Мировой рынок тория. Торий: спасет ли он планету от энергетического кризиса

Авария на японской АЭС может стимулировать исследования в области более безопасной ядерной энергетики на основе тория.

Вот уже почти год сводки с японской атомной станции “Фукусима-1” напоминают фронтовые. Во многих странах мира всерьез рассматривается вопрос об отказе от атомной энергетики как слишком опасной либо об ограничении ее использования. Между тем еще в 50-е годы были предложены проекты более безопасных ядерных реакторов. В качестве “горючего” в них используется торий - слаборадиоактивный химический элемент, мировые запасы которого, как минимум, вчетверо превышают запасы урана. Полвека назад ториевая ядерная энергетика не выдержала конкуренции с урановой, поскольку из тория нельзя получить плутоний, который используется в ядерном оружии. Но теперь, после “Фукусимы”, ей предоставляется возможность для реванша.

Хорошо забытое старое

В 40-50-е годы, когда атомная энергетика делала свои первые шаги, ученые исследовали различные варианты управляемых ядерных реакций. Их интерес привлек и торий - тяжелый слаборадиоактивный металл, занимающий 90-е место в таблице Менделеева.
Сам по себе торий (вернее, самый распространенный его изотоп торий-232, из которого почти на 100% состоит природный металл) не поддерживает цепную ядерную реакцию и не может быть материалом для атомной бомбы. Однако при облучении тория нейтронами, его атомы, захватывая эти нейтроны, распадаются с выделением значительного количества энергии.

Кроме того, в результате ряда последовательных реакций с образованием промежуточных неустойчивых изотопов (торий-233 и протактиний-233 с полураспадом соответственно 22 минуты и 27 суток) из тория-232 получается уран-233, который сам по себе является хорошим ядерным топливом, подходящим для всех типов современных реакторов.

По сравнению с ураном торий обладает рядом преимуществ. Прежде всего, для загрузки в реактор пригоден природный торий, который, в отличие от урана, не нужно обогащать, проводя сложную и дорогостоящую операцию разделения изотопов. В ториевых реакторах можно перерабатывать оружейный плутоний, а также минимизировать использование урана-235, который является единственной доступной человечеству природной “ядерной спичкой”, способной запускать ядерную реакцию.

При этом если урановые стержни нужно извлекать из реактора уже после того, как в них использовано менее 10% содержавшегося “топлива”, торий можно использовать полностью, до завершения его преобразования в уран-233, который также можно применять для поддержания ядерной реакции. Вследствие этого одна тонна тория может дать столько же энергии, сколько 200 т урана или 3.5 млн т угля.

Оксид тория является более тугоплавким и устойчивым веществом, чем оксид урана, что открывает возможность для создания высокотемпературных реакторов на тории с рабочей температурой 700-800 градусов. Такой реактор может работать с обычным парогенераторным оборудованием, для него не нужно сложных и небезопасных систем охлаждения (напомним, именно отказ этих систем и привел к аварии на “Фукусиме-1”), его КПД может достигать 50-55%, что почти вдвое выше, чем у традиционных урановых. Полученная тепловая энергия также может использоваться в различных химических процессах (получение аммиака, водорода, ряда углеводородных продуктов).

Вследствие того, что торий требует внешнего источника нейтронов для осуществления ядерной реакции, этот элемент более безопасен в эксплуатации. Нетрудно создать такую схему, при которой в случае аварии реакция просто автоматически прекращалась бы (правда, из-за особенностей ториевого цикла такой реактор все равно бы продолжал работу, пока промежуточные элементы не превратились в более устойчивый уран-233, но выделение энергии было бы значительно меньшим). Наконец, радиоактивные отходы, образующиеся в результате ядерных реакций, в случае использования тория гораздо менее опасны, чем традиционных урановых реакторов, да и образуется их в несколько раз меньше.

В 50-70-е годы в ряде стран мира (США, Великобритания, Индия, ФРГ, СССР и др.) проводились различные эксперименты с ториевыми и торий-урановыми реакторами. В 70-80-е годы американская компания General Atomics и немецкая Siemens даже создали опытные образцы энергетических реакторов мощностью 300 МВт с использованием ториевого топлива, однако на этом исследования в данной области практически полностью прекратились.

Падение интереса к торию было обусловлено рядом объективных и субъективных причин. Прежде всего, фундаментальным недостатком тория была его непригодность для производства ядерного оружия. В 50-е годы в США проводились опыты по использованию урана-233 в ядерных бомбах, однако предпочтение было в итоге отдано более эффективному плутонию. Львиная доля средств на НИОКР в результате выделялась на исследования, связанные с урановым циклом, что позволило достаточно быстро создать и оптимизировать соответствующие технологии. Появление эффективных и относительно безопасных легководных реакторов, доступность и невысокая цена уранового ядерного топлива привели к тому, что энергетики отказались от рассмотрения альтернативных вариантов, не сулящих быстрой отдачи. Как говорится, от добра добра не ищут.

