Toriumenergi i Ryssland och superteknologins framtid

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Valery Konstantinovich Larin, en av världens ledande experter inom toriumenergi, medlem av expertrådet för tidskriften Rare Lands, Doctor of Technical Sciences, ex-VD för flera av de största företagen i Sredmash, om förtroendekoden, ny möjligheter i utvecklingen av Arktis, evolution och kärnkraftens ljusa framtid, som inte kan föreställas utan användningen av ett unikt grundämne - torium.

Vad är torium? Vilka är dess för- och nackdelar? Varför är torium redan valt i andra länder? sista samtal inför den stora showen, dit vi kanske inte får en inbjudan om vi idag missar vår chans att skapa toriumsuperteknik för den nya teknologiska eran.

Torium som ett alternativ till uran

Torium är flera gånger rikligare i jordskorpan än naturligt uran. Torium och en av isotoperna som finns i det, uran-232, kan vara en ganska effektiv källa inom kärnkraft istället för det flitigt använda bränslet baserat på den 235:e isotopen av uran. Toriumenergi har ett antal kolossala fördelar. Vilka? För det första, säkerhet: det finns ingen överdriven reaktivitet i en reaktor som använder torium som batteri. Detta är en garanti för icke-upprepning av sådana fruktansvärda katastrofer som Three Mile Island i Amerika, som Tjernobyl, som Fokushima. Till och med akademikern Lev Feoktistov skrev att varje kärnreaktor som fungerar i dagens konfiguration och teknik har en galen överaktivitet. Faktum är att det finns flera dussin eller till och med hundratals bomber i en reaktor, vilket tvingar oss att vidta mycket allvarliga skyddsåtgärder: fällor, specialdesigner och så vidare, vilket naturligtvis ökar kostnaderna för produktion och underhåll avsevärt. Den andra fördelen med toriumenergi är att det inte finns några problem med avfallshantering. Vi tvingas ladda om bränsle i nuvarande VVER-reaktorer vart och ett halvt år. Detta är 66 ton aktiv substans, som måste laddas en gång. Dessutom är graden av utbrändhet inte så hög, det finns mycket avfall kvar, vilket är fyllt med en rad svårigheter. Jag menar sekundärt omhändertagande av aktiva grundämnen, plutonium produceras i stora volymer. Toriumenergi har inte allt detta. Varför? Torium har en mycket längre halveringstid – i praktiken tio år eller mer. Detta ger effektivare användning, lägre kostnader för lossning och lossning, ökad kapacitetsfaktor osv. Ja, det måste erkännas att på grund av toriums olika halveringstid bildas andra aktinider, mer aktiva, men för närvarande är detta problem ganska lösbart. Men det finns också stora plus. Håller med, det är skillnad: ett och ett halvt år och tio år?

Det huvudsakliga mineralet som innehåller torium är monazit, som innehåller sällsynta jordartsmetaller. Därför, när vi talar om torium som ett bränsle för framtida energi, som nästa steg i utvecklingen av kärnenergi, kommer vi naturligtvis att tala om den komplexa bearbetningen av monazitråvaror och separationen av sällsynta jordartsmetaller - detta gör i huvudsak användningen av torium kommersiellt mer ekonomiskt och attraktivt. Det finns en mycket allvarlig potential för utveckling av energi, ekonomi och gruvindustrin. Torium finns i Ryssland i form av monazitsand. Denna teknik måste vara industriellt utvecklad, testad och, viktigast av allt, kostnadseffektiv. Allt kan göras i laboratoriet.

Problemet med att hitta toriumavlagringar liknar problemet med att hitta avlagringar av sällsynta jordartsmetaller - dess förmåga att koncentrera sig är svag, och torium är mycket ovilliga att samlas i några betydande avlagringar, eftersom det är ett mycket spritt element i jordskorpan. Torium finns i små mängder i granit, jord och jord. Torium bryts vanligtvis inte separat, det återvinns som en biprodukt vid brytning av sällsynta jordartsmetaller eller uran. I många mineraler, inklusive monazit, ersätter torium lätt det sällsynta jordartsmetallelementet, vilket förklarar toriums affinitet med sällsynta jordartsmetaller.

