Торий против урана: почему атомная энергетика выбрала один путь

вчера в 21:46

6

0

Блоги Культура и искусство

Главный редактор

Мы ВКонтакте

Сегодня атомная энергетика почти неразрывно ассоциируется с ураном. Именно на нём работают большинство атомных электростанций мира, а само слово «уран» давно стало символом ядерной энергии. Но так было не всегда. Ещё в середине прошлого века у урана существовал серьёзный конкурент – торий. Многие учёные считали его не менее перспективным топливом для будущих реакторов, а некоторые были уверены, что именно за ним будущее атомной энергетики. Почему же тогда мировая атомная энергетика пошла по урановому пути? Неужели торий оказался хуже? Или история распорядилась иначе? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала стоит разобраться, что вообще представляет собой торий и почему ещё восемьдесят лет назад его всерьёз рассматривали как основу атомной энергетики.
Металл с именем бога
Торий – это серебристый металл, названный в честь скандинавского бога грома Тора. В природе его примерно в три-четыре раза больше, чем урана. Казалось бы, уже одного этого достаточно, чтобы именно он стал основой атомной энергетики. Но есть одна особенность: сам по себе торий не является ядерным топливом. Если упростить, это скорее заготовка для него. Самый распространённый природный изотоп, торий-232, не способен самостоятельно поддерживать цепную ядерную реакцию. Чтобы он начал выделять энергию, его сначала нужно превратить в другой элемент – уран-233.
Происходит это прямо в реакторе. Поглощая нейтрон, торий проходит несколько последовательных превращений и в итоге становится ураном-233 – полноценным делящимся материалом, пригодным для работы реактора. Именно поэтому торий называют не делящимся, а плодородным материалом. Сам он энергию почти не производит, зато способен «вырастить» ядерное топливо.
У такого подхода есть серьёзные преимущества. Запасов тория в земной коре значительно больше, чем урана. При работе ториевого цикла образуется меньше долгоживущих радиоактивных отходов – тех самых минорных актинидов, которые сейчас учатся дожигать на реакторе БН-800. Более того, в реактор торий можно загружать фактически в природном состоянии, без предварительного обогащения.
На первый взгляд кажется, что выбор очевиден. Если тория больше, а его использование сулит столько преимуществ, почему же атомная энергетика с самого начала пошла совсем другим путём?
Выбор войны
Стоит вспомнить, что история атомной энергетики началась вовсе не с электростанций. В начале 1940-х годов перед учёными стояла совсем другая задача – как можно быстрее создать ядерное оружие. Именно эта задача во многом определила судьбу будущей атомной отрасли. С точки зрения военных уран обладал решающим преимуществом.
В природном уране уже содержится делящийся изотоп уран-235. Кроме того, в реакторах из другого его изотопа, урана-238, можно получать плутоний-239 – материал, который стал основой первых атомных бомб.
С торием всё иначе. Чтобы получить из него пригодный для реакции уран-233, сначала нужно построить и запустить реактор, а затем пройти целую цепочку превращений. Для военного времени такой путь был слишком долгим и сложным. Хотя ещё в годы Манхэттенского проекта учёные понимали потенциал тория, руководители программы решили сосредоточить силы на уране и плутонии, а исследования ториевого направления отложить до окончания войны.
Это решение оказалось судьбоносным. Вокруг урана начали строиться рудники, заводы по обогащению топлива, реакторы, радиохимические производства и научные центры. Именно под уран создавалась вся первая атомная инфраструктура.
Когда первая атомная бомба была создана, перед учёными открылась новая задача – использовать энергию атома в мирных целях. Но к этому моменту вся необходимая промышленная база уже существовала. Урановые реакторы были освоены, специалисты накопили опыт их эксплуатации, а производство топлива работало в промышленных масштабах. Создавать параллельную инфраструктуру для тория означало бы фактически начинать всё заново.
Так уран победил не потому, что был единственным или самым совершенным топливом, а потому что в какой-то момент оказался самым удобным.
Второй шанс
Но это не означает, что ториевое направление признали бесперспективным. Напротив, исследования продолжались по обе стороны океана. В США одним из главных сторонников этой идеи стал лауреат Нобелевской премии Юджин Вигнер. Именно он предложил использовать торий не как готовое топливо, а как материал, из которого прямо в реакторе можно получать уран-233. Позднее эта теория получила практическое подтверждение в экспериментах Ок-Риджской национальной лаборатории, а реактор на расплавах солей уже в 1960-х годах доказал, что ториевый топливный цикл действительно работоспособен.
В Советском Союзе к этому направлению относились не менее серьёзно. Работы по использованию тория начались в 1945 году одновременно с развитием уранового проекта. Научно-технический совет Первого главного управления включил ториевый цикл в число приоритетных направлений исследований. В первых решениях Совета прямо говорилось о необходимости разрабатывать реакторы, способные перерабатывать торий в уран-233.
Научным руководителем этого направления стал академик Абрам Алиханов. Именно возглавляемая им Лаборатория №3 стала главным центром советских исследований ториевого цикла. Здесь изучали физику процесса, создавали экспериментальные установки и проектировали тяжеловодные реакторы, способные работать с торием. В этом отношении советская наука пошла по иному пути, чем американская.