Вследствие этого адекватной технологии изготовления ториевых или торий-урановых топливных элементов так и не было создано. Не была решена и главная, пожалуй, проблема ториевого цикла. В ходе реакций, помимо урана-233, непременно образовывалось небольшое количество (порядка десятых долей процента) урана-232 - короткоживущего изотопа, распад которого приводил к появлению очень опасных радиоактивных “обломков”.

Реакторы General Atomics и Siemens обладали массой “детских болезней”, вызванных именно неотработанностью процессов. Окончательно же исследования в области ториевой энергетики “похоронила” катастрофа на Чернобыльской АЭС. После 1986 г. ассигнования на развитие “мирного атома” были резко сокращены, а все долгосрочные альтернативные проекты просто закрыты.
Единственной страной, где ториевые исследования все еще продолжались, была Индия. Обладающая большими запасами тория (около 300 тыс т, второй показатель в мире после Австралии), Индия еще в 50-е годы разработала оригинальную трехступенчатую программу развития атомной энергетики, в которой предполагалось задействовать эти ресурсы.

Так как Индия не подписала договор о нераспространении ядерного оружия, до недавнего времени ее атомная отрасль развивалась изолированно, а поставки урана в страну были запрещены. Не обладая значительными запасами урана, индийские атомщики предложили использовать имеющиеся скудные ресурсы этого ядерного топлива в реакторах первого уровня, где вырабатывался бы делящийся материал (уран-235 или плутоний-239). Его планировалось использовать в качестве источника нейтронов для ториевых реакторов второй стадии, а на них, в свою очередь, получался уран-233, который использовался бы в качестве ядерного топлива в реакторах третьего поколения.

Первую стадию своего плана Индия успешно реализовала, построив к настоящему времени более 20 ядерных реакторов, а вот со второй произошла заминка. В 90-е годы индийские атомщики вышли из международной изоляции, что и объясняет снижение интереса к торию. Пока что достижения в этой области ограничиваются экспериментальным реактором мощностью 13 МВт на АЭС “Калпаккам”, где осуществляется выработка урана-233 из тория.

Однако в начале прошлого десятилетия ториевые разработки вышли из состояния “комы”. В настоящее время рассматриваются два перспективных направления, которые могут стать основой будущей ториевой ядерной энергетики.

Новые горизонты

Одну из перспективных технологий предложил нобелевский лауреат Карло Руббиа из Европейского центра по ядерным исследованиям (CERN). По его проекту предлагается использовать ториевое ядерное топливо, а в качестве “запала” применять ускоритель протонов. Попадая в атомы тория, протоны с высокой энергией вызывают их распад с выделением нейтронов, которые используются для стимулирования ядерных реакций. В качестве теплоносителя используется свинец.

По расчетам К.Руббиа, этот реактор будет генерировать достаточную энергию, чтобы не только питать ускоритель протонов, но и выдавать определенную мощность в сеть. При этом установка достаточно безопасна, поскольку выключение протонного ускорителя приводит к прекращению работы реактора (не считая распада промежуточных элементов).

В 2010 г. норвежская компания Aker Solutions приобрела патент у К.Руббиа и уже приступила к проектированию реактора ADTR (субкритический реактор с ускорительной системой). Мощность установки оценивается в 600 МВт, ее стоимость, по предварительным данным, может превысить $3 млрд с учетом всех предварительных исследовательских работ. Реактор планируется разместить под землей, что даст возможность обойтись без мощного железобетонного защитного купола. Предполагается, что на одной загрузке ториевого топлива он сможет проработать несколько лет.

Однако КПД реактора К.Руббиа будет не очень высоким из-за использования энергоемкого ускорителя протонов, который будет забирать часть мощности. В США, Индии и Китае в последние годы рассматривается вариант, впервые предложенный американским физиком Элвином Вайнбергом еще в 60-х годах.

В этом реакторе типа LFTR (Liquid Fluoride Thorium Reactor) предлагается отойти от применения твердых топливных элементов и использовать в качестве теплоносителя расплавы солей - фторидов, в которых хорошо растворяются оксиды тория и урана. В таком реакторе рабочее давление составляет всего около 0.1 атм, что практически исключает возможность аварии вследствие разрыва корпуса (конечно, при условии, что его материал не поддастся коррозии). Солевой расплав имеет температуру порядка 540 градусов, что дает возможность использовать все преимущества высокотемпературного реактора.

При этом система обладает способностью к саморегуляции. Если расплав перегревается, он расширяется в объеме, в результате в поле действия источника нейтронов (топливный элемент из плутония или урана-235) попадает меньше атомов тория, и реакция замедляется. При охлаждении смесь, соответственно, сжимается, что позволяет ускорить реакцию. Таким образом, ториевый реактор не требует наличия сложной системы управления, как на традиционных АЭС.

