Свойства тория. Свойства, добыча, применение и цена тория. Что такое торий

Торий (хим. элемент) Торий (лат. Thorium), Th, радиоактивный химический элемент, первый член семейства актиноидов , входящих в III группу периодической системы Менделеева; атомный номер 90, атомная масса 232,038; серебристо-белый пластичный металл. Природный Т. практически состоит из одного долгоживущего изотопа 232 Th ‒ родоначальника одного из радиоактивных рядов ‒ с периодом полураспада T 1/2 = 1,39×1010 лет (содержание изотопа 228 Th, находящегося с ним в равновесии, ничтожно ‒ 1,37×10‒8 %) и четырёх короткоживущих изотопов, два из которых относятся к радиоактивному ряду урана ‒ радия: 234 Th (T 1/2 = 24,1 сут ) и 230 Th (T 1/2 = 8,0×104 лет), остальные ‒ к ряду актиния: 231 Th (T 1/2 = 25,6 ч ) и 227 Th (T 1/2 = 18,17 сут ). Из искусственно полученных изотопов наиболее устойчив 229 Th (T 1/2 = 7340 лет).

Т. открыт в 1828 И. Я. Берцелиусом в одном из сиенитов в Норвегии. Элемент назван по имени бога грома в скандинавской мифологии ‒ Тора , а минерал ‒ силикат тория ‒ торитом .

Распространение в природе. Т.‒ характерный элемент верхней части земной коры ‒ гранитного слоя и осадочной оболочки, где его в среднем содержится соответственно 1,8 ·10‒3 % и 1,3·10‒3 % по массе. Т. сравнительно слабомигрирующий элемент; в основном он участвует в магматических процессах, накапливаясь в гранитах, щелочных породах и пегматитах. Способность к концентрации слабая. Известно 12 собственных минералов Т. (см. Ториевые руды ). Т. содержится в монаците , уранините, цирконе, апатите, ортите и др. (см. Радиоактивные минералы ). Основной промышленный источник Т. ‒ монацитовые россыпи (морские и континентальные). В природных водах содержится особенно мало Т.: в пресной воде 2×10‒9 %, в морской воде 1×10‒9 %. Он очень слабо мигрирует в биосфере и гидротермальных растворах.

Физические и химические свойства. Т. существует в виде двух модификаций: a-формы с гранецентрированной кубической решёткой при температуре до 1400 °С (а = 5,086 Å) и b-формы с объёмноцентрированной кубической решёткой при температуре выше 1400 °С (a = 4,11 Å). Плотность Т. (рентгено-графическая) 11,72 г/см3 (25 °С); атомный диаметр в a-форме 3,59 Å, в b-форме 3,56 Å; ионные радиусы Th3+ 1,08 Å, Th4+ 0,99 Å; t пл 1750 °С; t kип 3500‒ 4200 °C.

Мольная теплоёмкость Т. 27,32 кдж /(кмоль× К) при 25 °С; теплопроводность при 20 °С 40,19 вт /м× К) ; температурный коэффициент линейного расширения 12,5× 10‒6 (25‒100 °С); удельное электросопротивление 13×10‒6 ‒18×10‒6 ом×см (25 °С); температурный коэффициент электросопротивления 3,6× 10‒3 ‒4×10‒3 . Т. парамагнитен; удельная магнитная восприимчивость 0,54× 10‒6 (20 °С). При 1,4К переходит в состояние сверхпроводимости.

Т. легко деформируется на холоду; механические свойства Т. сильно зависят от его чистоты, поэтому предел прочности при растяжении Т. варьирует от 150 до 290 Мн /м 2 (15‒29 кгс /мм 2 ), твёрдость по Бринеллю от 450 до 700 Мн /м 2 (45‒70 кгс /мм 2 ). Конфигурация внешних электронов атома Th 6d 2 7s 2 .

Хотя Т. относится к семейству актиноидов, однако по некоторым свойствам он близок также к элементам второй подгруппы IV группы периодической системы Менделеева ‒ Ti, Zr, Hf. В большинстве соединений Т. имеет степень окисления +4.

