Торий: свойства, изотопы и применение¶

Торий — химический элемент с атомным номером 90 и атомной массой 232,0377, относящийся к группе актиноидов. В периодической таблице обозначается символом Th. Это слаборадиоактивный металл серебристо-белого цвета, который в природе встречается в виде нескольких минералов, наиболее значимым из которых является монацит. Торий был открыт в 1828 году шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом и назван в честь скандинавского бога грома Тора. Элемент примечателен тем, что является одним из немногих природных материалов, способных к ядерному делению после захвата медленных нейтронов, что делает его потенциальным топливом для ядерной энергетики будущего.

¶История открытия и изучения

Первоначально торий был обнаружен Берцелиусом в образце минерала, присланном из Норвегии, который позже получил название торит. Учёный выделил из него новый оксид и описал его свойства. Однако металлический торий в чистом виде был получен лишь в 1914 году голландскими исследователями Дирком Лели и Яном Хамбюргером. В первой половине XX века торий находил ограниченное применение в производстве газокалильных сеток для осветительных ламп, а также в качестве легирующей добавки в магниевых сплавах.

Научный интерес к торию как к ядерному топливу возник в 1950-х годах в рамках программ по созданию реакторов-размножителей. В 1960-х годах в США был запущен экспериментальный реактор на расплавленных солях (MSRE), работавший на топливной смеси, содержащей торий, который успешно проработал до 1969 года. Однако из-за приоритетного развития уран-плутониевого цикла в холодной войне, проекты по торию были свёрнуты. В настоящее время интерес к ториевым реакторам вновь возрос в контексте поиска более безопасных и распространённых альтернатив урану.

¶Физические и химические свойства

Торий представляет собой мягкий, ковкий металл с температурой плавления около 1750 °C и температурой кипения около 4780 °C. Его плотность составляет 11,7 г/см³. На воздухе свежесрезанный металл имеет серебристый блеск, но при длительном хранении тускнеет, покрываясь оксидной плёнкой. Металл обладает высокой устойчивостью к коррозии в воде и разбавленных кислотах, однако растворяется в концентрированной соляной кислоте.

В химических соединениях торий проявляет исключительно степень окисления +4, что делает его химическое поведение схожим с цирконием и гафнием. Наиболее устойчивым соединением является диоксид тория (ThO₂) — тугоплавкий белый порошок с температурой плавления около 3300 °C. Торий образует соединения с галогенами, нитратами и сульфатами. В отличие от многих других актиноидов, торий не образует устойчивых комплексных анионов в водных растворах, что упрощает его химическое отделение от примесей.

¶Изотопы и радиоактивность

В природе практически весь торий представлен одним изотопом — торием-232 (²³²Th), период полураспада которого составляет 14,05 миллиарда лет, что сопоставимо с возрастом Вселенной. Именно благодаря такому длительному периоду полураспада торий сохранился в земной коре в значительных количествах. Содержание тория в земной коре оценивается в 8–13 граммов на тонну, что примерно в три раза превышает содержание урана.

Торий-232 является родоначальником радиоактивного семейства тория, которое завершается стабильным изотопом свинца-208. При распаде торий-232 испускает альфа-частицы и слабое гамма-излучение. Помимо основного изотопа, существует ещё около 27 искусственных изотопов тория с массовыми числами от 209 до 238, наиболее важным из которых является уран-233 — делящийся материал, образующийся при захвате нейтронов торием-232.

¶Ториевый ядерный топливный цикл

Основное потенциальное применение тория связано с ядерной энергетикой. В отличие от урана-235, торий-232 не является делящимся изотопом. Однако при облучении нейтронами он превращается в уран-233 — искусственный изотоп, способный поддерживать цепную реакцию деления. Этот процесс происходит в два этапа: сначала торий-232 захватывает нейтрон, превращаясь в торий-233 с периодом полураспада около 22 минут, который затем распадается в протактиний-233, а тот, в свою очередь, с периодом полураспада 27 дней превращается в уран-233.

Ториевый топливный цикл имеет ряд преимуществ перед традиционным уран-плутониевым. Запасы тория в земной коре значительно превышают запасы урана, а его добыча менее затратна. В процессе работы ториевого реактора образуется значительно меньше долгоживущих трансурановых элементов (плутония, америция, кюрия), что упрощает обращение с отработавшим топливом и снижает риск его использования в военных целях. Кроме того, торий-232 является фертильным материалом, то есть способен воспроизводить делящийся материал в количестве, превышающем его потребление.

¶Применение в реакторных технологиях

Существует несколько типов реакторных установок, способных использовать торий в качестве топлива. Наиболее перспективным считается реактор на расплавленных солях (MSR), в котором топливо растворено в расплаве фтористых солей. Такая конструкция позволяет осуществлять непрерывную очистку топлива от продуктов деления и работать при атмосферном давлении, что повышает безопасность. В 2010-х годах интерес к таким реакторам проявили Китай, Индия, Норвегия и ряд частных компаний.

В тяжёловодных реакторах типа CANDU и в реакторах на быстрых нейтронах торий может использоваться в смеси с плутонием или ураном-233 в качестве стартового топлива. Индия, обладающая одними из крупнейших запасов тория в мире (около 25% мировых ресурсов), рассматривает торий как стратегическое топливо для третьего этапа своей национальной ядерной программы. Однако коммерческое внедрение ториевых реакторов сдерживается высокой стоимостью переработки топлива и необходимостью создания специализированной инфраструктуры.

¶Промышленное использование

Помимо ядерной энергетики, торий находит применение в ряде отраслей промышленности. Диоксид тория используется в производстве высокотемпературной керамики, тиглей для плавки металлов и в качестве катализатора в нефтепереработке и производстве серной кислоты. Ранее торий применялся в составе газокалильных сеток, обеспечивающих яркое свечение в керосиновых лампах, однако эта технология была вытеснена электрическим освещением.

В металлургии торий используется как легирующая добавка к магниевым сплавам, повышающая их прочность и ползучесть при высоких температурах. Такие сплавы применялись в авиастроении и ракетной технике. Оксид тория добавляется в вольфрамовые электроды для дуговой сварки, что улучшает их эмиссионные свойства. Тем не менее, из-за радиоактивности тория его использование в потребительских товарах постепенно сокращается, а во многих странах введены строгие ограничения на применение торийсодержащих материалов.

¶Распространённость, добыча и безопасность

Основными промышленными источниками тория являются минералы монацит и бастнезит, которые добываются в основном как побочный продукт при переработке редкоземельных руд. Крупнейшие запасы тория сосредоточены в Индии, Бразилии, Австралии, США и России. В России значительные ресурсы тория связаны с месторождениями лопарита на Кольском полуострове и монацитовых песков.

Торий относится к слаборадиоактивным элементам, однако его пыль и растворимые соединения представляют опасность при попадании в организм. Основную угрозу представляет не сам торий-232, а продукты его распада, в частности радиоактивный газ радон-220 (торон). При работе с торием требуются меры защиты органов дыхания и контроль за накоплением материала. Международные организации по радиационной безопасности классифицируют торий как вещество с низкой удельной активностью, что позволяет его транспортировку и хранение по упрощённым правилам по сравнению с высокоактивными материалами.

¶Источники

1. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ, 2008.
2. Радиохимия: учебник для вузов / под ред. А.Н. Несмеянова. — М.: Высшая школа, 1978.
3. IAEA. Thorium fuel cycle — Potential benefits and challenges. — Vienna: International Atomic Energy Agency, 2005.
4. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.