Проект позволяет организовать непрерывный вывод продуктов деления из зоны реакции и подпитку его свежим топливом. Это означает, что расплав с повышенным содержанием продуктов деления тория можно перекачать в отстойник, где будет происходить преобразование исходного материала в уран-233, который можно будет химическим путем отделить от непрореагировавшего тория и использовать в качестве ядерного топлива во второй активной зоне реактора. Впрочем, есть проекты, предусматривающие только одну активную зону с использованием в качестве ядерного топлива сначала тория, а потом - урано-ториевой смеси.

В ториевом реакторе весьма интересно решена проблема безопасности. Под корпусом реактора планируется установить бак, заткнутый “пробкой” из той же смеси фторидов, поддерживаемых в твердом состоянии благодаря непрерывному охлаждению. В случае отключения электроэнергии, как при аварии на “Фукусиме”, охлаждение прекращается, “пробка” расплавляется, и смесь стекает в бак, где ядерная реакция прекращается из-за отсутствия источника нейтронов, а расплав остывает.

Важным преимуществом реактора LFTR является возможность создания установок небольшой мощности - вплоть до единиц мегаватт. По мнению эксперта канадской компании Accelerating Future Майкла Анисимова, такие небольшие реакторы, размещенные под землей, можно использовать в качестве “городских” или “районных” электростанций, способных работать годами при минимальном присмотре.

По оценкам М.Анисимова, стоимость 1-мегаваттного реактора составит около $250 тыс, а для его работы будет достаточно всего 20 кг тория в год. Компания, установившая такой реактор, могла бы один раз в несколько лет проводить его обслуживание, выгружая использованное топливо и загружая новое.

В конце января 2011 г., всего за полтора месяца до катастрофического землетрясения в Японии, в Китае объявлено о запуске новой программы по созданию ториевой ядерной энергетики. Исследования будут проводиться под эгидой национальной Академии наук. Через пять лет планируется создание рабочего прототипа, который мог бы генерировать энергию стоимостью не более 6.8 центов за 1 кВтч, а к 2030 г. предполагается создание первой действующей ториевой АЭС.

О необходимости ускорить исследования в области ториевой энергетики в прошлом году было объявлено и в Индии. А после аварии на “Фукусиме” о тории заговорили и многие другие отраслевые специалисты.

Пробуждение интереса к торию объясняется несколькими причинами. Во-первых, ториевые реакторы типа LFTR (похоже, эта технология пока считается наиболее перспективной) значительно безопаснее, чем традиционные урановые. Им не угрожают разрывы трубопроводов высокого давления охлаждающих систем из-за отсутствия таковых. В них можно полностью избежать использования воды, которая может разложиться на кислород и взрывоопасный водород. Они дают меньше радиоактивных отходов. Наконец, ториевый реактор, в отличие от уранового, не может “пойти в разнос”.

Во-вторых, тория в мире гораздо больше, чем урана. Именно опасность исчерпания резервов последнего является одним из весомых стимулов для развития ториевой энергетики в Китае и Индии, где в ближайшие четверть века планируется построить по несколько десятков ядерных реакторов.

В-третьих, потенциально использование тория может дать миру дешевую энергию. По расчетам М.Анисимова, стоимость энергии, генерируемой небольшими ториевыми реакторами, может составлять менее 1 цента за 1 кВтч - меньше, чем на любом другом энергоблоке.

Конечно, прежде чем строить ториевые реакторы, нужно решить массу проблем, начиная с создания целой отрасли по добыче тория и получения концентрированного оксида или чистого металла и заканчивая ураном-232 с его радиоактивными продуктами деления. Особые требования предъявляются и к корпусам, и трубопроводам, которые должны выдерживать температуру в сотни градусов и корродирующее действие раскаленного расплава солей при непрерывной работе на протяжении нескольких лет.

Впрочем, по мнению экспертов, все эти проблемы решаемы - при создании современных урановых АЭС пришлось преодолеть не меньше технических препятствий. Главное, чтобы кто-то решился выделить средства на исследования и реализацию опытных проектов.

Пока ториевая ядерная энергетика остается в мире редкой экзотикой. По состоянию на сегодня, только Китай и Индия намерены проводить исследования в этой области, и первых практических результатов, очевидно, следует ожидать не скоро. Тем не менее, в долгосрочной перспективе использование тория представляется весьма многообещающим.

В СССР исследования в области ториевой атомной энергии проводились в Курчатовском институте. Продолжались они даже в 90-е годы. Более того, российским ученым принадлежит базовый патент на способ управления ториевым реактором и тепловыделяющую сборку для его осуществления. Однако его срок истекает в 2013 г., а никаких практических шагов в этой области так и не было сделано и не предвидится в обозримом будущем. Тем не менее, Россия входит в первую мировую десятку по запасам тория, а в начале 50-х была налажена даже его промышленная добыча. Технологии по получению металлического тория и его соединений не утрачены до сих пор.

