UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURETI

FACULTATEA ENERGETIC

- TORIU -

COMBUSTIBILUL VIITORULUI

Indrumtor tiinific :

Conf. dr. ing. PTRACU Roxana

Studenti:

STAFIE Catalin Alexandru

UHAN Mihai Cosmin

PARASCHIV Monica Andreea

BDI Ovidiu-Bogdan

BUCURETI

2013

Dezvoltare durabila

1

Cuprins

1. Introducere .......................................................................................2

3. Extracie ...........................................................................................4

3.1. Dezagregare acid si alcalin ......................................................4

4. Domenii de utilizare i implementri ............................................6

4.1. Reactoare nucleare .......................................................................6

4.1.1. Reactoare cu ap grea (PHWRs) ...........................................7

4.1.2. Reactoare de nalt teperatur racite cu gaz (HTRs) .............7

4.1.3. Reactoare cu ap uoar (BWRs) ..........................................7

4.1.4. Reactoare cu ap uoar sub presiune (PWRs) .....................8

4.1.5. Reactoare cu neutroni rapizi (FNRs) .....................................8

4.1.6. Reactoare cu accelerator de particule (ADS) ........................8

4.1.7. Reactoare cu sare topit (MSRs) ...........................................9

4.2. Maina cu toriu ..........................................................................10

5. Concluzii .........................................................................................10

6. Biliografie .......................................................................................11

Dezvoltare durabila

2

Fig.1 Cristal de torianit.

1. Introducere

Nevoia crescnd a lumii pentru energie, limitarea proviziilor noastre de

combustibili fosili i ngrijorarea fa de efectele emisiilor de carbon asupra mediului,

toate au condus la sporirea interesului pentru utilizarea la scar larg a energiei

nucleare.

Totui, nsui termenul de nuclear poart cu sine asocierea riscului i a

temerii. Oamenii sunt sceptici privitor la deeurile produse de reactoare, la

posibilitatea unor accidente catastrofale de tipul celor petrecute recent n Japonia i

de raportul dintre energie nuclear i armament nuclear. Dar cum ar fi s existe

perspectiva unei ere a alimentrii nucleare n snul creia toate aceste riscuri s fie

drastic reduse ?

Rspunsul ar putea veni de la toriu un element ce se formeaz n natur

sub forma unui metal argintiu care este mai abundent, mai curat i poate produce,

ieftin, mai mult energie dect uraniul.

2. Distribuie i grad de epuizare

Mineralul a fost prima oara descoperit de Morten Thrane Esmark pe insula

Lvya, Norvegia. Acesta nu stia ce este mineralul cu pricina asa, dar l-a inmanat

tatalui sau Jens Esmark care era mineralog. Nici acesta nu a putut deduce natura

mineralului ceea ce la determinat sa trimita materialul necunoscut chimistului Jns

Jakob Berzelius in 1828. Dupa analiza s-a

determinat un nou element chimic Toriu, numit

dupa zeul nordic Thor. (1)

Toriul se gaseste in cantitati mici in

majoritatea rocilor si tipurilor de sol. In scoarta

terestra este de trei ori mai abundent decat staniul

si aproape la fel de prezent ca plumbul. In sol toriu

se gaseste sub forma de ThSiO4, ThO2 (torianit) si

monazit. Torianitul (fig.1) este un mineral rar si

poate contine pana la 12% oxidul de toriul,

monazitul contine 2,5% oxid de toriu. Oxidul se

mai poate gasi si in zircon 0,4%. Mineralele care

Dezvoltare durabila

3

contin toriu se gasesc pe toate continentele. (2)

Toriul este mult mai concentrat in scoarta terestra decat toti izotopii de uraniu

combinati, la fel se poate spune si de izotopul Th232 care este de sute de ori mai

abundent decat U235.

In prezent nu se stie distributia exacta a minereului de toriu datorita unei foate

mici cereri pe piata. Singurele seturi estimate de distributie pe glob a fost facute de

Agenia Internaional pentru Energie Atomic (IAEA) (fig.2) si de US Geological

Survey (USGS).

