Centrală nucleară cu thoriu

 O centrală nucleară cu thoriu funcționează prin utilizarea thoriului-232 (Th-232) ca material fertil, transformându-l într-un izotop fisil, uraniul-233 (U-233), într-un proces numit ciclu de combustibil cu thoriu. Iată o descriere detaliată a mecanismului:

1. Conversia Thoriului în Combustibil Fisil

• Absorbția de neutroni: Thoriul-232 nu este fisil, dar poate absorbi neutroni pentru a deveni Th-233. Acesta se dezintegrează β (beta) în protactiniu-233 (Pa-233) cu un timp de înjumătățire de ~22 minute, apoi în U-233 după ~27 de zile.

• Uraniul-233: Acest izotop este fisil și produce energie prin fisiune nucleară, eliberând neutroni care mențin reacția în lanț.

2. Designul Reactorului: Reactoare cu Sare Topită (MSR/LFTR)

• Combustibil lichid: Thoriul și U-233 sunt dizolvate într-un amestec de săruri fluorurate topite (de ex., LiF-BeF₂-ThF₄), care circulă prin reactor. Acest fluid servește simultan drept combustibil și moderator.

• Moderare: Grafitul încetinește neutronii la energii termice, crescând probabilitatea fisiunii U-233.

• Transfer de căldură: Combustibilul lichid transferă căldura la un circuit secundar de sare topită neradioactivă, care apoi încălzește apa pentru a produce abur și a genera electricitate.

3. Controlul Reacției și Siguranță

• Coeficient de temperatură negativ: La creșterea temperaturii, combustibilul lichid se dilată, reducând densitatea și eficiența fisiunii, moderând automat reacția.

• Siguranță pasivă: Un "dop înghețat" se topește la supraîncălzire, drenând combustibilul în rezervoare pasive unde se răcește fără intervenție umană.

• Absența riscului de topire a miezului: Combustibilul este deja topit, eliminând riscul de accidente precum cele de la reactoarele cu combustibil solid.

4. Reprocesarea Continuă

• Separarea produselor de fisiune: Sisteme integrate elimină continuu produsele de fisiune (ex.: xenon, kripton) care absorb neutroni, prevenind "otrăvirea" reactorului.

• Extragerea Pa-233: Protactiniul este separat pentru a se dezintegra în U-233 în afara reactorului, optimizând eficiența.

5. Avantaje

• Resurse abundente: Thoriul este de 3-4 ori mai abundent decât uraniul în crusta terestră.

• Deșeuri radioactive reduse: Produc mai puține elemente cu viață lungă (ex.: actimide minore), cu perioade de înjumătățire de câteva sute de ani în loc de mii.

• Rezistență la proliferare: U-233 este contaminat cu U-232, care emite radiații gamma puternice, complicând utilizarea sa în arme nucleare.

6. Provocări și Dezavantaje

• Corozia sărurilor topite: Cerințe ridicate pentru materiale rezistente la coroziune la temperaturi înalte (~700°C).

• Infrastructură inexistentă: Lipsa unui lanț de aprovizionare și reglementări adaptate pentru tehnologia cu thoriu.

• Complexitatea reprocesării: Separarea chimică continuă necesită tehnologii avansate netestate la scară comercială.

7. Aplicații și Stadiu Actual

• Prototipuri: Reactoare experimentale (ex.: MSRE în SUA anii '60, reactoare în China și India) au demonstrat fezabilitatea, dar niciun reactor comercial nu este operațional încă.

• Potențial: Combină producția de energie cu risc scăzut, gestionare mai bună a deșeurilor și utilizarea eficientă a resurselor.

Concluzie: Reactoarele cu thoriu, în special cele cu sare topită, reprezintă o alternativă promițătoare la reactoarele tradiționale cu uraniu, oferind siguranță îmbunătățită, eficiență ridicată și deșeuri reduse. Totuși, implementarea la scară largă necesită progrese tehnologice și investiții semnificative.

1. Ciclul Combustibilului cu Thoriu

Thorium-232 (Th-232) este un material fertil, nu fisil. Pentru a fi utilizat ca combustibil, trebuie transformat într-un izotop fisil (U-233) printr-o serie de reacții nucleare.

Fazele Ciclului:

1. Absorbția unui neutron:

   • Th-232 absoarbe un neutron (n) și devine Th-233:

     Th-232+n→Th-233

   • Th-233 este instabil și suferă dezintegrare beta (β⁻).

2. Dezintegrare β⁻ în Protactiniu-233:

   • Th-233 se transformă în Pa-233 (protactiniu) prin emiterea unui electron (β⁻):

     Th-233→Pa-233+β−+antineutrino

   • Timp de înjumătățire: ~22 minute.

3. Dezintegrare β⁻ în Uraniu-233:

   • Pa-233 suferă o a doua dezintegrare β⁻, devenind U-233 (fisil):

     Pa-233→U-233+β−+antineutrino

   • Timp de înjumătățire: ~27 de zile.

   • U-233 este acum capabil să susțină o reacție în lanț prin fisiune.

---

2. Reactorul Nuclear cu Thoriu: Design și Componente

Cele mai promițătoare reactoare cu thoriu sunt reactoarele cu sare topită (MSR – Molten Salt Reactor), în special LFTR (Liquid Fluoride Thorium Reactor). Acestea utilizează combustibil lichid, nu solid.

A. Combustibilul Lichid

• Compoziție: Un amestec de săruri fluorurate topite (ex.: LiF, BeF₂, ThF₄, UF₄) care conțin Th-232 și U-233.

• Proprietăți:

  • Punct de topire: ~500–700°C.

  • Stabilitate termică și conductivitate ridicată.

