Торий

Торий — это химический элемент с атомным номером 90, относящийся к группе актиноидов. В природе встречается в виде единственного долгоживущего изотопа — торий-232 (период полураспада 1,405⋅10¹⁰ лет). Торий является слаборадиоактивным металлом серебристо-белого цвета, который в земной коре встречается примерно в три-четыре раза чаще, чем уран. В первую очередь известен как потенциальное ядерное топливо для реакторов-размножителей, а также используется в производстве тугоплавких сплавов, газокалильных сеток и оптических стёкол.

История открытия

Торий был открыт в 1828 году шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом. Он выделил новый элемент из минерала, найденного на острове Лёвёйя (Норвегия), который впоследствии получил название торит. Берцелиус назвал элемент в честь скандинавского бога грома Тора. Металлический торий впервые был получен в 1882 году, а его радиоактивные свойства были обнаружены в 1898 году независимо Марией Склодовской-Кюри и Герхардом Шмидтом.

В начале XX века торий активно использовался в газокалильных сетках для керосиновых ламп, что привело к развитию его промышленной добычи. В 1930-х годах торий рассматривался как возможное сырьё для ядерной энергетики, однако после Второй мировой войны приоритет был отдан урану и плутонию. Интерес к торию возобновился в 2000-х годах в связи с разработкой реакторов на расплавах солей и подкритических сборок.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Торий — мягкий, ковкий металл серебристо-белого цвета, который на воздухе быстро тускнеет, покрываясь оксидной плёнкой. Основные физические характеристики:

• Плотность: 11,72 г/см³ (при 20 °C)
• Температура плавления: 1750 °C
• Температура кипения: около 4788 °C
• Кристаллическая решётка: гранецентрированная кубическая (α-форма) при комнатной температуре; при 1400 °C переходит в объёмноцентрированную кубическую (β-форму)

Химические свойства

Торий проявляет степень окисления +4 (наиболее стабильная) и редко +3. Он является химически активным металлом:

• На воздухе медленно окисляется до диоксида тория (ThO₂)
• Реагирует с галогенами при нагревании, образуя тетрагалогениды
• Растворяется в соляной и азотной кислотах, но пассивируется в серной и плавиковой
• При нагревании реагирует с водородом, азотом и углеродом

Диоксид тория (ThO₂) — тугоплавкое соединение (температура плавления 3390 °C), обладающее высокой химической стойкостью и радиационной устойчивостью.

Нахождение в природе и добыча

Распространённость

Торий содержится в земной коре в концентрации около 10–15 г/т, что сопоставимо с содержанием свинца и значительно превышает содержание урана (2–4 г/т). Основные минералы, содержащие торий:

• Монацит (фосфат редкоземельных элементов, содержащий до 10–15 % ThO₂) — главный промышленный источник
• Торит (силикат тория, ThSiO₄)
• Торианит (оксид тория и урана, (Th,U)O₂)

Месторождения

Крупнейшие запасы тория находятся в:

• Индия — около 25 % мировых запасов (в основном монацитовые пески Кералы)
• Бразилия — 15–20 % (монацитовые россыпи)
• Австралия — 15–20 %
• США — около 10 % (в том числе месторождение Лемхи-Пасс, Айдахо)
• Россия — значительные запасы в комплексных редкоземельных месторождениях (Кольский полуостров, Якутия, Забайкалье), однако промышленная добыча тория как самостоятельного продукта не ведётся

Технология добычи

Торий извлекается попутно при переработке монацитовых концентратов. Основные этапы:

1. Обогащение монацита гравитационными и магнитными методами
2. Вскрытие концентрата серной кислотой или щёлочью
3. Разделение редкоземельных элементов и тория методами экстракции или ионного обмена
4. Очистка тория до металла (восстановление фторида тория кальцием или магнием)

Применение

Ядерная энергетика

Торий-232 является плодородным материалом: при захвате нейтрона он превращается в уран-233, который, в свою очередь, способен поддерживать цепную ядерную реакцию деления. Ториевый топливный цикл имеет ряд преимуществ:

