دورة وقود الثوريوم

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 18 صور
الموسوعة الحرة
عينة من الثوريوم

دورة وقود الثوريوم هي دورة وقود نووي تستخدم نظيرًا من الثوريوم ، 232الثول ، كمادة خصبة . في المفاعل، 232يتحول الثيول إلى نظير اليورانيوم الاصطناعي القابل للانشطار 233اليورانيوم (U ) هو الوقود النووي . على عكس اليورانيوم الطبيعي ، يحتوي الثوريوم الطبيعي على كميات ضئيلة فقط من المواد الانشطارية (مثل 231).232 ، وهي كميات غير كافية لبدء تفاعل نووي متسلسل . يلزم وجود مواد انشطارية إضافية أو مصدر نيوتروني آخر لبدء دورة الوقود. في مفاعل يعمل بالثوريوم، 232يمتص الثوريوم النيوترونات لإنتاج 233يو . وهذا يوازي العملية في مفاعلات توليد اليورانيوم حيث يتم إنتاج اليورانيوم الخصب 238يمتص اليورانيوم النيوترونات لتكوين 239 قابل للانشطارالبلوتونيوم . اعتمادًا على تصميم المفاعل ودورة الوقود، فإن 233 المتولدإما أن ينشطر اليورانيوم في مكانه أو يتم فصله كيميائياً عن الوقود النووي المستخدم وتشكيله في وقود نووي جديد.

تتمتع دورة وقود الثوريوم بعدة مزايا محتملة مقارنةً بدورة وقود اليورانيوم ، بما في ذلك وفرة الثوريوم ، وخصائصه الفيزيائية والنووية المتفوقة، وانخفاض إنتاج البلوتونيوم والأكتينيدات ، [ 1 ] ومقاومة أفضل لانتشار الأسلحة النووية عند استخدامه في مفاعل الماء الخفيف التقليدي [ 1 ] [ 2 ]، ولكن ليس في مفاعل الملح المنصهر . [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

تاريخ

أثارت المخاوف بشأن محدودية موارد اليورانيوم العالمية الاهتمام الأولي بدورة وقود الثوريوم. [ 6 ] كان يُعتقد أنه مع استنزاف احتياطيات اليورانيوم، سيُكمّل الثوريوم اليورانيوم كمادة خام. مع ذلك، كان اليورانيوم متوفرًا بكثرة نسبيًا في معظم البلدان، فتراجع البحث في دورات وقود الثوريوم. وكان برنامج الطاقة النووية الهندي ثلاثي المراحل، الذي اقترحه هومي ج. بهابها ، استثناءً بارزًا . [7] في القرن الحادي والعشرين، أدى الادعاء بإمكانية الثوريوم في تحسين مقاومة الانتشار النووي وخصائص النفايات إلى تجدد الاهتمام بدورة وقود الثوريوم. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] في حين أن الثوريوم أكثر وفرة في القشرة القارية من اليورانيوم، ويُستخرج بسهولة من المونازيت كمنتج ثانوي لتعدين العناصر الأرضية النادرة ، إلا أنه أقل وفرة بكثير في مياه البحر من اليورانيوم. [ 10 ]

في مختبر أوك ريدج الوطني في الستينيات، استخدمت تجربة مفاعل الملح المنصهر 233استُخدم اليورانيوم كوقود انشطاري في تجربة لإثبات جدوى جزء من مفاعل التوليد بالملح المنصهر، المصمم للعمل بدورة وقود الثوريوم. قيّمت تجارب مفاعل الملح المنصهر (MSR) جدوى استخدام الثوريوم، باستخدام فلوريد الثوريوم (IV) المذاب في سائل ملح منصهر ، مما ألغى الحاجة إلى تصنيع عناصر الوقود. تم إيقاف تمويل برنامج مفاعل الملح المنصهر عام 1976 بعد فصل راعيه ألفين واينبرغ . [ 11 ]

في عام 1993، اقترح كارلو روبيا مفهوم مُضخِّم الطاقة أو "النظام المُشغَّل بالمُسرِّع" (ADS)، الذي اعتبره طريقةً جديدةً وآمنةً لإنتاج الطاقة النووية تستغل تقنيات المُسرِّعات الموجودة. وقدّم اقتراح روبيا إمكانية حرق النفايات النووية عالية النشاط وإنتاج الطاقة من الثوريوم الطبيعي واليورانيوم المُستنفد . [ 12 ] [ 13 ]

كان كيرك سورنسن، العالم السابق في وكالة ناسا وكبير التقنيين في شركة فليب إنرجي، من أشدّ الداعمين لدورة وقود الثوريوم، ولا سيما مفاعلات الثوريوم السائل بالفلوريد (LFTRs). بدأ سورنسن أبحاثه حول مفاعلات الثوريوم أثناء عمله في ناسا، حيث كان يُقيّم تصاميم محطات الطاقة المناسبة للمستعمرات القمرية. وفي عام 2006، أطلق موقع "energyfromthorium.com" للترويج لهذه التقنية ونشر المعلومات عنها. [ 14 ]

خلصت دراسة أجراها معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عام 2011 إلى أنه على الرغم من قلة العوائق أمام دورة وقود الثوريوم، إلا أن تصاميم مفاعلات الماء الخفيف الحالية أو القريبة المدى لا توفر حافزًا يُذكر لتحقيق انتشار واسع النطاق في السوق. وبناءً على ذلك، خلصت الدراسة إلى أن فرص استبدال دورات الثوريوم لدورات اليورانيوم التقليدية في سوق الطاقة النووية الحالية ضئيلة، على الرغم من الفوائد المحتملة. [ 15 ]

