بسم الله الرحمن الرحیم

1. بسم الله الرحمن الرحیم توریم (Thorium) و نقش آن در انرژی هسته ای ارائه درس فیزیک رآکتور 1 کاری از سید محمد رضا طاهری

2. مقدمه Introduction • سوخت اصلی رآکتورهای امروز • با توجه به منابع شناخته شده اورانیوم برای تمام برق جهان فقط برای 30 سال سوخت داریم. • راه حل استفاده از مواد شکافت پذیر

3. مشخصات کلی • جایگاه در جدول تناوبی • ذخایر • حدود 0015/0% از کل زمین توریم • سنگ معدن اصلی Monazite • ذخایر اصلی آن در کشورهای هند، برزیل، استرالیا و ... • بزرگترین مخزن را با حدود 9% کل اکسید توریم دنیا در هندوستان • 26 ایزوتوپ • فقط یکی طبیعی است. 232Th T1/2= 1.4*1010 y Thermal-n-Cross-sec 7.37 b Decay mode/Energy alpha/4.081 MeV • عدم وجود ایزوتوپ شکافا در توریم • به صورت ترکیب با عناصر شکافا

4. کاربردها َApplications • مهمترین کاربرد در صنایع هسته ای

5. کاربردها Applications • اورانیوم در چرخه ای مشابه 238U+n-----239U-----239Np-----239Pu • کاربردهای غیر هسته ای • استفاده در لامپهای گازی • اضافه کردن به منیزیم برای استحکام بخشی به آن • مصارف فضایی و متالورژی به علت سخت بودن • به عنوان کاتالیزور در برخی فرآیندهای شیمیایی(ساخت اسید سولفوریک) • به خاطر دمای ذوب بالا برای ظروف ذوب خوب است (Ceramic) 23 Min 2.3 day

6. اثرات بیولوژیکی Biological Action خطرات رادیو اکتیو • وابسته به زنجیره واپاشی 232Th-----208Pb • جذب در کبد، کلیه، طحال و مغز استخوان • خطرات شیمیایی • وقتی کم باشد سمیت شیمیایی کم • تزریق به داخل وریدها بسیار خطرناکند مرگ • آتش زایی • آتش زا هستند مقدار بحرانی در هوا انفجار • به صورت پودر بسیار خطرناک • شدیدا پوشیده و مراقبت

7. انرژی هسته ای و توریمNuclear Energy & Thorium • علاقه زیاد به سوخت توریمی (Th-based fuel) در سالهای ابتدایی پیشرفت انرژی هسته ای • به عنوان پشتیبان سوخت اورانیومی • خصوصا کشورهای با منابع عطیم توریم و محدود اورانیوم (مانند هند) • از بین رفتن این علاقه • کشف ذخایر جدید اورانیوم و بهبود وضع آنها (استخراج و غیره) • زایش دوباره این علاقه • نیاز به سوخت بیشتر • بهبود وضعیت پسماندها • کاهش میزان پلوتونیوم و استفاده صلح آمیز از آن

8. مزایای سوخت توریمیBenefits • توریم فراوانتر از اورانیوم • استفاده بلند مدت و پسماند رادیواکتیو سمی کم • low radioxicity waste • سطح مقطع جذب نوترون حرارتی 232Th حدود سه برابر238U • توریم به عنوان ماده شکافت پذیر برای رآکتورهای حرارتی بهتر از اورانیوم • اورانیوم به عنوان ماده شکافت پذیر برای رآکتورهای سریع بهتر از توریم

9. مزایای سوخت توریمیBenefits • چرخه238U---239Pu فقط با نوترونهای سریع، اما چرخه 232Th---233U با نوترونهای سریع، شبه حرارتی و حرارتی • کارکرد بهتر سوخت توریمی در داخل رآکتور • رسانندگی گرمایی بیشتر ThO2 ازUO2 • ضریب انبساط گرمایی کوچکتر ThO2 نسبت به UO2 • پایداری شیمیایی بیشتر ThO2 در مقابل پرتوهای رادیواکتیو نسبت به UO2 • انبار موقت راحت تر سوخت مصرف شده توریمی • ThO2نسبت بهUO2کمتر اکسید می شود و نبود مشکل اکسید شدن