Для Украины с ее сократившимся за последние 20 лет научным потенциалом исследования в области ториевой энергетики в настоящее время вряд ли возможны. Тем не менее, база для этого есть. К тому же Украина располагает месторождением монацитовых песков (монацит - самый распространенный минерал тория, содержащий до 10% металла) - титано-циркониевые россыпи на юге Донецкой области.

Даже после “Фукусимы” человечество вряд ли откажется от ядерной энергии. Но использование тория в перспективе может сделать ее более дешевой и безопасной.

Запасы содержатся прежде всего в руде редкоземельных металлов - монацитах и ториевом минерале - торит. В отсутствии спроса на редкие земли монацит вряд ли бы добывался только для извлечения его ториевого содержания. Другие полезные ископаемые руды с более высоким содержанием тория, такие как торит, были бы более вероятными источниками, если бы спрос значительно увеличился. Новый спрос возможен в связи с развитием и тестированием ториевого ядерного топлива в России и Индии. В США запасы тория имеются прежде всего в недавно открытых и давно разрабатываемых золотых приисках и в ториевых месторождениях венного типа.
Меньшие количества тория содержатся в залежах железной руды и карбонатитах. Месторождения редкого в земной коре апатита тория (FRETA) найдены в Mineville, штат Нью-Йорк; а также в штатах Миссури и Нью-Джерси.
Основные мировые ресурсы тория находятся в золотых приисках. Ресурсы в размере более чем 500,000 тонн содержатся в золотых приисках, месторождениях венного типа и карбонатитах. Распространенные месторождения тория в различных других щелочных магматических породах содержат дополнительные ресурсы в размере более чем 2 миллионов тонн. Большие ториевые ресурсы найдены в Австралии, Бразилии, Канаде, Гренландии (Дания), Индии, Южной Африке и США.

Запасы на месторождениях тория в 2012 году, тыс.тонн ThO2 *

США	440.0
Австралия	410.0
Индия	290.0
Канада	100.0
ЮАР	35.0
Прочие страны	125.0
Всего запасы	1,400.0