التفاعلات النووية مع الثوريوم

في دورة الثوريوم، يتكون الوقود عندما 232يلتقط الثيول نيوترونًا ( سواء في مفاعل سريع أو مفاعل حراري ) ليصبح 233Th . عادةً ما ينبعث من هذا إلكترون ومضاد نيوترينو ( ν ) عن طريق β −يتحلل ليصبح 233Pa . ثم ينبعث من هذا إلكترون آخر ونيوترينو مضاد بواسطة β − ثانٍيتحلل ليصبح 233الوقود U :

نالنيوترون+ذ90232⟶ذ90233→β-با91233→β-يو92233وقود$

نفايات نواتج الانشطار

ينتج عن الانشطار النووي نواتج انشطار مشعة قد يتراوح عمر النصف لها من أيام إلى أكثر من 200,000 عام . ووفقًا لبعض دراسات السمية [ 16 ] ، يمكن لدورة الثوريوم إعادة تدوير نفايات الأكتينيدات بالكامل، ولا تُصدر سوى نواتج الانشطار. وبعد بضع مئات من السنين، قد تكون نفايات مفاعل الثوريوم أقل سمية من خام اليورانيوم الذي كان سيُستخدم لإنتاج وقود اليورانيوم منخفض التخصيب لمفاعل الماء الخفيف ذي القدرة نفسها. وتفترض دراسات أخرى وجود بعض الفقد في الأكتينيدات، وتُشير إلى أن نفايات الأكتينيدات تُهيمن على النشاط الإشعاعي لنفايات دورة الثوريوم في بعض الفترات المستقبلية [ 17 ] . وقد اقتُرح استخدام بعض نواتج الانشطار في التحويل النووي ، مما سيُقلل بشكل أكبر من كمية النفايات النووية ومدة تخزينها (سواء في مستودع جيولوجي عميق أو في أي مكان آخر). مع ذلك، ورغم إثبات الجدوى الأساسية لبعض هذه التفاعلات على نطاق المختبر، فإنه حتى عام ٢٠٢٤، لم تُجرَ أي عملية تحويل نووي متعمدة واسعة النطاق لمنتجات الانشطار في أي مكان في العالم، ويركز مشروع MYRRHA البحثي القادم في مجال التحويل النووي بشكل أساسي على النفايات العابرة لليورانيوم. علاوة على ذلك، فإن المقطع العرضي لبعض منتجات الانشطار منخفض نسبيًا، بينما توجد منتجات أخرى - مثل السيزيوم - على شكل خليط من النظائر المستقرة قصيرة العمر وطويلة العمر في النفايات النووية، مما يجعل عملية التحويل النووي تعتمد على فصل النظائر المكلف .

نفايات الأكتينيدات

في المفاعل، عندما يصطدم نيوترون بذرة قابلة للانشطار (مثل بعض نظائر اليورانيوم)، فإنه إما يقسم النواة أو يتم التقاطه وتحويل الذرة. في حالة النظير 233عندما يكون اليورانيوم 233 ، تميل عمليات التحويل النووي إلى إنتاج وقود نووي مفيد بدلاً من النفايات العابرة لليورانيوم .يمتص اليورانيوم نيوترونًا، إما أن ينشطر أو يتحول إلى 234تبلغ احتمالية الانشطار عند امتصاص نيوترون حراري حوالي 92%؛ ونسبة الامتصاص إلى الانشطار هي 233وبالتالي، فإن نسبة U  تبلغ حوالي 1:12 ، وهي نسبة أفضل من نسب الالتقاط مقابل الانشطار المقابلة البالغة 235.U (حوالي 1:6)، أو 239البلوتونيوم أو 241البلوتونيوم (كلاهما بنسبة 1:3 تقريبًا). [ 6 ] [ 18 ] والنتيجة هي نفايات عابرة لليورانيوم أقل مما هي عليه في مفاعل يستخدم دورة وقود اليورانيوم-البلوتونيوم.

التحولات في دورة وقود الثوريوم
  • v
  • ت
  • هـ
237 Np
↑
231 يو←232 يو↔233 يو↔234 يو↔235 يو↔236 يو→237 يو
↓↑↑↑
231 باسكال→232 باسكال←233 باسكال→234 باسكال
↑↑
230​→231​←232 Th→233​
  • النظائر المشعة ذات الخلفية الصفراء المكتوبة بخط مائل لها أعمار نصفية أقل من 30  يومًا
  • النظائر الموضحة بخط غامق لها أعمار نصفية تزيد عن مليون  سنة
  • النوى الموجودة في الإطارات الحمراء قابلة للانشطار

234اليورانيوم ، مثل معظم الأكتينيدات التي تحتوي على عدد زوجي من النيوترونات، ليس قابلاً للانشطار، لكن التقاط النيوترونات ينتج عنه اليورانيوم 235 القابل للانشطارإذا فشل النظير القابل للانشطار في الانشطار عند التقاط النيوترون، فإنه ينتج 236يو ، 237رقم 238​البلوتونيوم ، وفي النهاية الانشطاري 239البلوتونيوم ونظائره الأثقل . 237يمكن إزالة النبتونيوم وتخزينه كنفايات أو الاحتفاظ به وتحويله إلى بلوتونيوم، حيث ينشطر جزء أكبر منه، بينما يصبح الباقي 242ثم البلوتونيوم ، ثم الأمريسيوم والكوريوم، والتي بدورها يمكن إزالتها كنفايات أو إعادتها إلى المفاعلات لمزيد من التحويل والانشطار.