Canada, China, Germania, India, Olanda, Regatul Unit al Marii Britanii i SUA

au fcut numeroase experimente utiliznd thoriul combustibil nuclear substituent.

Mai puin radioactiv dect uraniul, thoriul poate fi exploatat n cariere de suprafa,

iar acest lucru are un impact minim asupra mediului i costuri relativ reduse de

valorificare. (3)

Australia19%

USA15%

Turcia13%

India12%

Venezuela11%

Brazilia12%

Norvegia5%

Egipt4%

Russia3%

Groelanda2% Canada

2%

Africa de Sud1% Alte tari

1%

Fig.2 Statistici oferite de IAEA (2006), estimare facuta la un total estimat de 2 610 000 t Toriu

aflat pe glob.

Dezvoltare durabila

4

Fig.3 Mina de uraniu Paladin Langer Heinrich, Namibia

3. Extracie

Mozanitul este principala sursa pentru toriu, acesta este uor minat cu

echipamente i proceduri de minerit convenionale. Monazit dragat este amestecat

cu o varietate de alte minerale, inclusiv dioxid de siliciu, magnetit, ilmenit, zircon si

granat. Concentrarea se realizeaz prin splarea mineralelor uoare n tavi de

agitare i trecerea monazitului rezultat printr-o serie de separatoare

electromagnetice, care separa monazitul de alte minerale datorita diferitelor

permeabiliti magnetice ale mineralelor. (4) (5)

3.1. Dezagregare acida si alcalina

Dei monazitul este foarte stabil chimic , este susceptibil la atacul acizilor

minerali puternici (H2SO4) i alcaline (NaOH). n tratamentul cu acizi , nisipul fin de

monazit este digerat la 155-230C (310-445F) cu un concentrat de H2SO4 (93%).

Aceasta convertete att fosfatul i coninutul de metal al monazitului in specii

chimice solubile n ap . Soluia rezultat este pus n contact cu amoniac, intai

precipitand fosfatului de toriu intr-o mas gelatinoas i apoi transformand fosfatul

Dezvoltare durabila

5

Fig.4 Schematizare a procesului dezagregare acida si alcalina .

de toriu in hidroxid de toriu . n final hidroxidul toriu brut este dizolvat n acid azotic

pentru a produce o soluie de azotat de toriu adecvat pentru purificarea final cu

ajutorul solvenilor (extractie cu solvent).

n dezagregare alcalin , nisipul fin de monazit este atent tratat cu o soluie

concentrat de NaOH la 138C (280F), pentru a produce un produs de hidroxid

solid . Oricare din acizi tari este apoi utilizat pentru a dizolva acest reziduu solid . De

exemplu , prin tratamentul cu acid clorhidric se obine o soluie de toriu.

Convenional , toriu este parial separat de la de prin adugare de NaOH in soluia

de clorur acid. Precipitatul de hidroxid de toriu brut este dizolvat n acid azotic

pentru a forma o solutie propice purificarii finale prin extracie cu solvent. (5)

Pentru purificarea finala de reziduri si alti contaminanti prezenti in acidul

azotic, azotatul de toriu concentrat este pus in contact cu o solutie de tributil-fosfat

diluat cu o hidrocarbura. Extractul

organic care contine toriu este combinat

cu o mica cantitate de acid azotic pentru

a indeparta contaminanti pana la un nivel

acceptabil. Inca o trecere printr-o solutie

diluata de acid azotic a solventului

organic creeaza o solutie lichida

concentrata de azotat de toriu de puritate

mare. Solutia poate calcinata pt a forma

ThO2, care poate fi incorporat in elemen-

te ceramice folosite in reactoare nuclea-

re sau este convertit in metal.(fig.5) (4) Fig.5 Pudra si bucati de toriu.