На воздухе при комнатной температуре Т. окисляется незначительно, покрываясь защитной плёнкой чёрного цвета; выше 400 °С быстро окисляется с образованием ThO2 ‒ единственного окисла, который плавится при 3200 °С и обладает высокой химической устойчивостью. Получают ThO2 термическим разложением нитрата, оксалата или гидроокиси Т. С водородом при температурах выше 200 °С Т. реагирует с образованием порошкообразных гидридов ThH2 , ThH3 и др. состава. В вакууме при температуре 700‒800 °С из Т. можно удалить весь водород. При нагревании в азоте выше 800 °С образуются нитриды ThN и Th2 N3 , которые разлагаются водой с выделением аммиака. С углеродом образует два карбида ‒ ThC и ThC2 ; они разлагаются водой с выделением метана и ацетилена. Сульфиды ThS, Th2 S3 , Th7 S12 , ThS2 могут быть получены при нагревании металла с парами серы (600‒800 °С). Т. реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами ‒ при нагревании, с образованием галогенидов типа ThX4 (где Х ‒ галоген). Наиболее важное промышленное значение из галогенидов имеют фторид ThF4 и хлорид ThCl4 . Фторид получают действием HF на ThO2 при повышенных температурах; хлорид ‒ хлорированием смеси ThO2 с углём при повышенных температурах. Фторид мало растворим в воде и минеральных кислотах; хлорид, бромид и йодид ‒ гигроскопичны и хорошо растворимы в воде. Для всех галогенидов известны кристаллогидраты, выделяемые кристаллизацией из водных растворов.

Компактный Т. при температурах до 100 °С медленно корродирует в воде, покрываясь защитной окисной плёнкой. Выше 200 °С активно реагирует с водой с образованием ThO2 и выделением водорода. Металл на холоду медленно реагирует с азотной, серной и плавиковой кислотами, легко растворяется в соляной кислоте и царской водке. Соли Т. образуются в виде кристаллогидратов. Растворимость солей в воде различна: хорошо растворимы нитраты Th (NO3 )4 ×n H2 O; труднорастворимы сульфаты Th (SO4 )2 ×n H2 O, основной карбонат ThOCO3 ×8H2 O, фосфаты Th3 (PO4 )4 ×4H2 O и ThP2 O7 ×2H2 O; практически нерастворим в воде оксалат Th (C2 O4 )2 ×6H2 O. Растворы щелочей слабо действуют на Т. Гидроокись Th (OH)4 осаждается из солей Т. в интервале pH = 3,5‒3,6 в виде аморфного осадка. Для ионов Th4+ в водных растворах характерна ярко выраженная способность к образованию комплексных соединений и двойных солей.

Получение. Т. извлекается главным образом из монацитовых концентратов, в которых он содержится в виде фосфата. Промышленное значение имеют два способа вскрытия (разложения) таких концентратов:

1) обработка концентрированной серной кислотой при 200 °С (сульфатизация);

2) обработка растворами щёлочи при 140 °С. В сернокислые растворы продуктов сульфатизации переходят все редкоземельные элементы, Т. и фосфорная кислота. При доведении pH такого раствора до 1 осаждается фосфат Т.; осадок отделяют и растворяют в азотной кислоте, а затем нитрат Т. экстрагируют органическим растворителем, из которого Т. легко вымывается в виде комплексных соединений. При щелочном вскрытии концентратов в осадке остаются гидроокиси всех металлов, а в раствор переходит тринатрий фосфат. Осадок отделяют и растворяют в соляной кислоте; понижая pH этого раствора до 3,6‒5, осаждают Т. в виде гидроокиси. Из выделенных и очищенных соединений Т. получают ThO2 , ThCl4 и ThF4 ‒ основные исходные вещества для производства металлического Т. металлотермическими методами или электролизом расплавленных солей. К металлотермическим методам относятся: восстановление ThO2 кальцием в присутствии CaCl2 в атмосфере аргона при 1100‒1200 °С, восстановление ThCl4 магнием при 825‒925 °С и восстановление ThF4 кальцием в присутствии ZnCl2 с получением сплава Т. и последующим отделением цинка нагреванием сплава в вакуумной печи при 1100 °С. Во всех случаях получают Т. в форме порошка или губки. Электролиз расплавленных солей ведётся из электролитов, содержащих ThCl4 и NaCI, или ванн, состоящих из смеси ThF4 , NaCI, KCl. Т. выделяется на катоде в виде порошка, отделяемого затем от электролита обработкой водой или разбавленными щелочами. Для получения компактного Т. применяют метод порошковой металлургии (спекание заготовок ведут в вакууме при 1100‒1350 °С) или плавку в индукционных вакуумных печах в тиглях из ZrO2 или BeO. Для получения Т. особо высокой чистоты используют метод термической диссоциации лодида Т.

Применение. Торированные катоды применяются в электронных лампах, а оксидно-ториевые ‒ в магнетронах и мощных генераторных лампах. Добавка 0,8‒1% ThO2 к вольфраму стабилизирует структуру нитей ламп накаливания. ThO2 используют как огнеупорный материал, а также как элемент сопротивления в высокотемпературных печах. Т. и его соединения широко применяют в составе катализаторов в органическом синтезе, для легирования магниевых и др. сплавов, которые приобрели большое значение в реактивной авиации и ракетной технике. Металлический Т. используется в ториевых реакторах .