ومع ذلك، فإن الـ 231Pa (مع نصف عمر يبلغ3.27 × 10 4  سنوات ) تشكلت عبر تفاعلات ( n ،2n ) مع 232Th (ينتج 231الثوريوم الذي يتحلل إلى 231على الرغم من أن نظير البيروكربونات (Pa ) ليس من النفايات العابرة لليورانيوم، إلا أنه يُعدّ مساهماً رئيسياً في السمية الإشعاعية طويلة الأمدللوقود النووي المستهلك.من حيث المبدأ، يمكن تحويل Pa مرة أخرى إلى 232Th عن طريق امتصاص النيوترونات ، فإن مقطع امتصاص النيوترونات الخاص به منخفض نسبيًا، مما يجعل هذا الأمر صعبًا نوعًا ما وربما غير اقتصادي.

تلوث اليورانيوم-232

232يتشكل اليورانيوم أيضًا في هذه العملية، عبر تفاعلات ( ن ، 2 ن ) بين النيوترونات السريعة و 233يو ، 233Pa و 232ذ :

ذ90232→+نذ90233→β-با91233→β-يو92233→+ن-2نيو92232ذ90232→+نذ90233→β-با91233→+ن-2نبا91232→β-يو92232ذ90232→+ن-2نذ90231→β-با91231→+نبا91232→β-يو92232{\displaystyle {\begin{aligned}{}\\{\ce {{^{232}_{90}Th}->[+n]{^{233}_{90}Th}->[\beta ^{-}]{^{233}_{91}Pa}{\text{ }}->[\beta ^{-}]{^{233}_{92}U}->[+n-2n]{^{232}_{92}U}}}\\{\ce {{^{232}_{90}Th}->[+n]{^{233}_{90}Th}->[\beta ^{-}]{^{233}_{91}Pa}{\text{ }}->[+n-2n]{^{232}_{91}Pa}->[\beta ^ {-}] {^ {232} _ {92} U}}} \\ {\ ce {{^ {232} _ {90} ث} -> [+ n-2n] {^ {231} _ {90} ث} -> [\ beta ^ {-}] {^ {231} _ {91} باسكال {\ نص { }}->[+n]{^{232}_{91}Pa}->[\beta ^{-}]{^{232}_{92}U}}}\\{}\end{محاذاة}}}

على عكس معظم النظائر الثقيلة ذات الأرقام الزوجية، 232يُعد اليورانيوم أيضًا وقودًا انشطاريًا، حيث ينشطر في أكثر من نصف الوقت الذي يمتص فيه نيوترونًا حراريًا. [ 19 ] 232يتمتع اليورانيوم بعمر نصف قصير نسبياً (68.9  سنة )، وبعض نواتج التحلل تُصدر إشعاع غاما عالي الطاقة ، مثل 220Rn , 212ثنائي وخاصة 208Tl . سلسلة الاضمحلال الكاملة ، بالإضافة إلى فترات نصف العمر وطاقات أشعة غاما ذات الصلة، هي:

سلسلة اضمحلال 4 نيوكليوتيدات للثوريوم 232 ، والتي تسمى عادةً "سلسلة الثوريوم".

232يتحلل اليورانيوم إلى 228حيث ينضم إلى سلسلة تحلل 232ذ

يو92232→αذ90228 (68.9 yهـأرs)ذ90228→αرع88224 (1.9 yهـأر)رع88224→αممرضة مسجلة86220 (3.6 دأy، 0.24 مهـV)ممرضة مسجلة86220→αبو84216 (55 s، 0.54 مهـV)بو84216→αالرصاص82212 (0.15 s)الرصاص82212→β-ثنائي الجنس83212 (10.64 ح)ثنائي الجنس83212→αتي إل81208 (61 م، 0.78 مهـV)تي إل81208→β-الرصاص82208 (3 م، 2.6 مهـV){\displaystyle {\begin{aligned}{}\\{\ce {^{232}_{92}U ->[\alpha] ^{228}_{90}Th}}\ &\mathrm {(68.9\ years)} \\{\ce {^{228}_{90}Th ->[\alpha] ^{224}_{88}Ra}}\ &\mathrm {(1.9\ year)} \\{\ce {^{224}_{88}Ra ->[\alpha] ^{220}_{86}Rn}}\ &\mathrm {(3.6\ day,\ 0.24\ MeV)} \\{\ce {^{220}_{86}Rn ->[\alpha] ^{216}_{84}Po}}\ &\mathrm {(55\ s,\ 0.54\ MeV)} \\{\ce {^{216}_{84}Po ->[\alpha] ^{212}_{82}Pb}}\ &\mathrm {(0.15\ s)} \\{\ce {^{212}_{82}Pb ->[\beta^-] ^{212}_{83}Bi}}\ &\mathrm {(10.64\ h)} \\{\ce {^{212}_{83}Bi ->[\alpha] ^{208}_{81}Tl}}\ &\mathrm {(61\ m,\ 0.78\ MeV)} \\{\ce {^{208}_{81}Tl ->[\beta^-] ^{208}_{82}Pb}}\ &\mathrm {(3\ m,\ 2.6\ MeV)} \\{}\end{aligned}}}