Dezvoltare durabila

6

4. Domenii de utilizare i implementri

4.1. Reactoare nucleare

Toriu (Th232), nu este n sine fisionabil i deci nu este direct utilizabil ntr-un

reactor nuclear. Cu toate acestea, acesta este "fertil", iar la absorbtia unui neutron

se converteste in Th233, prin dezintegrare radioactiva trece in Pa233, care la randul

sau se dezingreaza in U233 care este un excelent material fisionabil. n acest sens,

este similar cu U238 (care transmut in Pu239). Prin urmare, toate conceptele

combustibil cer ca Th232 sa fie mai nti iradiat ntr-un reactor pentru a asigura

dozarea neutroni necesari. Prin urmare, toriul are nevoie de un material fisionabil

pentru a devenii in sine fisionabil, astfel nct o reacie n lan sa poate fi meninut.

Singurele opiunile ale materialului de fisiune sunt U233, U235 sau Pu239.

Este posibil, dar destul de dificil, pentru a proiecta combustibilul de toriu sa

produca mai mult de U233 n reactoare termice dect materialul fisionabil le consum

(aceasta este menionat ca avnd un raport de conversie mai mare decat 1, care

de asemenea, este numit reproducere). Reproducerea termica cu toriu prevede ca

economia de neutroni n reactor trebuie s fie foarte bun (de exemplu, trebuie s fie

pierderi minime a neutronilor prin evacuare sau de absorbie). Posibilitatea de a se

reproduce material fisionabil n sistemele cu neutroni lenti este o caracteristic unic

pentru toriu i nu este posibil cu uraniul.

In celulele de toriu noi, toata reactia fisiunie (astfel de putere i neutroni),

deriv din componenta unui material fisionabil. In timpul funcionari coninutul de U233

crete treptat i contribuie din ce in ce mai mult la puterea de emisie a reactorului.

Producia de energie de la Th232 (indirect toriu) depinde de numeroi parametri de

proiectare de a combustibilului, incluznd: timpul de ardere, aranjament combustibil,

spectru de energie i de fluxul de neutroni (care afecteaz un produs intermediar

Pa233, care este un absorbant de neutroni). Fisiunea unui nucleu de U233 elibereaza

aproximativ aceeai cantitate de energie (200 MeV), ca U235.

Th232 este fisionabil prin intermediul neutronilor rapizi de peste 1MeV. Asadar

poate fi folosit in reactoare cu sare topita cu uraniu sau plutoniu pentru a initia

reactia de fisiune. Din pacate Th232 fisioneaza numai cu o zecime parte a energiei cu

care fisioneaza U238, asadar nu exista un interes particular pentru a folosi toriu in

reactoare rapide. (6) (7) (8) (9)

Dezvoltare durabila

7

4.1.1. Reactoare cu ap grea (PHWRs)

Acestea sunt potrivite pentru combustibilul de toriu datorita combinaiei de

economie de neutroni, de media de viteza a neutronilor uor mai mare care

favorizeaza conversia la U233 si capacitatea flexibila de realimentare. Mai mult dect

att , reactoarele cu ap grea (n special de tip CANDU) sunt bine stabilite i pe

scar larg folosite.

Exist cerere potenial pentru a mbuntit Candu 6 ( EC6 ) i reactoare

ACR-1000 alimentate cu 5% plutoniu (calitate de reactor), plus toriu. n ciclul de

combustibil nchis , combustibilul fisionabil necesar pentru a porni reactia este

nlocuit progresiv cu U233 reciclat, astfel nct la atingerea echilibrului de 80 % din

energia vine de la toriu .

4.1.2. Reactoare de nalt teperatur racite cu gaz (HTRs)

Acestea sunt adecvate pentru combustibil pe baz de toriu sub form de

particule robuste 'TRISO' de toriu amestecat cu plutoniu sau uraniu mbogit,

acoperite cu straturi de carbon pirolitic si carbura de silicon, care rein gazele de

fisiune. Particulele de combustibil sunt ncorporate ntr-o matrice de grafit, care este

foarte stabila la temperaturi ridicate. Astfel de configuratii de combustibil pot fi

iradiate perioade foarte lungi i, astfel, ard complet materialul fisionabil original.