• Распространённость — торий в 3–4 раза более распространён, чем уран
• Меньшее количество долгоживущих отходов — в ториевом цикле образуется меньше трансурановых элементов (плутоний, америций, кюрий)
• Более высокая температура плавления топлива — диоксид тория плавится при 3390 °C против 2865 °C у диоксида урана
• Устойчивость к пролиферации — уран-233 загрязнён ураном-232, который является мощным гамма-излучателем, что затрудняет его использование в военных целях

Однако существуют и технические сложности:

• Необходимость в источниках нейтронов (уран-235 или плутоний-239) для запуска цикла
• Высокая радиоактивность промежуточных продуктов (протактиний-233, уран-232)
• Отсутствие промышленной инфраструктуры для переработки ториевого топлива

В настоящее время в мире не существует коммерческих ториевых реакторов, однако ведутся исследования и разработки:

• Индия — разрабатывает реактор AHWR (Advanced Heavy Water Reactor) на ториевом топливе
• Китай — строит экспериментальный реактор на расплавах солей (TMSR) в Увэе (провинция Ганьсу)
• Россия — в НИЦ «Курчатовский институт» проводятся исследования ториевого топливного цикла для реакторов ВВЭР и на быстрых нейтронах
• Норвегия — компания Thor Energy испытывает ториевые ТВЭЛы в исследовательском реакторе в Халдене

Другие применения

• Газокалильные сетки — для керосиновых ламп (добавка 1 % церия к диоксиду тория увеличивает яркость свечения)
• Металлургия — добавка тория (1–2 %) к магниевым сплавам повышает их жаропрочность и ползучесть (сплавы типа «магний-торий» применялись в авиации и ракетной технике)
• Оптика — диоксид тория используется для изготовления линз с высоким показателем преломления (объективы фотоаппаратов, микроскопов)
• Электроника — торированные вольфрамовые катоды (добавка 1–2 % ThO₂) увеличивают эмиссию электронов в вакуумных лампах и рентгеновских трубках
• Катализаторы — диоксид тория применяется как катализатор в процессах нефтепереработки (крекинг, дегидрирование)

Радиоактивность и безопасность

Торий-232 является альфа-излучателем с периодом полураспада 1,405⋅10¹⁰ лет. При распаде образуется цепочка из 10 радиоактивных дочерних продуктов, включая газ радон-220 (торон). Основные риски:

• Вдыхание пыли — альфа-частицы вызывают повреждение лёгочной ткани, повышая риск рака лёгких
• Внешнее облучение — гамма-излучение от дочерних продуктов (особенно таллий-208) может быть значительным при работе с большими массами тория
• Попадание в организм — торий накапливается в костях, печени и селезёнке, вызывая хроническое облучение

Предельно допустимая концентрация тория в воздухе рабочих помещений в России составляет 0,05 мг/м³ (для соединений тория). При работе с торием необходимы вытяжная вентиляция, средства индивидуальной защиты органов дыхания и контроль радиационной обстановки.

Правовой статус

В России оборот тория регулируется Федеральным законом «Об использовании атомной энергии» и постановлениями Правительства РФ. Торий отнесён к радиоактивным веществам, его добыча, переработка и хранение требуют лицензий Ростехнадзора. Ввоз тория на территорию РФ и вывоз за её пределы контролируются в соответствии с международными обязательствами России по нераспространению ядерных материалов.

Источники

1. Берцелиус Й. Я. «О новом минерале, содержащем торий» // Annalen der Physik und Chemie, 1829.
2. Seaborg G. T., Katz J. J. «The Chemistry of the Actinide Elements» — Springer, 1957.
3. «Торий в ядерной энергетике» / под ред. В. М. Муратова — М.: Атомиздат, 1978.
4. «Свойства и применение тория и его соединений» // Сборник трудов НИЦ «Курчатовский институт», 2015.
5. «Thorium Fuel Cycle — Potential Benefits and Challenges» — IAEA-TECDOC-1450, 2005.
6. «Радиационная безопасность при работе с торием» — НРБ-99/2009, СанПиН 2.6.1.2523-09.
7. «Минерально-сырьевая база тория Российской Федерации» // ВИМС, 2018.