تنتج وقود دورة الثوريوم انبعاثات غاما عالية الطاقة ، والتي تُلحق الضرر بالإلكترونيات، مما يحد من استخدامها في القنابل. 232لا يمكن فصل اليورانيوم كيميائياً عن 233يُستخرج اليورانيوم من الوقود النووي المستهلك ؛ ومع ذلك، فإن الفصل الكيميائي للثوريوم عن اليورانيوم يزيل ناتج التحلل 228والإشعاع الناتج عن بقية سلسلة الاضمحلال، والذي يتراكم تدريجياً ليصبح 228يتراكم الثيوفين مجدداً. ويمكن تجنب التلوث أيضاً باستخدام مفاعل توليد الملح المنصهر وفصل الثيوفين 233Pa قبل أن يتحلل إلى 233U . [ 3 ] كما أن انبعاثات جاما الصلبة تشكل خطرًا إشعاعيًا يتطلب التعامل عن بعد أثناء إعادة المعالجة.

الوقود الكهربائي

يُعد الثوريوم مادة خصبة، وهو مشابه للنظير 238.يشكل اليورانيوم-232 الجزء الأكبر من اليورانيوم الطبيعي والمستنفد. المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات الحرارية (σ a ) وتكامل الرنين (متوسط ​​المقاطع العرضية للنيوترونات على طاقات النيوترونات المتوسطة) لليورانيوم -232وهي تعادل حوالي ثلاثة أضعاف وثلث القيم المقابلة لها في 238يو .

المزايا

تتمثل الميزة الفيزيائية الأساسية لوقود الثوريوم في أنه يُتيح بشكل فريد إمكانية إنشاء مفاعل توليد يعمل بالنيوترونات البطيئة ، والمعروف أيضًا باسم مفاعل التوليد الحراري . [ 6 ] غالبًا ما تُعتبر هذه المفاعلات أبسط من مفاعلات التوليد التقليدية التي تعمل بالنيوترونات السريعة. على الرغم من أن المقطع العرضي لانشطار النيوترونات الحرارية (σ f ) للنيوترون 233 الناتجU قابلة للمقارنة مع 235يو و 239يتميز البلوتونيوم -233 بمقطع عرضي منخفض جدًا ( σγ ) للامتصاص مقارنةً بالنظيرين الانشطاريين الآخرين، مما يقلل من امتصاص النيوترونات غير الانشطارية ويحسن من كفاءة استخدام النيوترونات . نسبة النيوترونات المنبعثة لكل نيوترون ممتص (η) في البلوتونيوم -233تكون قيمة U أكبر من اثنين عبر نطاق واسع من الطاقات، بما في ذلك الطيف الحراري. يحتاج مفاعل التوليد في دورة اليورانيوم-بلوتونيوم إلى استخدام النيوترونات السريعة، لأنه في الطيف الحراري، يمتص 239 نيوترونًا واحدًا بواسطةيؤدي البلوتونيوم في المتوسط ​​إلى إنتاج أقل من نيوترونين.

يُقدّر أن الثوريوم أكثر وفرة من اليورانيوم بثلاثة إلى أربعة أضعاف في قشرة الأرض، [ 20 ] على الرغم من أن المعرفة الحالية باحتياطياته محدودة. وقد تم تلبية الطلب الحالي على الثوريوم كمنتج ثانوي لاستخراج العناصر الأرضية النادرة من رمال المونازيت . والجدير بالذكر أن كمية الثوريوم المذابة في مياه البحر ضئيلة للغاية، لذا فإن استخراجه من مياه البحر غير مجدٍ اقتصاديًا، كما هو الحال مع اليورانيوم. وباستخدام مفاعلات التوليد، يمكن لموارد الثوريوم واليورانيوم المعروفة توليد طاقة على نطاق عالمي لآلاف السنين.

تتميز أنواع الوقود القائمة على الثوريوم أيضًا بخصائص فيزيائية وكيميائية مواتية تُحسّن أداء المفاعلات والمستودعات النووية . بالمقارنة مع وقود المفاعلات السائد، ثاني أكسيد اليورانيوم ( UO₂)2 )،ثاني أكسيد الثوريوم(ThO2 ) يتميز بنقطة انصهارأعلىوموصلية حراريةأعلى،ومعامل تمدد حراري. كما يتميز ثاني أكسيد الثوريومبثبات كيميائي، وعلى عكس ثاني أكسيد اليورانيوم، لايتأكسد. [ 6 ]

لأن 233اليورانيوم الناتج في وقود الثوريوم ملوث بشكل كبير بالنظير 232في تصميمات مفاعلات الطاقة المقترحة، يمتلك الوقود النووي المستهلك القائم على الثوريوم مقاومة متأصلة للانتشار النووي . 232لا يمكن فصل اليورانيوم كيميائياً عن 233يحتوي اليورانيوم على العديد من نواتج التحلل التي تُصدر إشعاع غاما عالي الطاقة . تُشكل هذه الفوتونات عالية الطاقة خطرًا إشعاعيًا يستلزم استخدام تقنيات التعامل عن بُعد مع اليورانيوم المفصول، ويساعد في الكشف السلبي عن هذه المواد.

