Стартовая >> Архив >> Генерация >> Материалы ядерных энергетических установок

Торий - Материалы ядерных энергетических установок

Оглавление
Материалы ядерных энергетических установок
Ядерная энергия и материалы
Легководный реактор LWR
Тяжеловодный реактор HWR
Реактор типа LMFBR
Перспективы использования термоядерной энергии
Радионуклидное производство энергии и ее использование
Требования, предъявляемые к выбору ядерных материалов
Свойства реакторных материалов
Анализ специфических свойств материалов при их выборе для ядерных реакторов
Выбор материалов и анализ конструкции с помощью ЭВМ
Компоненты и материалы ядерных реакторов деления
Ядерные топливные материалы
Конструкционные материалы
Материалы органов регулирования, теплоносители
Материалы защиты, системы аварийной защиты
Атомная электростанция (с реактором деления)
Фундаментальные радиационные явления в материалах
Радиационное повреждение нейтронами
Влияние облучения на реакторные материалы
Влияние облучения на физические свойства материалов
Влияние облучения на механические свойства материалов
Влияние облучения на коррозию, свелинг
Отжиг радиационных повреждений, влияние облучения на свойства при низких температурах
Металлический уран
Коррозия урана
Сплавы урана
Влияние облучения на урановое топливо
Керамический уран
Диоксид урана
Радиационное распухание оксидного топлива
Радиационная ползучесть оксидного топлива
Выделение газообразных продуктов деления из оксидного топлива
Монокарбид урана
Нитрид, силицид и сульфиды урана
Коррозия керамического урана, техника безопасности
Плутоний
Металлические сплавы плутония
Керамические соединения плутония
Смешанное керамическое уран-плутониевое топливо
Коэффициент воспроизводства, избыточный коэффициент и время удвоения плутония
Радиационные эффекты плутония
Коррозионные эффекты плутония
Меры безопасности при работе с плутонием
Торий
Свойства тория
Получение и сплавы тория
Керамические соединения тория
Радиационные и коррозионные эффекты тория
Радиоактивный распад в торий-урановом топливном цикле
Конструкционные материалы: металлы
Конструкционные материалы: бериллий и его соединения
Конструкционные материалы: магний
Конструкционные материалы: алюминий
Конструкционные материалы: цирконий
Конструкционные материалы: нержавеющая сталь и никелевые сплавы
Конструкционные материалы: керамика и керметы
Влияние облучения на конструкционные материалы
Коррозия конструкционных материалов
Материалы замедлителя и отражателя
Графит
Материал бланкета
Материал теплоносителя
Материалы систем регулирования, защиты и аварийной защиты
Защита реактора
Системы аварийной зашиты реактора и используемые в них материалы
Материалы в топливных циклах, процессах обогащения и переработки топлива
Обогащение топлива
Переработка топлива
Материалы, используемые в процессах переработки отработавшего топлива
Переработка ядерного топлива
Топливные материалы, участвующие в U-Pu-топливном цикле
Тепловыделяющие элементы
Связующий материал твэлов
Материалы, применяемые при изготовлении твэлов
Каналы для теплоносителя и системы трубопроводов
Корпуса реакторов под давлением
Радиационные эффекты при работе материалов ядерного топлива и конструкционных материалов
Коррозия и трещины материалов твэлов, коррозия каналов теплоносителя
Образование коррозионных и усталостных трещин и течей в каналах для теплоносителей, трубопроводах
Материалы радионуклидных генераторов энергии и термоядерных реакторов
Радионуклидное топливо
Материалы оболочек, материалы и теплоносители радионуклидных генераторов
Концептуальные проекты термоядерных реакторов
Компоненты и материалы термоядерных реакторов
Материалы для изготовления магнитной системы и системы безопасности термоядерных реакторов
Взаимодействие материалов с первой стенкой термоядерного реактора
Материалы первой стенки термоядерного реактора и влияние на них облучения

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.



 
« Магнитный фильтр-сепаратор в схеме очистки производственного конденсата   Метод определения параметров тепловой изоляции паротурбинных блоков ТЭС »
электрические сети