* данные US Geological Survey

В США торий производился как побочный продукт очистки монацита при производстве редкоземельных металов. Сам монацит получался как побочный продукт обработки тяжело-минеральных песков полезных ископаемых циркония и титана. В 2012 году монацит не призводился внутри США как коммерческий продукт. По существу все ториевые соединения и сплавы, потребляемые промышленностью США, были получены от импорта, запасов ранее импортированных материалов или материалов, ранее полученных из американских правительственных запасов. Восемь компаний занимались переработкой тория и изготовлением различных форм, содержащих торий, для неэнергетического использования, таких как катализаторы, высокотемпературная керамика и сварочные электроды. Использование тория в большинстве продуктов вообще уменьшилось из-за его естественной радиоактивности. Ориентировочная стоимость ториевых составов, используемых американской промышленностью, составляла 400,000 долларов, и не изменилась по сравнению с данными на 2011 год.
Внутренняя добыча руды отношения тория в монаците прекратилась на территории США в конце 1994 года, поскольку мировой спрос на руды, содержащие естественный радиоактивный торий, уменьшился. Импорт и существующие запасы составили по существу весь торий, потребляемый в Соединенных Штатах в 2012 году. Внутренний спрос на ториевые сплавы, соединения, металл и руды демонстрировал долгосрочную тенденцию снижения.
Торий имеет ряд областей применения, в которых подчас играет незаменимую роль. Положение этого металла в Периодической системе элементов и структура ядра предопределили его применение в области мирного использования атомной энергии.
Торий-232 - четно-четный изотоп (четное число протонов и нейтронов), поэтому не способен делиться тепловыми нейтронами и быть ядерным горючим. Но при захвате теплового нейтрона 232Th превращается в 233U. Уран-233 способен к делению подобно урану-235 и плутонию-239, что открывает более чем серьёзные перспективы для развития атомной энергетики (уран-ториевый топливный цикл, реакторы на быстрых нейтронах). В атомной энергетике применяются карбид, оксид и фторид тория (в высокотемпературных жидкосолевых реакторах) совместно с соединениями урана и плутония и вспомогательными добавками.
Так как общие запасы тория в 3-4 раза превышают запасы урана в земной коре, то атомная энергетика при использовании тория позволит на сотни лет полностью обеспечить энергопотребление человечества.
Кроме атомной энергетики, торий в виде металла с успехом применяется в металлургии (легирование магния и др.), придавая сплаву повышенные эксплуатационные характеристики (сопротивление разрыву, жаропрочность). Отчасти торий в виде окиси применяется в производстве высокопрочных композиций как упрочнитель (для авиапромышленности). Оксид тория из-за его наивысшей температуры плавления из всех оксидов (3350 K) и неокисляемости идёт на производство наиболее ответственных конструкций и изделий, работающих в сверхмощных тепловых потоках, и может быть идеальным материалом для облицовки камер сгорания и газодинамических каналов для МГД-электростанций. Тигли, изготовленные из окиси тория, применяются при работах в области температур около 2500-3100°C. Ранее оксид тория применялся для изготовления калильных сеток в газовых светильниках.
Торированные катоды прямого накала применяются в электронных лампах, а оксидно-ториевые - в магнетронах и мощных генераторных лампах. Добавка 0,8-1% ThO2 к вольфраму стабилизирует структуру нитей ламп накаливания. Ксеноновые дуговые лампы почти всегда имеют торированные катод и анод, поэтому незначительно радиоактивны. Оксид тория применяется как элемент сопротивления в высокотемпературных печах. Торий и его соединения широко применяют в составе катализаторов в органическом синтезе.
В 2012 году потребление тория, согласно оценкам, увеличилось по сравнению с предыдущим годом, и было значительным, прежде всего, в катализаторах, микроволновых трубах и оптическом оборудовании. Увеличение затрат на контроль радиоактивности и стремление ведущих производителей изделий с содержанием тория избавляться от данного металла стали причиной все большего использования заменителей - материалов без тория. Реальные и потенциальные затраты, связанные с разрешением органов государственного регулирования и нормами федерального права в США, определяющими контроль радиоактивности тория, ограничили его коммерческую ценность. Вероятно, что использование тория продолжит уменьшаться, если дешевые решения с его использованием не будут найдены или новая технология, такая, например, как a непролиферативное ядерное топливо, создаст возобновленный спрос.
В 2012 году в Австралии, предприятие в Mount Weld, Западная Австралия, производила монацитовый концентрат жуе второй год. С сентября 2012 года 14,400 тонн концентрата, содержащего 5,200 тонн окисей редких земель и некоторое количество тория, были готовы к экспорту и ожидали запуска предприятия по дальнейшей переработке концентрата в Малайзии. В Южной Африке планы состояли в том, чтобы в стадии реализации продолжить добывать и обрабатывать монацит на действующем предприятии по производству редких земель Steenkampskraal. Когда потребуется, торий, произведенный во время производства редких земель, может быть продан или сохранен локально в восстанавливаемой форме. В 2012 году государственный доклад по предприятию Steenkampskraal содержал данные о ресурсах приблизительно 14,000 тонн окисей редких земель.
В США цены на торий снизились до 73,7 долл./кг в 2009 году, по сравнению с 96,55 долл./кг в 2008 году. На основе данных в течение сентября 2012 года средние цены на импортированные в США ториевые соединения уменьшились до 68 долл./кг по сравнению с 70 долл./кг (вес брутто) в среднем за 2011 год.
Во Франции цены на ториевые компоненты также снизились в последние годы и в 2012 году составили 153 долл./кг по равнению с 158 долл./кг годом ранее.

Нерадиоактивные замены были найдены во многих областях применения тория. Соединия иттрия заменили торий в лампах накаливания. Сплав магния, содержащий лантаниды, иттрий и цирконий, способен заменить торий в космической промышленности.

Торий получил название за 15 лет до того, как был открыт. В 1815 г. Берцелиус, анализируя один редкий минерал из округа Фалюн в Швеции, пришел к заключению, что в нем содержится новый металл, который Берцелиус поспешил наименовать торием. И хотя это заключение было совершенно ошибочным, в те времена мало кто мог оспаривать результаты анализа, сделанного столь авторитетным ученым. Ошибку обнаружил 10 лет спустя сам Берцелиус. Оказалось то, что он принял за окисел нового металла, было основным фосфатом иттрия. Однако название торий оказалось весьма живучим. В 1828 г. Берцелиус получил из Норвегии образец минерала, найденного в сиенитах на острове Левен. Черный тяжелый мягкий минерал (он легко резался ножом) был похож на гадолинит и в нем можно было подозревать присутствие тантала. По просьбе норвежских ученых отца и сына Эсмарк Берцелиус сделал анализ минерала и обнаружил, что он состоит из кремнезема и окисла неизвестного металла, который вновь получил название торий (Thorium) от имени древнескандинавского божества Тора. Эсмарки предложили назвать новый минерал в честь Берцелиуса берцелитом, но сам Берцелиус дал ему общепринятое название торит (силикат тория). Попытки Берцелиуса выделить торий в металлическом виде не увенчались успехом. Это сделал Нильсон в 1882 г. Долгое время торий не привлекал к себе особого внимания химиков и лишь после открытия радиоактивности началась новая страница истории тория. После 1898 г., когда Кюри-Склодовская и Шмидт (Мюнстер) обнаружили независимо друг от друга радиоактивность тория, начались многочисленные исследования, приведшие к открытию ряда продуктов радиоактивного распада тория. В 1902 г. Резерфорд и Содди выделили из раствора ториевой соли продукт, названный ими торием-Х; в 1905 г. Ган, работавший у Рамзая, открыл радиоторий в минерале торините из Цейлона; в 1907 г. он же открыл один из продуктов распада тория - мезоторий (мезоторий-I и мезоторий-П); позже были открыты и другие члены ториевого ряда. В русской литературе первых десятилетий XIX в. название торий встречается еще до открытия зтого металла. Так, у Двигубского (1822) говорится о ториновой земле, у Соловьева (1824) - о торинии, у Страхова (1825) - о торине, встречаются также названия тор, торинум. Начиная с Щеглова (1830) в русской химической литературе обычно употребляется название торий.