على المدى الطويل (في حدود تقريبًا10 3 إلى(10-6 سنوات  ) يهيمن البلوتونيوم والأكتينيدات الثانوية الأخرى على المخاطر الإشعاعية للوقود النووي المستهلك التقليدي القائم على اليورانيوم ، وبعد ذلك تصبح نواتج الانشطار طويلة العمر مساهمًا مهمًا مرة أخرى. التقاط نيوترون واحد في 238يكفي اليورانيوم لإنتاج العناصر العابرة لليورانيوم ، بينما يلزم عمومًا خمس عمليات التقاط للقيام بذلك من 23298-99 % من نوى وقود دورة الثوريوم ستنشطر عند 233يو أو 235وبالتالي ، يتم إنتاج عدد أقل من العناصر العابرة لليورانيوم طويلة العمر. ولهذا السبب، يُعد الثوريوم بديلاً جذاباً محتملاً لليورانيوم في وقود الأكاسيد المختلطة (MOX) لتقليل إنتاج العناصر العابرة لليورانيوم وزيادة تدمير البلوتونيوم إلى أقصى حد. [ 21 ]

العيوب

توجد عدة تحديات أمام استخدام الثوريوم كوقود نووي، وخاصة بالنسبة للمفاعلات التي تعمل بالوقود الصلب:

على عكس اليورانيوم، فإن الثوريوم الموجود في الطبيعة أحادي النظير فعليًا ولا يحتوي على نظائر قابلة للانشطار؛ المادة الانشطارية، بشكل عام 233يو ، 235يجب إضافة اليورانيوم أو البلوتونيوم لتحقيق التفاعل المتسلسل . هذا، إلى جانب درجة حرارة التلبيد العالية اللازمة لصنع وقود ثاني أكسيد الثوريوم، يُعقّد عملية تصنيع الوقود. أجرى مختبر أوك ريدج الوطني تجارب على رباعي فلوريد الثوريوم كوقود في مفاعل الملح المنصهر من عام 1964 إلى عام 1969، والذي كان من المتوقع أن يكون أسهل في المعالجة والفصل عن الملوثات التي تُبطئ أو توقف التفاعل المتسلسل.

في دورة وقود مفتوحة (أي باستخدام 233( في الموقع)، يلزم معدل احتراق أعلى لتحقيق اقتصاد نيوتروني مُرضٍ . على الرغم من أن ثاني أكسيد الثوريوم أظهر أداءً جيدًا عند معدلات احتراق تبلغ 170,000 ميغاواط يوم/طن و150,000 ميغاواط يوم/طن في محطة توليد الطاقة في فورت سانت فرين ومحطة AVR على التوالي، [ 6 ] إلا أن التحديات تُعقّد تحقيق ذلك في مفاعلات الماء الخفيف ، التي تُشكّل الغالبية العظمى من مفاعلات الطاقة الحالية.

في دورة وقود الثوريوم أحادية المرور، تنتج أنواع الوقود القائمة على الثوريوم كميات أقل بكثير من العناصر العابرة لليورانيوم طويلة العمر مقارنة بأنواع الوقود القائمة على اليورانيوم، ولكن بعض منتجات الأكتينيدات طويلة العمر لا تزال تشكل تأثيرًا إشعاعيًا طويل الأمد، وخاصة 231با و 233U. [ 16 ] في دورة مغلقة ، 233U و 231يمكن إعادة معالجة Pa . 231يُعتبر Pa أيضًا مادة ممتازة لامتصاص السموم القابلة للاحتراق في مفاعلات الماء الخفيف. [ 22 ]

يتمثل أحد التحديات الأخرى المرتبطة بدورة وقود الثوريوم في الفترة الزمنية الطويلة نسبياً التي يتم خلالها 232السلالات حتى 233U. نصف عمر 233​يبلغ عمر النصف لـ Pa حوالي 27 يومًا، وهو أطول بعشر مرات من عمر النصف لـ 239Np . ونتيجة لذلك، 233 كبيرةيتطور عنصر البا في أنواع الوقود القائمة على الثوريوم. 233يُعدّ البا (Pa) ممتصًا مهمًا للنيوترونات ، وعلى الرغم من أنه يتحول في النهاية إلى نظير قابل للانشطار 235U ، يتطلب هذا امتصاصين إضافيين للنيوترونات، مما يؤدي إلى تدهور اقتصاد النيوترونات ويزيد من احتمالية إنتاج العناصر العابرة لليورانيوم .

أو بدلاً من ذلك، إذا تم استخدام الثوريوم الصلب في دورة وقود مغلقة حيث 233يتم إعادة تدوير اليورانيوم ، وتُعد المعالجة عن بُعد ضرورية لتصنيع الوقود بسبب مستويات الإشعاع العالية الناتجة عن نواتج تحلل اليورانيوم -232ينطبق هذا أيضًا على الثوريوم المعاد تدويره بسبب وجود 228Th ، وهو جزء من 232تسلسل تحلل اليورانيوم . علاوة على ذلك، وعلى عكس تقنية إعادة تدوير وقود اليورانيوم المثبتة (مثل PUREX )، فإن تقنية إعادة تدوير الثوريوم (مثل THOREX) لا تزال قيد التطوير.