При работе с Т. необходимо соблюдать правила радиационной безопасности .

А. Н. Зеликман.

Т. в организме. Т. постоянно присутствует в тканях растений и животных. Коэффициент накопления Т. (то есть отношение его концентрации в организме к концентрации в окружающей среде) в морском планктоне ‒ 1250, в донных водорослях ‒ 10, в мягких тканях беспозвоночных ‒ 50‒300, рыб ‒ 100. В пресноводных моллюсках (Unio mancus) его концентрация колеблется от 3×10‒7 до 1×10‒5 %, в морских животных от 3×10‒7 до 3×10‒6 %. Т. поглощается главным образом печенью и селезёнкой, а также костным мозгом, лимфатическими железами и надпочечниками; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление Т. с продуктами питания и водой составляет 3 мкг ; выводится из организма с мочой и калом (0,1 и 2,9 мкг соответственно). Т. ‒ малотоксичен, однако как природный радиоактивный элемент вносит свой вклад в естественный фон облучения организмов (см. Фон радиоактивный ).

Г. Г. Поликарпов.

Лит.: Торий, его сырьевые ресурсы, химия и технология, М., 1960; Зеликман А. Н., Металлургия редкоземельных металлов, тория и урана, М., 1961; Емельянов В. С., Евстюх и н А. И., Металлургия ядерного горючего, 2 изд., М., 1968; Сиборг Г. Т., Кац Дж., Химия актинидных элементов, пер. с англ., М., 1960; Bowen Н. J. М., Trace elements in biochemistry, L.‒N. Y., 1966.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

1 грамм на 28 000 литров . Таково соотношения расхода топлива в автомобильных двигателях, если заменить привычное горючее торием.

Речь о 232-ом изотопе . У него самый длинный период полураспада. 8 граммов тория хватит, чтобы двигатель беспрерывно работал в течение 100 лет.

Запасов нового топлива в 3 раза больше, чем в земной коре. Специалисты Laser Power Systems уже приступили к разработке нового двигателя.

Компания американская. Работа двигателя будет напоминать цикл стандартной электростанции. Загвоздкой стала разработка подходящего лазера.

Его задача – нагревать воду, пар которой запускает мини-турбины. Пока ученые отрабатывают процесс, узнаем побольше о топливе 21-го века, а в перспективе и всего тысячелетия.

Что такое торий?

Металл торий относится к актиноидам. В это семейство входят радиоактивные . Все они располагаются в 3-ей группе 7-го периода таблицы .

Номера актиноидов – от 90-го до 103-го. Торий стоит первым. Его и открыли первым, одновременно с ураном.

В чистом виде героя выделил в 1882-ом году Ларс Нильсон. Радиоактивность элемента обнаружили не сразу.

Поэтому, торий долго не вызывал интереса общественности. Распад тория доказан лишь в 1907-ом году.

С 1907-го года изотопы тория открывались один за другим. К 2017-му насчитывается 30 модификаций металла. 9 из них получены .

Наиболее устойчива 232-я. Полураспад тория в таком виде длится 1,4*10 10 лет. Именно поэтому 232-ой изотоп повсеместно распространен, в земной коре занимает долю 8*10 -4 %.

Остальные изотопы хранятся несколько лет, а посему не представляют практического интереса и редко встречаются в природе. Правда 229-ый торий распадается за 7 340 лет. Но, этот изотоп «выведен» искусственно.

Полностью устойчивых изотопов у тория нет. В чистом виде элемент выглядит как —, пластичный .

Именно он делает столь мягким минерал торит. легко режется . Минерал изучал Йенс Берценлиус.

Шведский химик смог вычислить в составе камня неизвестный , но не смог выделить его, отдав лавры Нильсону.

Свойства тория

Торий – элемент , удельная радиоактивность которого равна 0,109 микрокюри на грамм. У 238-го урана, к примеру, показатель почти в 3 раза больше.

Соответственно, торий слаборадиоактивен. Несколько изотопов тория, кстати, являются следствием распада урана. Речь о 230-ом, 231-ом, 234-ом и 235-ом модификациях 90-го элемента.

Распад героя статьи сопровождается выделением радона. Этот газ, так же, именуют тороном. Однако, второе название не общеупотребительное.

Радон опасен при вдыхании. Однако, микродозы содержатся в минеральных водах и влияют на организм благостно.