ТОРИЙ, Th (от имени бога грома Тоpa в скандинавской мифологии; лат. Thorium * а. thorium; н. Thorium; ф. thorium; и. torio),- радиоактивный химический элемент III группы периодической системы , атомный номер 90, атомная масса 232,0381, относится к актиноидам. Природный торий состоит главным образом из одного изотопа 232 Th (ТЅ 14,00.10 9 лет). В незначительных количествах присутствуют также 228 Th (ТЅ 1,913 года) и четыре короткоживущих изотопа. Известно 18 искусственных изотопов тория с массовыми числами от 213 до 236. Торий открыт в 1828 шведским химиком И. Я. Берцелиусом.

Свойства тория

В свободном состоянии торий — серебристо-белый металл, для которого при температурах ниже 1365°С характерна гранецентрированная кубическая решетка (а=0,5086 нм) — а-Th, а при более высоких — объёмноцентрированная кубическая (а=0,411 нм) — Я-Th. 11300 кг/м 3 , t плавления 1750°С, t кипения 4200°С, молярная теплоёмкость 27,33 Дж/(моль.К), удельное электрическое сопротивление 18,62.10 -4 (Ом.м), температурный коэффициент линейного расширения 11,3.10 -6 К -1 , 35,6 Вт/(м.К). Парамагнитен, температура перехода в сверхпроводящее состояние 1,4 К. Легко деформируется на холоде.

Торий химический

В большинстве соединений для тория характерна степень окисления +4, но бывает также +2 и +3. Порошкообразный торий пирофорен, на воздухе тускнеет, в кипящей покрывается плёнкой диоксида. Реагирует со , при нагревании — с , сероводородом. Легко растворяется в соляной кислоте и царской водке, медленно — в азотной, серной и фтористоводородной кислотах. Токсичен, ПДК 0,05 мг/м 3 .

Торий - один из немногих радиоактивных элементов, открытых задолго до появления самого понятия «радиоактивность».

Любопытно, что название этого элемента появилось на тринадцать лет раньше, чем он был в действительности открыт. Подобное случается не часто.
Выдающегося шведского ученого Йенса Якоба Берцелиуса справедливо называли некоронованным королем химиков первой половины XIX столетия. Человек энциклопедических знаний и превосходный аналитик, Берцелиус работал очень плодотворно и почти никогда не ошибался. Авторитет его был так высок, что большинство химиков его времени, прежде чем обнародовать результат какой-либо важной работы, посылали сообщение о ней в Стокгольм, к Берцелиусу. В его лаборатории были определены атомные веса большинства известных тогда элементов (около 50), выделены в свободном состоянии церий и кальций , стронций и барий , кремний и цирконий , открыты селен и торий. Но именно при открытии тория непогрешимый Берцелиус совершил две ошибки.

В 1815 г., анализируя редкий минерал, найденный в округе Фалюн (Швеция), Берцелиус обнаружил в нем окись нового элемента. Этот элемент был назван торием в честь всемогущего древнескандинавского божества Тора. (По преданию, Тор был коллегой Марса и Юпитера одновременно - богом войны, грома и молнии.)

Прошло десять лет, прежде чем Берцелиус обнаружил свою ошибку: вещество, которое он считал окисью тория, на самом деле оказалось фосфатом уже известного иттрия .

«Похоронив» торий, Берцелиус же его «воскресил». Через три года из Норвегии ему прислали еще один редкий минерал, который теперь называют торитом (ThSiO 4). Торит содержит до 77% окиси тория ThO 2 . Обнаружить столь явный компонент Берцелиусу не составило особого труда. Исследовав выделенную землю, Берцелиус убедился, что это окись нового элемента, к которому и перешло название «торий».

Получить чистый металлический торий Берцелиусу не удалось. Правда, он восстановил калием фтористые соединения нового элемента и получил серый металлический порошок, сильно загрязненный примесями. Из-за этих примесей произошла вторая ошибка, вернее, серия ошибок при описании свойств элементного тория.