على الرغم من وجود 232الأمر الذي يزيد الأمور تعقيداً هو وجود وثائق عامة تُظهر أن 233استُخدم اليورانيوم-233 مرة واحدة في تجربة سلاح نووي . أجرت الولايات المتحدة تجربة على مركب من اليورانيوم -233.تم استخدام نواة قنبلة من اليورانيوم -البلوتونيوم في اختبار التأثيرات العسكرية (MET) خلال عملية إبريق الشاي في عام 1955، على الرغم من أن قوة الانفجار كانت أقل بكثير من المتوقع. [ 23 ]

يزعم مؤيدو المفاعلات ذات القلب السائل ومفاعلات الأملاح المنصهرة، مثل مفاعلات LFTR، أن هذه التقنيات تتغلب على عيوب الثوريوم الموجودة في المفاعلات التي تعمل بالوقود الصلب. ونظرًا لأنه لم يُبنَ سوى مفاعلين فقط من مفاعلات الأملاح الفلوريدية ذات القلب السائل (مفاعل ORNL ARE ومفاعل MSRE )، ولم يستخدم أي منهما الثوريوم، فمن الصعب التحقق من الفوائد الدقيقة. [ 6 ]

المفاعلات التي تعمل بالثوريوم

تم استخدام وقود الثوريوم لتشغيل أنواع مختلفة من المفاعلات، بما في ذلك مفاعلات الماء الخفيف ، ومفاعلات الماء الثقيل ، ومفاعلات الغاز ذات درجة الحرارة العالية ، والمفاعلات السريعة المبردة بالصوديوم ، ومفاعلات الملح المنصهر . [ 24 ]

قائمة المفاعلات التي تعمل بالثوريوم

من وثيقة الوكالة الدولية للطاقة الذرية TECDOC-1450 بعنوان "دورة وقود الثوريوم - الفوائد والتحديات المحتملة"، الجدول 1: استخدام الثوريوم في مختلف المفاعلات التجريبية ومفاعلات الطاقة. [ 6 ] بالإضافة إلى ذلك، من إدارة معلومات الطاقة الأمريكية، "انبعاثات الوقود النووي المستهلك من المفاعلات الأمريكية"، الجدول B4: فئة تجميع دريسدن 1. [ 25 ]

اسمفترة التشغيلدولةنوع المفاعلقوةوقود
NRX & NRU1947 (NRX) + 1957 (NRU)؛ اختبار الإشعاع لبعض عناصر الوقودكنداكنداتجميعات دبابيس MTR020000 20 ميغاواط؛ 200 ميغاواط ( انظر )Th+ 235يو ، وقود الاختبار
الوحدة 1 في دريسدن1960–1978الولايات المتحدةالولايات المتحدةBWR300000 197 ميغاواط (كهرباء)قضبان زاوية من ثاني أكسيد التيتانيوم ، مغلفة بأنبوب من الزيركالوي-2
سيروس ؛ دروفا ؛ وكاميني1960–2010 (سيروس)؛ وغيرها قيد التشغيلالهندالهندنظام التدفئة الحرارية في مترو الأنفاق040000 40 ميغاواط؛ 100 ميغاواط؛ 30 كيلو واط (طاقة منخفضة، بحث)Al+ 233وقود محرك U ، قضيب 'J' من Th وThO2، قضيب 'J' من ThO2
الوحدة الأولى من إنديان بوينت1962–1965 [ 26 ]الولايات المتحدةالولايات المتحدةLWBR ، PWR ، (مجموعات الدبابيس)285000 285 ميغاواط (كهرباء)Th+ 235وقود يو درايفر، حبيبات أكسيد
بوركس-4 ومحطة نهر إلك1963–1968الولايات المتحدةالولايات المتحدةBWR (مجموعات الدبابيس)002400 2.4 ميغاواط (كهرباء)؛ 24 ميغاواط (كهرباء)Th+ 235حبيبات أكسيد الوقود من نوع يو درايفر
MSRE ORNL1964–1969الولايات المتحدةالولايات المتحدةMSR007500 7.5 ميغاواط حراري233الفلوريدات المنصهرة
وحدة بيتش بوتوم 11966–1972الولايات المتحدةالولايات المتحدةمفاعل HTGR تجريبي (كتلة موشورية)040000 40 ميجاوات (كهرباء)Th+ 235وقود يو درايفر، جزيئات وقود مغلفة، أكاسيد وثنائي الكربيدات
التنين ( منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية - يوراتوم )1966–1973المملكة المتحدةالمملكة المتحدة (وكذلك السويدالسويد النرويجوالنرويج سويسراوسويسرا)مفاعل حراري عالي الحرارة ، تجريبي (تصميم دبوس داخل كتلة)020000 20 ميجاواتTh+ 235وقود يو درايفر، جزيئات وقود مغلفة، أكاسيد وثنائي الكربيدات
AVR1967–1988ألمانياألمانيا (الغربية)مفاعل HTGR تجريبي ( مفاعل ذو طبقة حصوية )015000 15 ميجاوات (كهرباء)Th+ 235وقود يو درايفر، جزيئات وقود مغلفة، أكاسيد وثنائي الكربيدات
لينجن1968–1973ألمانياألمانيا (الغربية)اختبار الإشعاع لمفاعلات الماء المغلي060000 60 ميجاوات (كهرباء)اختبار وقود (Th,Pu)O 2 كريات
SUSPOP/KSTR KEMA1974–1977هولنداهولندامعلق متجانس مائي (مجموعات دبابيس)001000 1 ميغاواطTh+HEU، حبيبات أكسيد
فورت سانت فرين1976–1989الولايات المتحدةالولايات المتحدةHTGR ، الطاقة (كتلة موشورية)330000 330 ميغاواط (كهرباء)Th+ 235وقود يو درايفر، جزيئات وقود مغلفة، ثنائي الكربيد
ميناء الشحن1977–1982الولايات المتحدةالولايات المتحدةLWBR ، PWR ، (مجموعات الدبابيس)100000 100 ميغاواط (كهرباء)Th+ 233وقود يو درايفر، حبيبات أكسيد
KAPS 1 و2 ؛ KGS 1 و2؛ RAPS 2 و3 و41980 (RAPS 2) +؛ يستمر في جميع محركات PHWR الجديدةالهندالهندPHWR (مجموعات الدبابيس)220000 220 ميغاواط (كهرباء)حبيبات ثاني أكسيد الثوريوم (لتسطيح تدفق النيوترونات في النواة الأولية بعد بدء التشغيل)
FBTR1985؛ قيد التشغيلالهندالهندLMFBR ، (مجموعات الدبابيس)040000 40 ميغاواطبطانية ThO 2
THTR-3001985–1989ألمانياألمانيا (الغربية)HTGR ، الطاقة ( من النوع الحصوي )300000 300 ميغاواط (كهرباء)Th+ 235وقود يو درايفر، جزيئات وقود مغلفة، أكاسيد وثنائي الكربيدات
TMSR-LF12023؛ قيد التشغيل [ 27 ]الصينالصينمفاعل تجريبي يعمل بالوقود السائل والملح المنصهر القائم على الثوريوم002000 2 ميغاواطملح منصهر قائم على الثوريوم
بيتين2024؛ مخطط لههولنداهولنداتجربة الملح المنصهر للثوريوم في مفاعل التدفق العالي060000 45 ميغاواط (كهرباء)؟
سيناب2030؛ مخطط له [ 28 ]الصينالصينمفاعل الملح المنصهر القائم على الثوريوم060000 10 ميغاواطملح منصهر قائم على الثوريوم