Принципиален именно путь попадания торона в организм. Выпить можно, впитать – да, но не вдыхать.

В плане кристаллической решетки радиоактивный торий предстает всего в двух ипостасях. До 1 400-от градусов строение металла гранецентрическое.

Оно основано на объемных кубах, состоящих из 14-ти атомов. Часть из них стоят в углах фигуры. Остальные атомы располагаются посередине каждого .

При нагреве свыше 1 400-от градусов Цельсия кристаллическая решетка тория становится объемноцентрированной.

«Упаковка» таких кубов менее плотная. И без того мягковатый торий становится еще более рыхлым.

Торий – химический элемент, отнесенный к парамагнетикам. Соответственно, магнитная проницаемость металла минимальна, близка к единице.

Отличают вещества группы, так же, способность намагничиваться в направлении внешнего поля.

Мольная теплоемкость тория составляет 27,3 килоджоулей. Показатель указывает на тепловую вместимость одного моля вещества, отсюда и название.

Продолжать список сложно, поскольку основная масса свойств 90-го металла зависит от степени его загрязнения.

Так, предел прочности элемента варьируется от 150-ти до 290-та меганьютонов на квадратный метр.

Нестабильна и тория. По металлу дают от 450-ти до 700-от килограмм-силы.

Стоя в начале своей группы, торий перенял часть свойств от предшествующих ей элементов. Так, для героя статьи характерна 4-я степень окисления.

Чтобы торий быстро окислился на воздухе, нужно довести температуру до 400-от градусов. Металл моментально покроется пленкой оксида.

Дуэт тория с кислородом, кстати, самый тугоплавкий из земных оксидов, размягчается лишь при 3 200-от градуса Цельсия.

При этом, соединение еще и химически устойчиво. Чистый же металл вступает в реакцию с .

Любой радиоактивный изотоп тория взаимодействует с ним даже при комнатной температуре.

Остальные реакции с героем статьи проходят при повышенных температурах. При 200-от градусах идет реакция с .

Образуются гидриды порошкообразной формы. Нитриды получаются, если торий нагреть в атмосфере .

Потребуется температура в 800-от градусов Цельсия. Но, для начала нужно добыть реактив. Узнаем, как это делают.

Добыча и месторождения тория

350 000 000 долларов. Примерно такую сумму ежегодно выделяют в на развитие ториевой энергетики. В стране масса месторождений 232-го изотопа.

Это настораживает , которая рискует потерять лидерство на топливном , если основным энергоресурсом в мире станет 90-ый элемент.

Запасы в отечестве есть. Миллионы тонн металла, к примеру, расположились под Новокузнецком.

Однако, нужно отстоять приоритетное право на применение ториевых , а за них в мире ведется борьба. Все понимают, за чем будущее.

Обычно, торий находят в виде , блестящего песка. Это минерал монацит. Пляжи из него часто входят в курортные зоны.

На побережье Азовского моря, к примеру, стоит задуматься не только о солнечной радиации, но и той, что исходит от земли. Жильный торий встречается только в ЮАР. Рудные залежи там зовутся Стинкасмкрааль.

Если добывать торий из руд, то проще получать элемент попутно с . Осталось выяснить, где торий может пригодиться, не считая автомобильных двигателей будущего.

Применение тория

Поскольку ядро тория неустойчиво, естественно применение элемента в атомной энергетике. Для ее нужд закупают , фторид и оксид тория.

Помните температуру, которую выдерживает окись 90-го металла? Только такое соединение и сдюжит в жидкосолевых реакторах.

Окись тория пригождается и в авиационной промышленности. Там 90-ый металл служит упрочнителем. Служба торию находится и в организме .

Ежедневно с пищей поступает около 3 миллиграммов радиоактивного элемента. Он участвует в регулировке процессов системы, усваивается, в основном, печенью.

Закупают торий, так же, металлурги, но не для еды. Чистый металл используют в качестве , то есть добавки, улучшающей качество , в частности, магниевых. С лигатурой они становятся жаропрочными и лучше сопротивляются разрыву.

Напоследок дополним информацию о новом автомобильном двигателе. Торий в нем – не ядерное топливо, а лишь сырье для него.

Сам по себе 90-ый элемент не способен давать энергию. Все меняют нейтронная среда и водный реактор.

С ними торий преобразуется в 233-ий уран. Вот он – эффективное топливо. Почем платят за сырье для него? Попробуем узнать.

Цена тория

Цена тория разнится на чистый металл и его соединения. Это общая фраза из . Из частностей — лишь ценник за кило оксида тория примерно в 7 500 .

