Содержание материала

ГЛАВА 9
ТОРИЙ

ВВЕДЕНИЕ

В отличие от уранового топлива торий не является делящимся материалом. Природный торий (по существу это чистый 232 Th) является воспроизводящим материалом (см. § 3.2). Действительно, торий рассматривается как высокоэффективный воспроизводящий материал в уран-ториевом топливном цикле [уравнение (3.2) ]
(9.1)
Торий-232, поглощая тепловые нейтроны в ядерном реакторе, превращается в 233Th, который через два бета-распада переходит в 233Ра и затем в 233U. Искусственный изотоп урана 233U, производимый в уран-ториевом цикле, — делящийся, так же как и 239Pu, получаемый в уран-плутониевом топливном цикле или топливном цикле с рециркуляцией плутония [см. уравнение (3.1)].
Уран-плутониевый топливный цикл разработан и реализован в энергетических ядерных реакторах. Разработка технологии и реализация уран-ториевого топливного цикла, однако, затрудняется присутствием 232U, дочерние продукты распада которого являются сильными гамма-излучателями (их цепочки накопления рассмотрены ниже). С точки зрения ядерных, физических, теплофизических и механических свойств торий можно использовать в качестве воспроизводящего материала или материала бланкета в тепловых и быстрых реакторах. Металлический торий стабилен при комнатной температуре и не взаимодействует с водой до 100 °С. Торий имеет хорошие металлургические характеристики, высокую термическую и радиационную стабильность при эксплуатации в реакторе. При рециркуляции уран-ториевого топлива, облученного в тепловых или быстрых реакторах, в нем накапливаются продукты радиоактивного распада 232U, являющиеся эмиттерами гамма-излучения. Увеличение радиоактивного излучения может осложнить обращение с топливом, процессы переработки выгоревшего топлива и рефабрикации топливных элементов.

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ, ЭКСТРАКЦИЯ И ПРОИЗВОДСТВО

Торий является материалом, встречающимся в природе. Средняя концентрация тория в земной коре примерно в 3 раза выше, чем урана, и составляет около 0,0012%. Встречающиеся в природе ториевые минералы с наибольшим содержанием тория — торит и торианит, которые содержат 50-90% диоксида тория ThO2. Торит (силикат тория) очень похож по форме и характеристикам на цирконий. Наиболее часто встречаемый и известный под названием черный минерал, торит имеет редкую оранжево-желтую окраску, известен также как оранжит. Торит содержит до 65% тория вместе с силикатами U, Fe, Mn, Си, Mg, Pb, Sn, AI, Na и К. Основные известные запасы торита находятся в Новой Зеландии и на западе Соединенных Штатов Америки. Так как богатые месторождения торита редки, то промышленное производство тория из этого минерала невелико. Богатейший ториевый минерал — торианит, который может содержать до 90% THO2 вместе с U и редкоземельными металлами [2].
В настоящее время наиболее важным источником промышленного получения тория являются монациты, содержащие торий с фосфатами редкоземельных элементов. Монацитовые пески распространены в Бразилии, Индии, Индонезии, Малайзии, Австралии, Южной Африке и США. Наиболее богатые источники монацитовых песков обычно требуют процессов обогащения для удаления легких песков. Это приводит к использованию тонких процессов сепарации, в которых используется гравитационная, электромагнитная и электростатическая техника.
Различают два способа экстракции тория, урана и резко земельных элементов: щелочной процесс [3—5] или обработка каустической содой [2-5] и кислотный процесс [6].
Щелочной способ обработки монацитов заключается в превращении фосфатов в растворимый трифосфат натрия, в то время как торий, уран и редкоземельные элементы остаются как нерастворимые гидроокиси. Последние фильтруются и растворяются в горячей концентрированной соляной кислоте, затем добавлением щелочи  доводят до 5,8. Полученный таким образом осадок гидроокиси содержит до 96% Th и U и только 2-3% редкоземельных элементов. Дальнейшая очистка урана и тория и разделение их друг от друга достигаются жидкой экстракцией нитратного раствора, полученного растворением осадка гидроокиси в азотной кислоте. В результате получаются Th(C2O4)2 и U2O7 (NH4)2.
Процесс кислотной обработки монацитов начинается с растворения в горячей концентрированной 93%-ной серной кислоте. Далее, уран, торий и редкоземельные элементы переходят в раствор и превращаются в сульфаты наряду с фосфорной кислотой. При разбавлении раствора гидроокисью аммония до получения pH около 1,0 практически весь торий выпадает в осадок вместе с 5% редкоземельных элементов.
Из-за большого присутствия последних в монацитовых песках осадок содержит около половины фосфата тория и половины сульфатов редкоземельных элементов. Уран и большая часть редкоземельных элементов остаются в растворе, но с увеличением pH до значения 2,3 при добавлении аммиака большая часть урана и редкоземельных элементов выпадает в осадок. Торий и уран в виде осадка очищаются от редкоземельных элементов растворением в азотной кислоте и последующей экстракцией. Торий и урановые соединения дают похожие результаты.
Методы получения металлического тория из ториевых соединений аналогичны методам получения металлического урана (см. § 6.3). Металлический торий можно получить восстановлением в бомбе тетрахлорида или тетрафторида натрием, магнием или кальцием. Оксалат тория сначала нагревается в воздухе до 650 С до образования оксида, и далее после пропускания над окисью фтористого водорода при температуре 550 °С образуется гексафторид тория

ThO2 + 4HF -> ThF4 + 2H2O. (9.2)
Из-за высокой точки плавления тория (около 1700 °С) восстановление ThF4 усложняется. Чтобы устранить эту трудность, в качестве бустера используется цинк, который образует сплав с торием с относительно низкой температурой плавления (эвтектический сплав). По окончании восстановления цинк можно удалить нагреванием сплава в вакууме. После возгонки цинка торий остается в виде пористой губчатой массы либо в жидкой форме при высокой температуре:

(9.3)
(9.4)
Металлический торий очень высокой чистоты (около 99,9%) может быть получен в иодидном процессе де Бура. Тетраиодид тория ТhI4, полученный при взаимодействии паров иода с измельченным чистым торием, подвергается термическому разложению в изолированных трубках Викора в результате электрического нагрева. Чистый торий образует свободный кристаллический осадок на нити накаливания, который может быть превращен в слитки (блочки) дуговой плавкой для использования в качестве топлива ядерных реакторов.