Torium(Thorium), Th är ett kemiskt element i III-gruppen i det periodiska systemet, den första medlemmen i aktinidgruppen. År 1828, när han analyserade ett sällsynt mineral som hittats i Sverige, upptäckte Jens Jakob Berzelius en oxid av ett nytt grundämne i det. Detta element fick namnet thorium för att hedra den allsmäktige skandinaviska gudomen Thor (Thor är en kollega till Mars och Jupiter, krigsguden, åskan och blixten). Berzelius misslyckades med att erhålla rent metalliskt torium. En ren beredning av torium erhölls först 1882 av en annan svensk kemist, upptäckaren av scandium, Lars Nilsson. Toriums radioaktivitet upptäcktes 1898 oberoende av varandra samtidigt av Maria Sklodowska-Curie och Herbert Schmidt.

Vi behöver utveckla vår egen produktion

Vid ett tillfälle skrevs rapporter till Efim Pavlovich Slavsky och Igor Vasilyevich Kurchatov om att det var nödvändigt att byta till toriumcykeln. Och toriumkraftteknik utfördes experimentellt: reaktorer var i drift i Mayak och i Tyskland. Men samtidigt var det nödvändigt att utveckla en militär riktning relaterad till energi, och följaktligen arbeta med plutonium, och toriumprogrammet frystes. Därför är beslutet, som togs av vår ordförande, att det är nödvändigt att börja arbeta i denna riktning, stärka och kanske till och med påskynda, mycket korrekt och lägligt. Idag kommer ingen att ge oss en andra chans. Kina, Indien och de skandinaviska länderna har ett mycket seriöst thoriumprogram. Snart kommer alla att gå så långt att vi inte kommer ikapp någon. Kina har gått så långt i utvecklingen av industrin för sällsynta jordartsmetaller med en egen malmbas att vi inte kommer att skrämma Kina med detta idag. Vi kunde komma ikapp Kina och var tvungna att göra allt så att Kina från oss, åtminstone ett steg, två hölls i bakgrunden inom kärnteknik, inom kärnteknik. Men tyvärr ger vi vika här också. Kina är ivrigt att komma in på marknaden med sina kärnreaktorer, med sin egen teknik. Och jag kan försäkra er att med den position vi har nu kommer vi att förlora den här kampen.

De erbjuder redan lågeffektsreaktorer och, tråkigt nog att erkänna, kommer de att industrialisera de flytande reaktoranläggningarna snabbare än vi – våra ministerkamrater är mycket intresserade av dessa reaktorer, istället för att utveckla sin egen produktion. Vi behöver utvecklas. Till exempel gasreaktorer, högtemperaturgaskylda reaktorer är faktiskt en mycket lovande riktning. Men av någon anledning gör vi detta också väldigt långsamt, blygt, inert.

Tyvärr dominerades vi under hela 1990-talet av ideologin att det är lättare och billigare att köpa sällsynta jordartsmetaller, till exempel i Kina, än att tillverka en egen produkt.

Hur mycket kostar nytt bränsle

Producenterna är konservativa. Och deras konservatism är berättigad. Produktionsarbetarens filosofi är tydlig: jag har en välfungerande produktion, jag jobbar, jag ansvarar för planen, för produktionen, för människorna som arbetar. Varje innovation ger mig risker. Risker för något nytt, som måste upplevas, och samtidigt är vissa funktionsfel, överlagringar och så vidare alltid möjliga. Behöver jag det? Jag vill hellre leva i fred. Därför är konflikten mellan sådana intressen: utveckling, främjande av det nya och synvinkeln för en konservativ produktionsarbetare, det har alltid varit, är och kommer att vara. En annan sak är att det är nödvändigt att övervinna det rationellt.