Чистый препарат тория был получен лишь в 1882 г. другим известным шведским химиком - первооткрывателем скандия Ларсом Фредериком Нильсоном.

Следующее важное событие в истории элемента № 90 произошло в 1898 г., когда независимо друг от друга и практически одновременно Мария Склодовская-Кюри и немецкий ученый Герберт Шмидт обнаружили, что торий радиоактивен . Склодовская-Кюри отметила тогда же, что активность чистого тория даже выше активности урана .

Именно радиоактивность - основная причина нынешнего повышенного интереса к элементу № 90. Торий все шире используется в атомной энергетике как сырье для получения первичного ядерного горючего; но не будем забегать вперед.

Совершенно очевидно, что первое знакомство с торием не сулило человечеству ничего особенного. Обычный серо-белый металл, довольно тугоплавкий (температура плавления 1750°С), но малопрочный и очень неустойчивый к действию коррозии. К примеру, в горячей воде скорость коррозии тория и сплавов на его основе в сотни раз выше, чем у алюминия. Следовательно, в качестве конструкционного материала или основы для конструкционных материалов торий не представлял интереса.

Вскоре выяснилось, что добавки тория упрочняют сплавы на основе железа и меди , но никаких особых преимуществ перед другими легирующими элементами торий не имел. Прошло много лет, прежде чем легирование торием приобрело практическое значение. В авиационной и оборонной технике наших дней широко используются многокомпонентные сплавы на основе магния . Наряду с цинком , марганцем , цирконием в их состав входят торий и редкоземельные элементы. Тории заметно повышает прочность и жаростойкость этих легких сплавов, из которых делают ответственные детали реактивных самолетов, ракет, электронных устройств...

Сейчас торий используют и как катализатор - в процессах органического синтеза и крекинга нефти, а также при получении жидкого топлива из угля. Но все это, если можно так выразиться, приобретения XX в. В XIX же веке выход в практику нашло лишь одно соединение элемента № 90 - его двуокись ThO 2 . Ее применяли в производстве газокалильных сеток.

В конце XIX в. газовое освещение было распространено больше, чем электрическое. Изобретенные видным австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом колпачки из окислов церия и тория увеличивали яркость и преобразовывали спектр пламени газовых рожков - свет их становился ярче, ровнее.

Из двуокиси тория - соединения весьма тугоплавкого - пробовали делать и тигли для выплавки редких металлов. Но, выдерживая высочайшие температуры, это вещество частично растворялось во многих жидких металлах и загрязняло их. Потому тигли из ThO 2 широкого распространения не получили.

Вероятно, разговор о практическом применении тория был бы вообще беспредметным, если бы человечество располагало лишь торием, заключенным в торите. Минерал этот очень богат, но редок, так же как и другой богатый ториевый минерал - торианит (Th,U)O 2 ,

Однако еще в конце прошлого века при участии Ауэра фон Вельсбаха на Атлантическом побережье Бразилии были начаты разработки монацитовых песков. Минерал монацит - важнейший источник и редкоземельных элементов, и тория. В общем виде формулу этого минерала обычно пишут так: (Се, Th) РO 4 , но он содержит, кроме церия, еще и лантан , и празеодим , и неодим , и другие редкие земли. А кроме тория - уран.

Тория в монаците, как правило, содержится от 2,5 до 12%. Богатые монацитовые россыпи, помимо Бразилии, есть в Индии, США, Австралии, Малайзии. Известны и жильные месторождения этого минерала - на юге Африки.

Упоминавшиеся выше торит и торианит (и разновидность последнего - ураноторианит) тоже считаются промышленными минералами тория, но их доля в мировом производстве этого элемента совершенно незначительна. Самое известное месторождение ураноторианита находится на острове Мадагаскар.

Считать торий очень уж редким металлом было бы неправильно. В земной коре его 8-10" 4%, примерно столько же, сколько свинца . Но ториевое сырье - это всегда сырье комплексное.

Добыча тория из монацита

Монацит - минерал прочный, устойчивый против выветривания. При выветривании горных пород, особенно интенсивном в тропической и субтропической зонах, когда почти все минералы разрушаются и растворяются, монацит не изменяется. Ручьи и реки уносят его к морю вместе с другими устойчивыми минералами - цирконом , кварцем , минералами титана . Волны морей и океанов довершают работу по разрушению и сортировке минералов, накопившихся в прибрежной зоне. Под их влиянием происходит концентрирование тяжелых минералов, отчего пески пляжей приобретают темную окраску. Так на пляжах формируются монацитовые россыпи. Но, естественно, и там монацитовый песок перемешан с кварцевым, цирконовым, рутиловым ... Поэтому первая стадия производства тория - получение чистого монацитового концентрата.