На этом открытые запросы заканчиваются. Продавцы просят уточнять стоимость, поскольку реализуют радиоактивный элемент.

Предложений чистого тория в интернете нет, как нет и данных о за грамм металла. Меж тем, заинтересованным новым видом автомобильного топлива вопрос не дает покоя, как не дает покоя и то, не подскочат ли запросы за 90-ый элемент в случае его повсеместного использования.

Изначально, ради вытеснения с рынка бензиновых двигателей, торий сделают максимально выгодным. Но, что будет потом, когда возврат к былому будет уже маловероятен?

Вопросов много. Конкретики мало, впрочем, как и во всем новом, неизведанном, кажущемся на первых парах авантюрой.

Хотя, первые варианты ториевого двигателя уже готовы. Весят они около 200-от килограммов. Такой аппарат легко поместить под капот средних размеров.

Торий - один из немногих радиоактивных элементов, открытых задолго до появления самого понятия «радиоактивность».

Любопытно, что название этого элемента появилось на тринадцать лет раньше, чем он был в действительности открыт. Подобное случается не часто.
Выдающегося шведского ученого Йенса Якоба Берцелиуса справедливо называли некоронованным королем химиков первой половины XIX столетия. Человек энциклопедических знаний и превосходный аналитик, Берцелиус работал очень плодотворно и почти никогда не ошибался. Авторитет его был так высок, что большинство химиков его времени, прежде чем обнародовать результат какой-либо важной работы, посылали сообщение о ней в Стокгольм, к Берцелиусу. В его лаборатории были определены атомные веса большинства известных тогда элементов (около 50), выделены в свободном состоянии церий и кальций , стронций и барий , кремний и цирконий , открыты селен и торий. Но именно при открытии тория непогрешимый Берцелиус совершил две ошибки.

В 1815 г., анализируя редкий минерал, найденный в округе Фалюн (Швеция), Берцелиус обнаружил в нем окись нового элемента. Этот элемент был назван торием в честь всемогущего древнескандинавского божества Тора. (По преданию, Тор был коллегой Марса и Юпитера одновременно - богом войны, грома и молнии.)

Прошло десять лет, прежде чем Берцелиус обнаружил свою ошибку: вещество, которое он считал окисью тория, на самом деле оказалось фосфатом уже известного иттрия .

«Похоронив» торий, Берцелиус же его «воскресил». Через три года из Норвегии ему прислали еще один редкий минерал, который теперь называют торитом (ThSiO 4). Торит содержит до 77% окиси тория ThO 2 . Обнаружить столь явный компонент Берцелиусу не составило особого труда. Исследовав выделенную землю, Берцелиус убедился, что это окись нового элемента, к которому и перешло название «торий».

Получить чистый металлический торий Берцелиусу не удалось. Правда, он восстановил калием фтористые соединения нового элемента и получил серый металлический порошок, сильно загрязненный примесями. Из-за этих примесей произошла вторая ошибка, вернее, серия ошибок при описании свойств элементного тория.

Чистый препарат тория был получен лишь в 1882 г. другим известным шведским химиком - первооткрывателем скандия Ларсом Фредериком Нильсоном.

Следующее важное событие в истории элемента № 90 произошло в 1898 г., когда независимо друг от друга и практически одновременно Мария Склодовская-Кюри и немецкий ученый Герберт Шмидт обнаружили, что торий радиоактивен . Склодовская-Кюри отметила тогда же, что активность чистого тория даже выше активности урана .

Именно радиоактивность - основная причина нынешнего повышенного интереса к элементу № 90. Торий все шире используется в атомной энергетике как сырье для получения первичного ядерного горючего; но не будем забегать вперед.

Совершенно очевидно, что первое знакомство с торием не сулило человечеству ничего особенного. Обычный серо-белый металл, довольно тугоплавкий (температура плавления 1750°С), но малопрочный и очень неустойчивый к действию коррозии. К примеру, в горячей воде скорость коррозии тория и сплавов на его основе в сотни раз выше, чем у алюминия. Следовательно, в качестве конструкционного материала или основы для конструкционных материалов торий не представлял интереса.

Вскоре выяснилось, что добавки тория упрочняют сплавы на основе железа и меди , но никаких особых преимуществ перед другими легирующими элементами торий не имел. Прошло много лет, прежде чем легирование торием приобрело практическое значение. В авиационной и оборонной технике наших дней широко используются многокомпонентные сплавы на основе магния . Наряду с цинком , марганцем , цирконием в их состав входят торий и редкоземельные элементы. Тории заметно повышает прочность и жаростойкость этих легких сплавов, из которых делают ответственные детали реактивных самолетов, ракет, электронных устройств...