10. مزایای سوخت توریمیBenefits • سوخت توریمی راه حل مناسبی برای مصرف صلح آمیز پلوتونیوم • پلوتونیوم در این چرخه مصرف می شود(کاهش سلاح های هسته ای). • عدم تولید پلوتونیوم در چرخه 232Th---233U • تولید کمتر پلوتونیوم، Np، Am، Cm(Minor Actinides) در چرخه 232Th---233U نسبت به 238U---239Pu

11. معایب سوخت توریمیChallenges • صرفه اقتصادی ( استفاده از اورانیوم بسیار غنی شده) • بالا بودن دمای ذوب ThO2 • سخت شدن تولید ThO2 با چگالی بالا • خنثی بودنThO2نسبت به UO2و به راحتی حل نشدن در اسید نیتریک • باید به آنHFاضافه کرد • خوردگی قسمت های فلزی ضد زنگ • با اضافه کردن نیترات آلومینیوم تا حدودی حل می شود.

12. معایب سوخت توریمیChallenges • علاوه بر 233U در چرخه توریمی امکان واکنش زیر هم وجود دارد 232Th------231Th---231Pa………232U • بغرنج شدنrefabrication و recycling توریم به علت 232U و دختران آن مانند 208Tl ، گاما ساطع می کنند • محصول میانی در تولید 233U از 232Th233Pa محصول میانی در چرخه 238U—239Pu239Np 233Pa --- T1/2~27 days 239Np ---T1/2=2.35days • کار بیشتر سیستم های خنک کننده در چرخه توریمی (حداقل یک سال بیشتر) n,2n

13. معایب سوخت توریمیChallenges • منابع اطلاعاتی و تجربه کار با چرخه سوخت توریمی در مقایسه با اورانیوم بسیار محدود است و باید قبل از استفاده وسیع از این چرخه این منابع به اندازه کافی وسیع شوند.

14. رآکتورهایی که می توانند توریم بسوزانند • چرخه توریم ( 232Th—233U ) قابل استفاده در تمام رآکتورهای سریع و حرارتی موجود از جمله LWR، PHWR، HTGR، MSBR و LMFBR • ممکن بودن بدون تغییرات زیاد در سیستم های مهندسی، کنترل و... ، برای برخی از این انواع رآکتور • رآکتور جدید مستلزم مطالعات فیزیک رآکتور زیاد و همچنین پیشرفت های تکنولوژیکی.

15. توضیح Thorium Fueled Reactors • HTGR (Helium Gas-Cooled Reactor) • سوخت: ساچمه های Uranium and Thorium Carbide که با کربن پوشیده شده • گرافیت کند کننده و هلیوم خنک کننده • امتیازات این نوع رآکتور برای استفاده از سوخت توریمی • سوخت آن تماما سرامیکی است نه فلزی • تحمل دمای بیشتری نسبت به عناصر سوختی که با فلز پوشانده می شوند • انتقال حرارت بهتر در سیستم کلی Coated fuel particle

16. توضیح Thorium Fueled Reactors • Water Cooled Reactors • در گذشته قرص های سوختتوریم در پوشش های Zircaloy از ThO2 و (Th,U)O2 • رآکتور زاینده آب سبک (LWBR) ایالات متحده با قدرت MW(e)60، بزرگترین رآکتور با سوخت توریمی برای نشان دادن زایش حرارتی (Breeding ratio>1) Goodbye plutonium? The outer layer of Thorium Power's fuel pack contains uranium, thorium, and other metals. The inner layer contains higly toxic plutonium.

17. رآکتورهای هسته ای که در حال حاضر از توریم استفاده می کنندThorium Utilization in different experimental and power reactors

18. رآکتورهای هسته ای که در حال حاضر از توریم استفاده می کنندThorium Utilization in different experimental and power reactors

19. تحقیق و توسعهR&D • در حال حاضر تحقیقات زیادی برای کاربردی تر کردن چرخه سوخت توریمی، خصوصا در کشور هایی مانند هندوستان در جریان است. • آژانس بین المللی انرژی هسته ای نیز در این رابطه فعالیت گسترده ای را آغاز کرده است.

20. منابع References • Thorium fuel cycle — Potential benefits and challenges-------International Atomic Energy Agency-May 2005. • Uranium Industry Annual 1996--Energy Information Administration Office of Coal, Nuclear, Electric and Alternate Fuels--U.S. Department of Energy--Washington, DC 20585-April 1997. • http://nautilus.fis.uc.pt/st2.5/----- This is an Internet Periodic Table.