انظر أيضاً

بوابة التكنولوجيا النووية، بوابة الطاقةرمز

مراجع

  1. 1 2 روبرت هارجريفز؛ رالف موير (يناير 2011). "المفاعلات النووية التي تعمل بالوقود السائل" . منتدى الجمعية الفيزيائية الأمريكية حول الفيزياء والمجتمع . تم الاطلاع عليه في 31 مايو 2012 .
  2. ↑ سوبليت، كاري (20 فبراير 1999). "أسئلة وأجوبة حول المواد النووية" . nuclearweaponarchive.org . تم الاطلاع عليه في 23 أكتوبر 2019 .
  3. 1 2 كانغ، ج.؛ فون هيبل، ف. ن. (2001). "اليورانيوم-232 ومقاومة انتشار اليورانيوم-233 في الوقود المستهلك". العلوم والأمن العالمي . 9 (1): 1-32 . Bibcode : 2001S & GS....9....1K . doi : 10.1080/08929880108426485 . S2CID 8033110 . نسخة مؤرشفة (PDF) . مؤرشفة من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 2014-12-03 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 2015-03-02 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link )
  4. ↑ ""الثوريوم: الوقود الخارق يشكل خطراً على الانتشار النووي؟" 5 ديسمبر 2012.
  5. ↑ آشلي، ستيفن؛ باركس، جيفري (5 ديسمبر 2012). " وقود الثوريوم ينطوي على مخاطر" . مجلة نيتشر . 492 (7427): 31-33 . doi : 10.1038/492031a . PMID 23222590. S2CID 4414368. ومع ذلك ، يساورنا القلق من إمكانية استخدام عمليات أخرى، قد تُجرى في منشآت أصغر، لتحويل الثوريوم-232 إلى يورانيوم-233 مع تقليل التلوث باليورانيوم-232 إلى أدنى حد، مما يُشكل تهديدًا بالانتشار النووي. ومن الجدير بالذكر أن الفصل الكيميائي لنظير وسيط - بروتاكتينيوم-233 - الذي يتحلل إلى يورانيوم-233 يُعدّ مدعاةً للقلق. ... وتعتبر الوكالة الدولية للطاقة الذرية أن 8 كيلوغرامات من اليورانيوم-233 كافية لصنع سلاح نووي. وبالتالي، يشكل اليورانيوم 233 مخاطر انتشار.  
  6. 1 2 3 4 5 6 7 "IAEA-TECDOC-1450 دورة وقود الثوريوم - الفوائد والتحديات المحتملة" (ملف PDF) . الوكالة الدولية للطاقة الذرية. مايو 2005. تاريخ الاطلاع: 23 مارس 2009 .
  7. ↑ "IAEA-TECDOC-1349 إمكانات دورات الوقود القائمة على الثوريوم للحد من البلوتونيوم وتقليل سمية النفايات طويلة الأمد" (ملف PDF) . الوكالة الدولية للطاقة الذرية. 2002. تاريخ الاطلاع: 24 مارس 2009 .
  8. ↑ إيفانز، بريت (14 أبريل 2006). "عالم يحث على التحول إلى الثوريوم" . أخبار ABC . مؤرشف من الأصل في 28 مارس 2010. تم الاطلاع عليه في 17 سبتمبر 2011 .
  9. ↑ مارتن، ريتشارد (21 ديسمبر 2009). "اليورانيوم موضة قديمة - إليكم الثوريوم، السلاح النووي الأخضر الجديد" . مجلة وايرد . تاريخ الاسترجاع: 19 يونيو 2010 .
  10. ↑ مور، ويلارد س. (1981-05-01). "محتوى نظائر الثوريوم في مياه المحيط" . رسائل علوم الأرض والكواكب . 53 (3): 419-426 . Bibcode : 1981E & PSL..53..419M . doi : 10.1016/0012-821X(81)90046-7 . ISSN 0012-821X . 
  11. ↑ ميلر، دانيال (مارس 2011). "المجتمع النووي يتجاهل رسالة سلامة المفاعل: خبير" . أخبار ABC . تم الاسترجاع في 25 مارس 2012 .
  12. ↑ دين، تيم (أبريل 2006). "الطاقة النووية في العصر الجديد" . مجلة كوزموس . مؤرشف من الأصل في 5 يناير 2010. تم الاطلاع عليه في 19 يونيو 2010 .
  13. ↑ ماكاي، ديفيد جيه سي (20 فبراير 2009). الطاقة المستدامة - بدون كلام فارغ . يو آي تي ​​كامبريدج المحدودة. ص 166. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 يونيو 2010 . 