Сейчас торий используют и как катализатор - в процессах органического синтеза и крекинга нефти, а также при получении жидкого топлива из угля. Но все это, если можно так выразиться, приобретения XX в. В XIX же веке выход в практику нашло лишь одно соединение элемента № 90 - его двуокись ThO 2 . Ее применяли в производстве газокалильных сеток.

В конце XIX в. газовое освещение было распространено больше, чем электрическое. Изобретенные видным австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом колпачки из окислов церия и тория увеличивали яркость и преобразовывали спектр пламени газовых рожков - свет их становился ярче, ровнее.

Из двуокиси тория - соединения весьма тугоплавкого - пробовали делать и тигли для выплавки редких металлов. Но, выдерживая высочайшие температуры, это вещество частично растворялось во многих жидких металлах и загрязняло их. Потому тигли из ThO 2 широкого распространения не получили.

Вероятно, разговор о практическом применении тория был бы вообще беспредметным, если бы человечество располагало лишь торием, заключенным в торите. Минерал этот очень богат, но редок, так же как и другой богатый ториевый минерал - торианит (Th,U)O 2 ,

Однако еще в конце прошлого века при участии Ауэра фон Вельсбаха на Атлантическом побережье Бразилии были начаты разработки монацитовых песков. Минерал монацит - важнейший источник и редкоземельных элементов, и тория. В общем виде формулу этого минерала обычно пишут так: (Се, Th) РO 4 , но он содержит, кроме церия, еще и лантан , и празеодим , и неодим , и другие редкие земли. А кроме тория - уран.

Тория в монаците, как правило, содержится от 2,5 до 12%. Богатые монацитовые россыпи, помимо Бразилии, есть в Индии, США, Австралии, Малайзии. Известны и жильные месторождения этого минерала - на юге Африки.

Упоминавшиеся выше торит и торианит (и разновидность последнего - ураноторианит) тоже считаются промышленными минералами тория, но их доля в мировом производстве этого элемента совершенно незначительна. Самое известное месторождение ураноторианита находится на острове Мадагаскар.

Считать торий очень уж редким металлом было бы неправильно. В земной коре его 8-10" 4%, примерно столько же, сколько свинца . Но ториевое сырье - это всегда сырье комплексное.

Добыча тория из монацита

Монацит - минерал прочный, устойчивый против выветривания. При выветривании горных пород, особенно интенсивном в тропической и субтропической зонах, когда почти все минералы разрушаются и растворяются, монацит не изменяется. Ручьи и реки уносят его к морю вместе с другими устойчивыми минералами - цирконом , кварцем , минералами титана . Волны морей и океанов довершают работу по разрушению и сортировке минералов, накопившихся в прибрежной зоне. Под их влиянием происходит концентрирование тяжелых минералов, отчего пески пляжей приобретают темную окраску. Так на пляжах формируются монацитовые россыпи. Но, естественно, и там монацитовый песок перемешан с кварцевым, цирконовым, рутиловым ... Поэтому первая стадия производства тория - получение чистого монацитового концентрата.

Для отделения монацита используют разные способы и приспособления. Первоначально грубо отделяют его на дезинтеграторах и концентрационных столах, используя разницу в плотности минералов и их смачиваемости различными жидкостями. Тонкого разделения достигают путем электромагнитной и электростатической сепарации. Полученный таким образом концентрат содержит 95-98% монацита. После этого начинается самое сложное. Отделение тория чрезвычайно затруднено, поскольку монацит содержит элементы, по свойствам близкие к торию, - редкоземельные металлы, уран... Расскажем о выделении тория в самых общих чертах.

Прежде всего минерал «вскрывают». Для этого в промышленных условиях монацит обрабатывают горячими концентрированными растворами серной кислоты или едкого натра. Образующиеся в первом случае сульфаты тория, урана и редких земель растворимы в воде. В случае же щелочного вскрытия ценнейшие компоненты монацита остаются в осадке в виде твердых гидроокисей, которые затем превращают в растворимые соединения. «Отлучение» урана и тория от редких земель происходит на следующей стадии. Сейчас для этого в основном используют процессы экстракции. Чаще всего из водных растворов торий и уран экстрагируют не смешивающимся с водой трибутилфосфатом. Разделение урана и тория происходит на стадии избирательной реэкстракции. При определенных условиях торий из органического растворителя перетягивается в водный раствор азотной кислоты, а уран остается в органической фазе. Хотим еще раз подчеркнуть, что здесь описана лишь принципиальная схема - на практике все обстоит значительно сложнее.