При этом единства мнений среди учёных не было. Игорь Курчатов не отрицал перспектив ториевого цикла, однако считал, что в первую очередь необходимо развивать уже освоенное урановое направление. В одном из писем Лаврентию Берии он отмечал, что ториевые реакторы обладают большим потенциалом, но существующие проекты пока не позволяют получать уран-233 в количествах, необходимых для промышленного применения.
Несмотря на эти разногласия, исследования продолжались почти десять лет. В 1953 году промышленный тяжеловодный реактор ОК-180 на комбинате №817 был переведён в ториевый режим, и в СССР впервые начали получать уран-233 из облучённого тория. Одновременно были подтверждены многие преимущества ториевого цикла: образование меньшего количества долгоживущих радиоактивных элементов и возможность воспроизводства нового ядерного топлива.
Однако повторилась та же история, что и несколькими годами раньше. Сначала ториевый цикл рассматривали как способ получения урана-233 для военных задач, затем – как одно из направлений работ по созданию водородной бомбы. Но по мере развития урановой промышленности преимущества тория становились всё менее убедительными. В 1957 году реактор вновь перевели на производство плутония, а позже – трития.
Работы окончательно не свернули, но и форсировать их больше не стали. Переход на новую топливную систему требовал бы огромных затрат, а веских причин для этого тогда не нашлось.
Возвращение идеи
В начале XXI века интерес к торию начал стремительно возвращаться. Причина была уже не в военных разработках, а в новых требованиях к атомной энергетике. Перед инженерами встали задачи, которых не существовало полвека назад: повысить безопасность реакторов, уменьшить количество радиоактивных отходов и сделать использование ядерного топлива более эффективным. Сыграло свою роль и осознание того, что запасы природного урана ограничены. А значит, рано или поздно, пусть даже и не в нынешнем столетии, он закончится, и тот, кто будет обладать технологией использования нового топлива, получит серьёзное преимущество. Именно поэтому торий вновь оказался в центре внимания.
Однако теперь речь идёт уже не о существующих атомных станциях. За десятилетия эксплуатации стало понятно, что в большинстве традиционных реакторов торий можно использовать лишь в составе смешанного уран-ториевого топлива. Полностью раскрыть его преимущества способны только реакторы нового поколения.
Наиболее перспективными для этого сегодня считаются реакторы на расплавах солей. В отличие от привычных реакторов, где топливо заключено в твёрдые тепловыделяющие сборки, здесь оно растворено непосредственно в расплавленной соли, которая одновременно выполняет роль теплоносителя. Такая схема позволяет непрерывно выводить продукты деления, эффективнее получать из тория уран-233 и значительно упрощает сам ториевый цикл.
Есть и другие преимущества. Реакторы на расплавах солей работают при атмосферном давлении, поэтому в них отсутствует риск аварий, связанных с высоким давлением пара.
Наиболее масштабный проект реализует Китай, где с 2011 года создаётся собственная линейка жидкосолевых реакторов. Индия, обладающая крупнейшими в мире запасами тория, рассматривает этот металл как стратегическое топливо будущего и уже много лет реализует трёхэтапную национальную ядерную программу, конечной целью которой является переход к ториевому циклу. Исследования также продолжаются в Норвегии, Канаде, США.
Россия также не осталась в стороне. Работы по ториевому топливному циклу продолжаются в НИЯУ МИФИ, ИТЭФ, Курчатовском институте. Отдельные исследования ведутся в рамках проекта «Прорыв». Хотя основной акцент проекта сделан на быстрых реакторах и уран-плутониевом цикле, накопленные технологии в перспективе могут использоваться и для развития ториевого направления.
Тем не менее путь к промышленному внедрению оказался значительно сложнее, чем предполагалось. Главная проблема – вовсе не в самом тории, а в технологиях, которые необходимы для работы с ним. Например, реакторы на расплавах солей работают при температурах свыше 700 градусов, а горячие фторидные соли чрезвычайно агрессивны по отношению к металлам. Они быстро разрушают большинство сталей, поэтому инженерам приходится создавать специальные жаропрочные и коррозионностойкие сплавы, способные десятилетиями работать в таких условиях.
Не менее сложной остаётся эксплуатация. В жидкосолевом реакторе топливо постоянно циркулирует через насосы, трубопроводы и теплообменники. Постепенно практически весь этот контур становится радиоактивным, поэтому обслуживание невозможно проводить так же, как на обычной АЭС. Для него требуются роботизированные комплексы, дистанционный контроль и совершенно новые технологии ремонта.
И всё же несмотря на это первые серьёзные подвижки есть. В июне 2025 года китайские учёные сообщили об успешном завершении экспериментов на первом в мире действующем реакторе на расплавах солей с использованием ториевого топлива. Им удалось подтвердить устойчивую работу ториевого топливного цикла и образование урана-233 непосредственно в работающем реакторе.
Это не означает, что ториевые АЭС появятся уже завтра, но впервые за почти 80 лет исследований технология вышла за рамки теоретических расчётов и лабораторных экспериментов. Возможно, именно этот шаг станет началом новой главы в истории атомной энергетики.
Татьяна Козлова, по данным открытых источников