Idag finns det sorter av uranbränsle: nitrid, keramik, bränsle med tillägg av sällsynta jordartsmetaller. Ett mycket stort antal alternativ. Och görs detta utan någon kostnad, utan några pengar? Absolut inte. För att få ett nytt bränsle baserat på torium är det nödvändigt att utveckla en teknik för tillverkning av dessa material. Och innan vi säger att toriumenergi är mycket dyrare än uran, måste vi göra en enkel sak - en jämförande ekonomisk analys. Om till exempel en smälta av toriumfluorid används som bränsle för en reaktor, verkar det som om det inte är så dyrt att få tag i toriumfluorider. Om vi får bränsle i form av sfäriska element - detta är det andra alternativet, keramik - det tredje alternativet. Dessutom pratar vi här först och främst om råvaror, om monazit, och frågan om pris kommer att bestämmas med hänsyn till den komplexa användningen. Det vill säga utvinning av hela mängden sällsynta jordartsmetaller, uran och zirkonium från monazit - allt detta kommer att allvarligt minska kostnaderna för att producera bränsle baserat på torium.

Lite om snabba reaktorer. Det spelar ingen roll med vilken teknik, på vilken reaktor, i vilken designversion att använda snabba neutroner, antända ett naturligt material - i en eller annan mängd kommer avfall fortfarande att genereras. Och avfallet ska återvinnas. Om vi talar om renheten i metod och begrepp, som sådan finns det ingen sluten cykel och kan inte vara det. Men i alternativet med toriumenergi kommer det att finnas mindre aktivt avfall som behöver återvinnas.

Jag är övertygad om att vi i alla fall gradvis kommer att gå över till toriumenergi, särskilt eftersom den senaste forskningen och beräkningarna av fysiker från Tomsk Polytechnic University, teoretisk beräkning av kärnan, visar att en evolutionär övergång till toriumenergi är möjlig i förhållande till ljus -vattenreaktorer. Det vill säga inte omedelbart en revolution, utan en gradvis överföring av kärnan i befintliga lättvattenreaktorer med en partiell ersättning av härden från uranbränsle till torium.

Innan du hänger upp stämplar om att det här är dåligt, och att det här är bra, måste du på allvar ta itu med den verkliga verksamheten. Låt oss säga att vi gör ett par bränslestavar och kör det hela på testbänkar. Ta bort alla kärnfysiska egenskaper. Mycket forskning behöver göras, och långsiktigt. Och ju längre vi dröjer med att hävda att det är svårt och svårt, desto mer kommer vi att släpa efter i utvecklingen. Du måste göra allt i tid. En gång var Sredmash engagerad i detta, fick metalliskt torium på våra företag, och dessa tekniker var tillgängliga. Det är nödvändigt att lyfta den gamla erfarenheten, gamla rapporter, de finns förmodligen alla bevarade i arkiven, och experter kommer att hitta det. Med hänsyn till vad som har gjorts och nya möjligheter är det nödvändigt att fortsätta det hela.

Några toriumfyndigheter i Ryssland:

• Tugan och Georgievskoe (Tomsk-regionen)

• Ordynskoe (Novosibirsk-regionen)

• Lovozerskoe och Khibinskoe (Murmansk-regionen)

• Ulug-Tanzekskoe (republiken Tyva)

• Kiyskoe (Krasnoyarsk-territoriet)

• Tarskoe (Omsk-regionen)

• Tomtorskoe (Yakutia)

Thorium för Arktis och bortom

Det finns ett stort behov av seriella mobila och stationära kraftverk med ultralåg och låg effekt (från 1 till 20 MW), som kan användas som energi- och värmekällor i utvecklingen av nordliga territorier, utvecklingen av nya fyndigheter där, samt att tillhandahålla elektricitet till avlägsna militära garnisoner och stora flottbaser i norra och Stillahavsflottan. Dessa anläggningar bör ha så lång drifttid som möjligt utan att ladda om kärnbränsle, under deras drift bör de inte ansamlas plutonium, de ska vara lätta att underhålla. De kan inte verka i uran-plutonium-cykeln, eftersom plutonium ansamlas under dess användning. I det här fallet är användningen av torium ett lovande alternativ till uran.