4.1.3. Reactoare cu ap usoar (BWRs)

Ansamblurilor de combustibil BWR pot fi concepute n mod flexibil n ceea ce

privete elementii de combustibil cu compoziii diferite (coninut de material

fisionabil), i caracteristicile structurale care s permit combustibil pentru a

experimenta mai mult sau mai puin moderaie (de exemplu, barele de combustibil

pe jumtate de lungime). Aceast flexibilitate de design este foarte buna pentru a fi

capabil de a veni cu aranjamente eterogene adecvate ale combustibilului. Este

posibil, de exemplu, pentru a proiecta configuratia combustibililor BWR de toriu-

plutoniu, care sunt adaptate pentru "arderea" surplusului de plutoniu. i mai

important, BWR sunt un tip de reactor bine studiat i liceniat. (10)

Dezvoltare durabila

8

4.1.4. Reactoare cu ap uoar sub presiune (PWRs)

Combustibil de toriu viabil poate fi proiectat pentru PWR, dei cu mai putina

flexibilitate dect pentru BWR. Combustibilul trebuie s fie n aranjamente eterogen,

pentru a realiza un indice satisfctoar de ridicat de ardere. Nu este posibil s se

proiecteze combustibili pe baz de toriu PWR care convertesc cantiti semnificative

de U233. Chiar dac PWRs nu sunt reactoare perfecte n care s se foloseasc toriu,

ele sunt foarte folosite in industrie i exist multa experien de acordare a licenelor

PWR.

4.1.5. Reactoare cu neutroni rapizi (FNRs)

Toriu poate servi ca o component de combustibil pentru reactoare care

funcioneaz cu neutroni rapizi - n care o gam mai larg de nuclei grei sunt

fisionabil i poate intretine un combustibil de toriu. Exist, totui, nici un avantaj

relativ n a utiliza toriu n loc de uraniu srcit (DU) ca o matrice de combustibil fertil

n aceste reactoare datorit unei rate rapide fisiune mare pentru U238 i contribuia la

fisiunea U235-uli rezidual. De asemenea, exist o cantitate mare de uraniu srcit

disponibil pentru utilizare, asadar toriu nu are nici un avantaj competitiv n aceste

sisteme.

4.1.6. Reactoare cu accelerator de particule (ADS)

Sistemul ADS sub-critic este un concept neconvenional de energie prin

fisiune nuclear care ar fi compatibil cu toriul. Neutroni sunt produsi cnd protoni de

mare energie de la un acelerator de particule lovesc o int grea ca plumbul. Acesti

neutroni sunt ndreptati catre o regiune care conine un combustibil de toriu, de

exemplu: Th-Pu care reacioneaz pentru a produce cldur ca ntr-un reactor

convenional. Sistemul rmne subcritic, n imposibilitatea de a susine o reacie n

lan fr a fasciculului de protoni. Dificultile se afl cu fiabilitatea de acceleratori de

mare energie i, de asemenea, din cauza consumului ridicat de energie .

n ceea ce privete semnificaia proliferatiei, reactorul pe baz de toriu ar fi o

surs slab de material fisionabil utilizat n fabricarea ilicit a unui dispozitiv exploziv.

U233-ul coninut n combustibil toriu uzat conine U232, care se descompune pentru a

produce nuclei foarte radioactivi i acestea creeaz un cmp puternic de radiaii

gamma. Acest lucru confera rezistenta proliferare prin crearea de probleme

Dezvoltare durabila

9

Fig.6 Reactor cu sare topita - schema.

importante de manipulare i de creterea foarte mult de a detectabilitatea

(urmarirea) i capacitatea de a proteja acest material.

