує ефективність напрацювання і дозволяє виводити з активної зони шкідливі продукти розпаду.
Рідкосольовий реактор дозволяє набагато більш гнучко керувати паливним циклом, ніж звичайні теплові станції, і використовувати паливо з найбільшою ефективністю, виводячи шкідливі про "