Energiproblemet i Arktis är problemet nummer ett. Och detta måste hanteras helt klart. Just nu, i Zhodino, har våra kära vitryska vänner gjort världens största BelAZ, med en lastkapacitet på 450 ton. För att denna "BelAZ" ska fungera normalt, drivs alla dess hjuluppsättningar separat, det finns en separat motor för varje hjul. Men för att få el så finns det två enorma dieslar som driver elgeneratorer, de distribuerar allt till dessa elmotorer. Låt oss göra en liten toriumreaktor, och den behöver inte installeras direkt på denna BelAZ. Du kan göra olika alternativ. Det skulle till exempel vara mycket effektivt att använda toriumreaktorer med låg effekt för väteproduktion. Och överför alla motorer till vätgas. I detta avseende får vi teoretiskt sett en lysande bild, för när vi bränner väte får vi vatten. Absolut "grön" energi som alla drömmer om. Eller så gör vi kärnkraftverk baserade på lågeffektsreaktorer. Med den fortsatta utvecklingen och utforskningen av Arktis kommer mobila lokala reaktorer, reaktorinstallationer med låg effekt att ge, ur min synvinkel, en galen nationell ekonomisk effekt. Bara galen. De ska vara exakt mobila, lokala, mobila. Och jag tror att det inte är så svårt att göra reaktorer med låg effekt på torium med en tankningsperiod på tio år eller mer i Arktis. Ja, det är möjligt att tillverka lågeffektsreaktorer med hjälp av befintlig teknik: låt oss ta de reaktorer som vi har i flottan, på ubåtar och kärnkraftsdrivna fartyg. Låt oss sätta på dem. Låt oss börja utnyttja. Allt detta kan göras. Men svårigheter med drift och avveckling, lastning, lossning och borttagning under de svåra förhållandena på nordliga breddgrader kommer att avsevärt komplicera användningen av denna typ av installation.

Ytterligare ett illustrativt exempel. I de enorma Yakut-brotten i Alrosa, vid gruvområdena i Lebedinsky GOK, när vi utvinner järnmalm, använder vi tunga BelAZ eller Caterpillars, och det finns ett stort problem med att lufta stenbrotten från avgasutsläpp och efter massiva explosioner för att bryta malm. Vad tillämpas? Upp till flyghelikoptermotorer, men de går även på fossilt bränsle, fotogen etc., i sin tur uppstår sekundär förorening av stenbrottet. Vid byte till fordon med toriumbaserade reaktorer behöver man inte ventilera dagbrott, bränsle- och smörjmedelslager behövs inte etc.

Det är en chock för mig när Ryssland, den juridiska efterträdaren till Sovjetunionen, inte kan förse sin kärnkraftsindustri med en naturlig komponent, uranråvaror. Jag förstår inte detta, men jag växte upp i en gammal skola och arbetade inte någonstans förutom Sredmash. Det är inget skämt, för en tid sedan, att döma av Rosatoms officiella källor, tvingades vi köpa råvaror i Australien.

Ryska företag, säger de, är olönsamma, men i det här fallet, varför är liknande företag i Ukraina, där även underjordisk gruvdrift och innehållet av metall i malm liknande vårt, lönsamma? Förmodligen har behovet kommit, staten behöver ha statliga reserver av strategiska material för utveckling av kärnenergi, såväl som för industrin i allmänhet. Med hänsyn till sådana knep som äger rum (sanktioner, etc.), kan vi när som helst försättas i en mycket, mycket obekväm, beroende position.

Där det handlar om principfrågor, om statens säkerhet, inte bara ur försvarsförmågans synvinkel, är statens säkerhet ett rymligt och enormt begrepp, och det handlar inte bara om vapen. Det här är mat och andra strategiska saker.

Var är huvudkontoret för analytiker och specialister?

Det förefaller mig som om det under alla ministerier borde finnas ett slags högkvarter för analytiker, rådgivare, grå kardinaler, om du vill, kalla dem vad du vill, som ska analysera en enorm mängd information och skilja agnarna från vetet, definiera utvecklingsstrategin. Tyvärr, särskilt idag, fattas beslut ofta utan ordentlig analys. Branschens ledarskap bör vara engagerad i analyser och strategisk planering, tydligt förstå i vilken riktning branschen kommer att utvecklas vidare. Och detta bör baseras på rätt analys.