4.1.7. Reactoare cu sare topit (MSRs)

Aceste reactoare sunt nc n faza de proiectare, dar par a fi foarte bine

potrivite pentru utilizarea toriului ca combustibil. Combustibilul unic lichid poate

ncorpora fluoruri de toriu i uraniu (U233 i/sau U235) ca parte dintr-un amestec de

sare care se topete n intervalul 400-700C, iar acest lichid servete att ca fluid de

transfer termic i ca matrice pentru fisiunea combustibilului. Fluidul circul printr-o

regiune de baz i apoi printr-un circuit de prelucrare chimic care inlatura diferite

produse de fisiune i/sau U233 de valoare. Nivelul de moderaie este dat de cantitatea

de grafit construit n miez. Anumite design-uri MSR vor fi proiectate n mod special

pentru combustibili toriu pentru a produce cantiti utile de U233. (11)

Dezvoltare durabila

10

Fig.7 Scheama termica a conceptului masinii cu toriu.

4.2. Maina cu toriu

Recent o companie americana Laser Power Systems (LPS) a sustinut ca a

reusit sa dezvolte o noua metoda propulsie pentru automobile bazat pe toriu (fig.7).

Masina ar folosi o turbina electrica pe aburi propulsata prin lovirea toriului cu o raza

laser care face materialul sa se incalzeasca in asa fel incat degaja energie si

supraincalzeste un lichid. Din comunicatele de presa reiese ca o unitate de 250 kW

(335cp) de 225 kg ar fi destul de mica pentru a incapea sub capota unei masini.

Teoretic 1g de toriu este echivalentul a 28 000 l de benzina. Dupa calculele

americanilor 8g de toriu ar putea propulsa masina 5 000 de h sau 480 000 km.

5. Concluzii

Ciclul combustibilului de toriu ofera securitate in energie pe termen lung

datorita potentialului de a se autointretine fara a fi nevoie de neutroni rapizi. Acesta

e foarte abundent si greu de folosit in arme nucleare. Din punct de vedere economic

este foate viabil fiind usor de extras si nu este nevoie de masuri de protectie prea

avansate in manipularea materialului.

Reactoarele LFTR (baza de sare topita) sunt foarte atractive deoarece

functioneaza la presiune atmosferica , asadar exploziile hidrogen asemanatoare

celor de la Fukushima nu sunt posibile. In caz de accident datorita imposibilitati

reactorului de a mentine reactia de fusiune, procesul se opreste singur.

Dezvoltare durabila

11

In termen de reziduri, acestea sunt chiar mai mici decat un reactor pe uraniu,

iar radioactivitatea scade la nivele acceptabile in cateva sute de ani, in comparatie

cu zeci de mii de ani ale deseurilor nucleare din prezent.

Costul combustibilului este si el mic deoarece nu trebuie imbogatit. In prezent

se estimeaza ca o tona de toriu este echivalentul a 200 tone de uraniu sau 3 500

000 tone de carbuni. (12)

6. Biliografie

1. Wickleder, Mathias S. Thorium. Springer Science Business Media. 2006.

2. Hammond, C. R. The Elements, Handbook of Chemistry and Physics. CRC press,

2004.

3. Agency, International Atomic Energy. Thorium Fuel Cycle-Potential Benefits and

Challenges. 2005.

4. Mark, Herman F. Encyclopedia of Chemical Technology. 197884.

5. Wolfgang, Gerhartz. Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry. 1985.

6. Agency, International Atomic Energy. Thorium based fuel options for the generation of

electricity Developments in the 1990s. 2000.

7. Kazimi, M.S. Thorium Fuel for Nuclear Energy. American Scientist. 2003.

8. Mathers, D. The Thorium Fuel Cycle. 2013.

9. David, S. Revisiting the Thorium-Uranium Nuclear Fuel Cycle. Europhysics News. 2007.

10. Herring, J.S. Thorium-based Transmuter Fuels for Light Water Reactors. Nuclear

Technology. 2004.

11. Moir, Robert Hargraves and Ralph. Liquid Fluoride Thorium Reactor. American

Scientist. 2010.

12. Moir, Ralph W. and Teller, Edward. Thorium-fueled Reactor Using Molten Salt

Technology. Journal of Nuclear Technology. 2005.