После того как торий отделен, нужно превратить его соединения в металл. Распространены два способа: восстановление двуокиси ThO 2 или тетрафторида ThF 4 металлическим кальцием и электролиз расплавленных галогенидов тория. Обычно продуктом этих превращений бывает ториевый порошок, который затем спекают в вакууме при 1100-1350°С.

Многочисленные сложности ториевого производства усугубляются необходимостью надежной радиационной защиты.

Радиоактивность - важнейшее свойство тория. Но первые же глубокие исследования этого явления на новом объекте дали неожиданные результаты. Радиоактивность тория отличалась странным непостоянством: хлопнет ли дверь, чихнет или закурит экспериментатор - интенсивность излучения меняется. Первыми натолкнулись на эту странность, начав работу с торием, два молодых профессора Мак-Гиллского университета в Монреале - Э. Резерфорд и Р.Б. Оуэнс. Они очень удивились, когда после тщательного проветривания лаборатории радиоактивность тория стала вовсе незаметной! Радиоактивность зависит от движения воздуха?!

Естественно было предположить, что активность «сдувается» с тория потому, что в процессе распада образуется радиоактивный газообразный продукт. Он был обнаружен, изучен и назван эманацией тория, или тороном. Сейчас это название употребляется сравнительно редко: торой больше известен как изотоп радон-220 .

Вскоре, в 1902 г., в той же монреальской Мак-Гиллской лаборатории Ф. Содди выделил из раствора торцевой соли еще один новый радиоактивный продукт - торий-Х. Торий-Х обнаруживали везде, где присутствовал торий, но после отделения от тория интенсивность его излучения быстро падала. Менее чем за четыре дня она уменьшилась вдвое и продолжала падать в полном соответствии с геометрической прогрессией! Так в физику пришло понятие о периоде полураспада. Позже было установлено, что торий-Х представляет собой сравнительно, короткоживугций изотоп радий-224 .

Со временем были обнаружены достаточно многочисленные продукты алхимических превращений тория. Резерфорд изучил их, установил генетические связи. На основе этих исследований им был сформулирован закон радиоактивных превращений, а в мае 1903 г. ученый предложил схему последовательных распадов естественного радиоактивного ряда тория.

Торий оказался родоначальником довольно большого семейства. «Родоначальник», «семейство» - эти слова приведены здесь не ради образа, а как общепринятые научные термины. В своем семействе торий можно было бы назвать еще и патриархом: он отличается наибольшим долголетием в этом ряду. Период полураспада тория-232 (а практически весь природный торий - это изотоп 232 Th) 13,9 млрд. лет. Век всех «отпрысков знатного рода» несравненно короче: самый долгоживущий из них - мезоторий-I (радий-228) имеет период полураспада 6,7 года. Большинство же изотопов торцевого ряда «живет» всего дни, часы, минуты, секунды, а иногда и миллисекунды. Конечный продукт распада тория-232 - свинец, как и у урана. Но «урановый» свинец и «ториевый» свинец не совсем одно и то же. Торий в конце концов превращается в свинец-208, а уран-238 - в свинец-206.

Постоянство скорости распада и совместное присутствие в минералах материнских и дочерних изотопов (в определенном радиоактивном равновесии) позволили еще в 1904 г. установить, что с их помощью можно измерять геологический возраст. Первым эту идею высказал один из светлейших умов своего времени - Пьер Кюри.

В 1815 году знаменитый шведский химик Йенс Якоб Берцелиус заявил об открытии нового элемента, который он назвал торием в честь Тора, бога-громовержца и сына верховного скандинавского бога Одина. Однако в 1825 году обнаружилось, что открытие это было ошибкой. Тем не менее название пригодилось — его Берцелиус дал новому элементу, который он обнаружил в 1828 году в одном из норвежских минералов (сейчас этот минерал называется торит). Этому элементу, возможно, предстоит большое будущее, где он сможет сыграть в атомной энергетике роль, не уступающую по важности главному ядерному топливу — урану.

	Плюсы и минусы
+	Тория на Земле в несколько раз больше, чем урана
+	Не нужно разделять изотопы
+	Радиоактивное заражение при добыче тория существенно меньше (за счет более короткоживущего радона)
+	Можно использовать уже существующие тепловые реакторы
+	Торий имеет лучшие термомеханические свойства, чем уран
+	Торий менее токсичен, чем уран
+	При использовании тория не образуются минорные актиниды (долгоживущие радиоактивные изотопы)
-	В процессе облучения тория образуются гамма-излучающие изотопы, что создает трудности при переработке топлива

Дальние родственники бомбы

Атомная энергетика, на которую сейчас возлагается столько надежд, — это побочная ветвь военных программ, основными целями которых было создание атомного оружия (а чуть позднее реакторов для подводных лодок). В качестве ядерного материала для изготовления бомб можно было выбрать из трех возможных вариантов: уран-235, плутоний-239 или уран-233.