Den dåliga nyheten är att vi verkligen glömde bort begreppet "kritiska metaller", om vad som behövs för utvecklingen av kärnkraftsindustrin, för dess oavbrutna drift. Enligt min uppfattning behövs yttrium, beryllium, litium hårt, en medeltung grupp är välbehövlig - dessa är neodym, praseodym, dysprosium. Dessa element behövs verkligen under de kommande 5-10-15 åren. Ja, vi har bestämt att vi behöver dessa element. Jag ställer en enkel fråga: herrar chefer, herrar teknologer, vi fick dessa element. Vad ska vi göra med dem? Har vi en sekundär industri redo att tillverka produkter från dessa grundämnen? Vem kommer att göra om det finns dessa företag? Först kan de berätta att ja, vi gjorde prototyper. Frågan är en annan. Har du gjort något som är konkurrenskraftigt? Denna produkt är rysk och kommer det att vara en produkt som är bättre i sina egenskaper än tyska, och så vidare? Det är som en TV. För dig som konsument kommer vi att sätta en rysk TV och en japansk TV. Jag är säker på att du kommer att köpa japanska. Det är frågan - är industrin redo att använda sällsynta jordartsmetaller korrekt och i rätt riktning. Är vi redo att göra en konkurrenskraftig produkt av dem eller har vi producerat sällsynta jordartsmetaller för att sälja på marknaden? Kina med våra sällsynta jordartsmetaller kommer inte att släppa in oss på marknaden. Det finns ett komplex av problem som vi måste lösa på ett heltäckande sätt, men vi deklarerar bara.

Men mycket värre är personalens åldrande, potentialen i ministeriet, i det statliga företaget. Och detta är tyvärr särskilt tydligt inom råvarudivisionen. Och råvarudivisionen är ryggraden. Om du inte har råvarorna så blir det inget att göra något av. Järn kan byggas, men hur kan järnet matas? Vi säger inte förgäves att vi behöver tänka och överväga olika källor till råvaror, inklusive torium. Tillsammans med detta bör man inte glömma uran, man bör inte glömma de ackumulerade reserverna (naturlig komponent 238 i olika former). Allt detta bör användas i ett snävt fokuserat, kompetent, normalt, jordat segment, i olika versioner. Du kan inte skicka en Harvard-examen till en gruva eller en advokat till en metallurgisk verkstad. De kommer inte att åka dit. Och vem utbildar sådana specialister nu? I Ural fanns en hel industri direkt relaterad till ministeriet för medelstor maskinbyggnad, kemiteknik. De mest kraftfulla kemitekniska anläggningarna i Ural.

Fördelar med att använda torium:

+ Lönsamhet. Torium behöver ungefär hälften så mycket som uran för att producera samma mängd energi.

+ Säkerhet. Toriumdrivna kärnreaktorer är säkrare än urandrivna reaktorer eftersom toriumreaktorer inte har någon reaktivitetsmarginal. Därför kan ingen skada på reaktorutrustningen orsaka en okontrollerad kedjereaktion.

+ Bekvämlighet. På basis av torium är det möjligt att skapa en reaktor som inte kräver tankning.

Tre nackdelar med att använda torium:

- Torium är ett spritt grundämne som inte bildar sina egna malmer och avlagringar, dess utvinning är dyrare än uran.

- Att öppna monazit (ett mineral som innehåller torium) är en mycket mer komplex process än att öppna de flesta uranmalmer.

- Det finns ingen väletablerad teknik.

Det är en paradoxal sak - idag utbildar inget universitet i Ryssland specialister inom kemiteknik. Och hur kommer enheterna att utformas i allmänhet utan specialister? De gamla kommer att gå. Ta med ett prov till VNIIKhT nu, det finns ingen som klipper det. Om jag har fel, skriv att Valery Konstantinovich har fel. Detta kommer att vara korrekt och korrekt. Här informerar vi om att ett sådant och ett universitet förbereder. Jag kommer bara att vara glad att jag hade fel, uppriktigt glad. Jag säger detta av personlig erfarenhet. Jag var nyligen i Ural och träffade människor som arbetar i den här branschen, det här är deras ord. De sa till mig: "Om fem år kan du glömma att det fanns en sådan industri som kemiteknik i Ryssland."Det här är personer som har erfarenhet av design och skapande av enheter för kemiteknik: specialtorkar, specialugnar, enheter för nedbrytning, för kemisk nedbrytning. Detta är en speciell teknikgren som innebär att man arbetar med syror, under termiska förhållanden, på tryckkärl.