  14. ^ "طاقة فليب" . طاقة فليبي . تم الاسترجاع 2012/06/12 .
  15. ↑ مستقبل دورة الوقود النووي (ملف PDF) (تقرير). معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. 2011. ص 181. 
  16. 1 2 لو برون، سي.؛ إل. ماثيو؛ دي. هوير؛ إيه. نوتين. "تأثير تقنية مفهوم مفاعل MSBR على السمية الإشعاعية طويلة الأمد ومقاومة الانتشار" (ملف PDF) . الاجتماع الفني حول استراتيجيات إدارة المواد الانشطارية للطاقة النووية المستدامة، فيينا 2005. تاريخ الاسترجاع: 20 يونيو 2010 .
  17. ↑ بريسو ر.؛ هوير د.؛ هوفر إ.؛ لو برون س.؛ لويزو ج.م.؛ نيفينيكر هـ.؛ نوتين أ. (يوليو 2001). "الطاقة النووية بدون (تقريبًا) نفايات مشعة؟" . مختبر الفيزياء دون الذرية وعلم الكونيات (LPSC). مؤرشف من الأصل في 25 مايو 2011. وفقًا لمحاكاة حاسوبية أُجريت في معهد الفيزياء النووية (ISN)، يهيمن هذا البروتكتينيوم على السمية المتبقية للخسائر في10000 سنة​ 
  18. ↑ "مخطط تفاعلي للنويدات" . مختبر بروكهافن الوطني . مؤرشف من الأصل في 21 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه في 2 مارس 2015. المقاطع العرضية للنيوترونات الحرارية في الحظائر (النظير، الالتقاط: الانشطار، f / f+c، f/c) 233U 45.26:531.3 92.15% 11.74؛ 235U 98.69:585.0 85.57% 5.928؛ 239Pu 270.7:747.9 73.42% 2.763؛ 241Pu 363.0:1012 73.60% 2.788.
  19. ↑ "9219.endfb7.1" . atom.kaeri.re.kr .
  20. ↑ "استخدام الثوريوم كوقود نووي" (ملف PDF) . الجمعية النووية الأمريكية. نوفمبر 2006. تاريخ الاسترجاع: 24 مارس 2009 .
  21. ↑ "بدء اختبار الثوريوم" . أخبار الطاقة النووية العالمية. 21 يونيو 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 يوليو 2013 .
  22. ↑ كوليكوف، جي جي؛ كوليكوف، إي جي؛ شميليف، إيه إن؛ أبس، في إيه (2017). "بروتاكتينيوم-231 - مادة جديدة قابلة للاحتراق لامتصاص النيوترونات" . الطاقة النووية والتكنولوجيا . 3 (4): 255-259 . doi : 10.1016/j.nucet.2017.10.002 .
  23. ↑ "عملية إبريق الشاي" . 11 نوفمبر 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 نوفمبر 2017 .
  24. ↑ انبعاثات الوقود النووي المستهلك من المفاعلات الأمريكية . إدارة معلومات الطاقة . 1995 [1993]. ص 111. ISBN  978-0-7881-2070-1تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يونيو 2012 .تم تصنيعها بواسطة شركة جنرال إلكتريك (رمز التجميع XDR07G) وأرسلت لاحقًا إلى موقع سافانا ريفر لإعادة المعالجة.
  25. ↑ "الهند تستعد لليورانيوم الجديد" . صحيفة ماونت فيرنون أرغوس . وايت بلينز، نيويورك. 16 مارس 1966. ص 17. تم الاطلاع عليه في 21 مارس 2023 . 
  26. ↑ كريبل، جيري (22 يناير 2025). "نظرة عامة وتحديث لأنشطة مفاعل الملح المنصهر ضمن منتدى الجيل الرابع الدولي " . تم الاطلاع عليه في 27 فبراير 2025. في تمام الساعة 11:08 من يوم 11 أكتوبر 2023، حقق مفاعل TMSR-LF1 أول تفاعل حرج. وفي تمام الساعة 12:10 من يوم 17 يونيو 2024، تم تشغيله بكامل طاقته بقدرة 2 ميغاواط حراري. وفي 8 أكتوبر 2024، عمل مفاعل TMSR-LF1 بكامل طاقته لمدة 10 أيام باستخدام وقود الثوريوم، وتم رصد البا-233.
  27. ↑ "لماذا تبني الصين مفاعلاً يعمل بالثوريوم ذي الملح المنصهر؟" . مجلة IEEE Spectrum . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يناير 2025 .

للمزيد من القراءة