  • Servește simultan drept combustibil, moderator (prin fluorura de beriliu) și fluid de răcire.

B. Componentele Reactorului

1. Zona Activă (Core):

   • Conține combustibilul lichid, unde are loc fisiunea U-233.

   • Neutronii încetiniți (termici) de către moderator (grafit sau fluorura de beriliu) interacționează cu U-233.

2. Moderatorul:

   • Grafitul încetinește neutronii rapizi produși în fisiune, optimizând probabilitatea de fisiune a U-233.

3. Schimbătorul de Căldură:

   • Transferă căldura din combustibilul lichid radioactiv la un circuit secundar de sare neradioactivă (ex.: NaF-KF).

4. Sistemul de Turbină:

   • Căldura din circuitul secundar produce abur, care antrenează turbine pentru generarea de electricitate.

5. Rezervorul Pasiv de Siguranță:

   • Un rezervor subteran cu săruri nemoderate care primește combustibilul în caz de urgență (prin topirea unui "dop înghețat").

---

3. Controlul Reacției Nucleare

A. Autoreglementare Termică

• Coeficient de temperatură negativ:

  • La creșterea temperaturii, combustibilul lichid se dilată, reducând densitatea materialului fisil.

  • Acest lucru scade rata de fisiune, moderând automat reacția.

B. Bare de Control

• Materiale absorbante de neutroni (ex.: carbură de bor) sunt inserate în combustibil pentru a opri reacția.

C. Siguranță Pasivă

• Dopul înghețat: Un dop de sare solidă la baza reactorului se topește dacă temperatura depășește un anumit prag, drenând combustibilul în rezervoare pasive unde se răcește natural.

---

4. Reprocesarea Combustibilului

Un avantaj cheie al reactoarelor cu thoriu este capacitatea de a reprocesa combustibilul în timp real, eliminând produsele de fisiune dăunătoare.

A. Separarea Chimică Continuă

1. Extragerea Protactiniului (Pa-233):

   • Pa-233 este separat din combustibil pentru a se dezintegra în U-233 în afara zonei active, evitând absorbția neutronilor.

2. Eliminarea Produselor de Fisiune:

   • Gaze rare (xenon, kripton) și elemente precum cesiu sau stronțiu sunt eliminate pentru a preveni "otrăvirea" neutronilor.

3. Reciclarea Thoriului și a U-233:

   • Th-232 neconsumat și U-233 proaspăt sunt reintroduce în reactor.

---

5. Avantaje Față de Reactoarele cu Uraniu

1. Resurse Abundente: Thoriul este de 3–4 ori mai comun decât uraniul în natură.

2. Deșeuri Radioactive Reduse:

   • Produc 1–10% din deșeurile reactoarelor cu uraniu.

   • Elementele reziduale au timpi de înjumătățire mai scurți (ex.: ~300 de ani vs. ~24.000 de ani pentru plutoniu).

3. Siguranță Mărită:

   • Funcționare la presiune atmosferică (nu este necesar un vas de presiune masiv).

   • Risc aproape nul de topire a miezului (combustibilul este deja lichid).

4. Rezistență la Proliferare:

   • U-233 este contaminat cu U-232, care emite radiații gamma intense, făcându-l nepotrivit pentru arme nucleare.

---

6. Provocări Tehnologice

1. Corozia Sărilor Topite:

   • Sărurile fluorurate sunt extrem de corozive la temperaturi ridicate (~700°C).

   • Soluție posibilă: Utilizarea de aliaje speciale (ex.: Hastelloy-N) cu rezistență crescută.

2. Complexitatea Reprocesării:

   • Separarea chimică continuă necesită tehnologii avansate (ex.: fluorinare sau electroliză) care nu au fost testate la scară industrială.

3. Infrastructură Lipsă:

   • Nu există lanțuri de aprovizionare pentru producția de combustibil cu thoriu sau reprocesarea sărurilor.

4. Reglementări:

   • Normele nucleare actuale sunt adaptate pentru reactoarele cu uraniu, ceea ce încetinește aprobarea tehnologiilor cu thoriu.

---

7. Stadiul Actual al Tehnologiei

• Istoric: Reactorul experimental MSRE (Molten Salt Reactor Experiment) din SUA (anii 1960) a demonstrat fezabilitatea, dar proiectul a fost abandonat din motive politice.

• Proiecte Actuale:

  • China: Planifică un reactor LFTR experimental până în 2030.

  • India: Dezvoltă reactoare cu thoriu în cadrul programului nuclear în trei etape.

  • Startup-uri: Companii precum Flibe Energy (SUA) și Seaborg Technologies (Danemarca) lucrează la prototipuri comerciale.

---

8. Comparație cu Reactoarele Tradiționale

Aspect	Reactor cu Thoriu (LFTR)	Reactor cu Uraniu (PWR/BWR)
Combustibil	Th-232 → U-233 (lichid)	U-235 (solid)
Presiune	Atmosferică	Înaltă (150–160 bar)
Deșeuri	Volum mic, perioade scurte	Volum mare, perioade lungi
Risc de Proliferare	Scăzut (datorită U-232)	Moderat (plutoniu din U-238)
Eficiență Combustibil	~90% (utilizează aproape tot Th)	~1% (utilizează doar U-235)

---

Concluzie

Centrala nucleară cu thoriu, în special modelul LFTR, reprezintă o revoluție în energia nucleară, oferind siguranță pasivă, eficiență ridicată și sustenabilitate. Cu toate acestea, implementarea la scară largă necesită progrese în materiale rezistente la coroziune, reprocesare avansată și adaptarea cadrului reglementar. Dacă aceste provocări sunt depășite, thoriul ar putea deveni un pilon al energiei curate în secolul XXI.