Var annars används torium?

1 Toriumoxid används för tillverkning av eldfast keramik.

2 Metalliskt torium används för att legera lätta legeringar, som är särskilt mycket använda inom flyg- och raketteknik.

3 Multikomponent magnesiumbaserade legeringar som innehåller torium används för delar av jetmotorer, styrda projektiler, elektronisk och radarutrustning.

4 Torium används som katalysator vid organisk syntes, oljekrackning, syntes av flytande bränsle från kol och hydrering av kolväten.

5 Torium används som elektrodmaterial för vissa typer av vakuumrör.

Varför behöver du en regissör?

Jag var generaldirektör för de tre största företagen i Sredmash. Jag är stolt över detta och jag vet hur relationen byggdes upp mellan mig, som företagets direktör, chefen för centralstyrelsen och ministern. Jag fattade beslut inom ramen för finansiering och kompetens som jag hade. Och jag var ansvarig för detta. Vi tog beslut, vi körde tester. Berättigad? Ja. Men vi gjorde det. Sedan, på grundval av allt detta, motiverade och bevisade vi behovet av sådana beslut. Vi måste göra detta, vi måste implementera det, det ligger i logiken för branschens utveckling, det är nödvändigt, och så vidare. Nu väntar alla på laget från Moskva, vad ska vi göra?

Alla system av relationer, vilket system som helst i branschen, i den nationella ekonomin och någon annanstans - detta är ett system av förtroende. Om du sätter regissören, så betyder det a) att du litar på honom, b) om du litar på honom, ger du honom en viss ram för fri flytande. Men direktören, befälhavaren, som är ansvarig för produktionen, för människorna, för säkerhetsåtgärder, för genomförandet av planen, för en miljon av alla funktioner, kan inte ständigt ringa från Moskva och tillrättavisa: gör inte det, don titta inte här, gå inte dit”. Om något händer i produktionen kommer regissören att vara ansvarig, och inte den som drar honom från Moskva. Nu kan direktören för företaget, ursäkta mig, inte köpa en tvål. Allt går genom Moskva, genom anbud. Men i så fall, varför behöver du en regissör? Ta bort honom och beordra från Moskva vad som behöver göras.

Det är en fråga om tid

Forskare som är seriöst involverade i snabba reaktorer är ganska tydliga med att den faktiska uppstarten är planerad till 2030. Förut är det ingen som planerar något. Det finns många problem. Smält bly är en frätande vätska. Blyflödet i kylrören är en fråga om frågor: vad händer vid gränssnittet, vilka egenskaper har gränsskikten, hur massöverföring och värmeöverföring förändras, frågor, frågor, frågor. Faktum är att gränsskikten har helt olika fysikalisk-kemiska egenskaper, det finns helt olika koefficienter för massöverföring, värmeöverföring etc. Bly måste vara av en viss kvalitet, med erforderlig syrehalt. Det finns många frågor. Finns det svar på dessa frågor? Vet inte. Vi behöver siffror, beräkningar.

När det gäller thorium så beror allt på hur vi organiserar det, hur vi ordnar det konstruktivt, vilken typ av logistik och vem som ska leda projektet. Om vi kan göra detta kompetent kommer vi att välja specialister som brinner för idén om toriumenergi, vi kommer att tilldela finansiering, en speciell forskningsreaktor endast för dessa ändamål, med bränsleproduktion, jag tror att vi kommer att möta det praktiska resultat på ganska kort tid, som det var på fyrtio- och femtiotalet … Laboratorierna har redan gjort en betydande del av arbetet med kärnans fysik, bearbetning av monazit med selektiv frisättning av torium och produktion av sällsynta jordartsmetaller. Allt som har gjorts tidigare ska samlas, analyseras och samlas inom ramen för arbetsgruppen för utveckling av toriumenergi. Och jobba.