Для отделения монацита используют разные способы и приспособления. Первоначально грубо отделяют его на дезинтеграторах и концентрационных столах, используя разницу в плотности минералов и их смачиваемости различными жидкостями. Тонкого разделения достигают путем электромагнитной и электростатической сепарации. Полученный таким образом концентрат содержит 95-98% монацита. После этого начинается самое сложное. Отделение тория чрезвычайно затруднено, поскольку монацит содержит элементы, по свойствам близкие к торию, - редкоземельные металлы, уран... Расскажем о выделении тория в самых общих чертах.

Прежде всего минерал «вскрывают». Для этого в промышленных условиях монацит обрабатывают горячими концентрированными растворами серной кислоты или едкого натра. Образующиеся в первом случае сульфаты тория, урана и редких земель растворимы в воде. В случае же щелочного вскрытия ценнейшие компоненты монацита остаются в осадке в виде твердых гидроокисей, которые затем превращают в растворимые соединения. «Отлучение» урана и тория от редких земель происходит на следующей стадии. Сейчас для этого в основном используют процессы экстракции. Чаще всего из водных растворов торий и уран экстрагируют не смешивающимся с водой трибутилфосфатом. Разделение урана и тория происходит на стадии избирательной реэкстракции. При определенных условиях торий из органического растворителя перетягивается в водный раствор азотной кислоты, а уран остается в органической фазе. Хотим еще раз подчеркнуть, что здесь описана лишь принципиальная схема - на практике все обстоит значительно сложнее.

После того как торий отделен, нужно превратить его соединения в металл. Распространены два способа: восстановление двуокиси ThO 2 или тетрафторида ThF 4 металлическим кальцием и электролиз расплавленных галогенидов тория. Обычно продуктом этих превращений бывает ториевый порошок, который затем спекают в вакууме при 1100-1350°С.

Многочисленные сложности ториевого производства усугубляются необходимостью надежной радиационной защиты.

Радиоактивность - важнейшее свойство тория. Но первые же глубокие исследования этого явления на новом объекте дали неожиданные результаты. Радиоактивность тория отличалась странным непостоянством: хлопнет ли дверь, чихнет или закурит экспериментатор - интенсивность излучения меняется. Первыми натолкнулись на эту странность, начав работу с торием, два молодых профессора Мак-Гиллского университета в Монреале - Э. Резерфорд и Р.Б. Оуэнс. Они очень удивились, когда после тщательного проветривания лаборатории радиоактивность тория стала вовсе незаметной! Радиоактивность зависит от движения воздуха?!

Естественно было предположить, что активность «сдувается» с тория потому, что в процессе распада образуется радиоактивный газообразный продукт. Он был обнаружен, изучен и назван эманацией тория, или тороном. Сейчас это название употребляется сравнительно редко: торой больше известен как изотоп радон-220 .

Вскоре, в 1902 г., в той же монреальской Мак-Гиллской лаборатории Ф. Содди выделил из раствора торцевой соли еще один новый радиоактивный продукт - торий-Х. Торий-Х обнаруживали везде, где присутствовал торий, но после отделения от тория интенсивность его излучения быстро падала. Менее чем за четыре дня она уменьшилась вдвое и продолжала падать в полном соответствии с геометрической прогрессией! Так в физику пришло понятие о периоде полураспада. Позже было установлено, что торий-Х представляет собой сравнительно, короткоживугций изотоп радий-224 .

Со временем были обнаружены достаточно многочисленные продукты алхимических превращений тория. Резерфорд изучил их, установил генетические связи. На основе этих исследований им был сформулирован закон радиоактивных превращений, а в мае 1903 г. ученый предложил схему последовательных распадов естественного радиоактивного ряда тория.

Торий оказался родоначальником довольно большого семейства. «Родоначальник», «семейство» - эти слова приведены здесь не ради образа, а как общепринятые научные термины. В своем семействе торий можно было бы назвать еще и патриархом: он отличается наибольшим долголетием в этом ряду. Период полураспада тория-232 (а практически весь природный торий - это изотоп 232 Th) 13,9 млрд. лет. Век всех «отпрысков знатного рода» несравненно короче: самый долгоживущий из них - мезоторий-I (радий-228) имеет период полураспада 6,7 года. Большинство же изотопов торцевого ряда «живет» всего дни, часы, минуты, секунды, а иногда и миллисекунды. Конечный продукт распада тория-232 - свинец, как и у урана. Но «урановый» свинец и «ториевый» свинец не совсем одно и то же. Торий в конце концов превращается в свинец-208, а уран-238 - в свинец-206.

Постоянство скорости распада и совместное присутствие в минералах материнских и дочерних изотопов (в определенном радиоактивном равновесии) позволили еще в 1904 г. установить, что с их помощью можно измерять геологический возраст. Первым эту идею высказал один из светлейших умов своего времени - Пьер Кюри.