Так выглядит ториевый ядерный цикл, иллюстрирующий превращение тория в высокоэффективное ядерное топливо — уран-233.

Уран-235 содержится в природном уране в очень небольшом количестве — всего 0,7% (остальные 99,3% составляет изотоп 238), и его нужно выделить, а это дорогостоящий и сложный процесс. Плутоний-239 не существует в природе, его нужно нарабатывать, облучая нейтронами уран-238 в реакторе, а затем выделяя его из облученного урана. Таким же образом можно получать уран-233 путем облучения нейтронами тория-232.

В 1960-х планировалось замкнуть ядерный цикл по урану и плутонию с использованием примерно 50% АЭС на тепловых реакторах и 50% на быстрых. Но разработка быстрых реакторов вызвала трудности, так что в настоящее время эксплуатируется лишь один такой реактор — БН-600 на Белоярской АЭС (и построен еще один — БН-800). Поэтому сбалансированную систему можно создать из ториевых тепловых реакторов и примерно 10% быстрых реакторов, которые будут восполнять недостающее топливо для тепловых.

Первые два способа в 1940-х годах были реализованы, а вот с третьим физики решили не возиться. Дело в том, что в процессе облучения тория-232 помимо полезного урана-233 образуется еще и вредная примесь — уран-232 с периодом полураспада в 74 года, цепочка распадов которого приводит к появлению таллия-208. Этот изотоп излучает высокоэнергетичные (жесткие) гамма-кванты, для защиты от которых требуются толстенные свинцовые плиты. Кроме того, жесткое гамма-излучение выводит из строя управляющие электронные цепи, без которых невозможно обойтись в конструкции оружия.

Ториевый цикл

Тем не менее о тории не совсем забыли. Еще в 1940-х годах Энрико Ферми предложил нарабатывать плутоний в реакторах на быстрых нейтронах (это более эффективно, чем на тепловых), что привело к созданию реакторов EBR-1 и EBR-2. В этих реакторах уран-235 или плутоний-239 являются источником нейтронов, превращающих уран-238 в плутоний-239. При этом плутония может образовываться больше, чем «сжигается» (в 1,3−1,4 раза), поэтому такие реакторы называются «размножителями».

Другая научная группа под руководством Юджина Вигнера предложила свой проект реактора-размножителя, но не на быстрых, а на тепловых нейтронах, с торием-232 в качестве облучаемого материала. Коэффициент воспроизводства при этом уменьшился, но конструкция была более безопасной. Однако существовала одна проблема. Ториевый топливный цикл выглядит таким образом. Поглощая нейтрон, торий-232 переходит в торий-233, который быстро превращается в протактиний-233, а он уже самопроизвольно распадается на уран-233 с периодом полураспада 27 дней. И вот в течение этого месяца протактиний будет поглощать нейтроны, мешая процессу наработки. Для решения этой проблемы хорошо бы вывести протактиний из реактора, но как это сделать? Ведь постоянная загрузка и выгрузка топлива сводит эффективность наработки почти к нулю. Вигнер предложил очень остроумное решение — реактор с жидким топливом в виде водного раствора солей урана. В 1952 году в Национальной лаборатории в Оак-Ридже под руководством ученика Вигнера, Элвина Вайнберга, был построен прототип такого реактора — Homogeneous Reactor Experiment (HRE-1). А вскоре появилась еще более интересная концепция, идеально подходившая для работы с торием: это реактор на расплавах солей, Molten-Salt Reactor Experiment. Топливо в виде фторида урана было растворено в расплаве фторидов лития, бериллия и циркония. MSRE проработал с 1965 по 1969 год, и хотя торий там не использовался, сама концепция оказалась вполне работоспособной: использование жидкого топлива повышает эффективность наработки и позволяет выводить из активной зоны вредные продукты распада.

Жидкосолевой реактор позволяет намного более гибко управлять топливным циклом, чем обычные тепловые станции, и использовать топливо с наибольшей эффективностью, выводя вредные продукты распада из активной зоны и добавляя новое топливо по мере необходимости.

Путь наименьшего сопротивления

Тем не менее жидкосолевые реакторы (ЖСР) не получили распространения, поскольку обычные тепловые реакторы на уране оказались дешевле. Мировая атомная энергетика пошла по наиболее простому и дешевому пути, взяв за основу проверенные водо-водяные реакторы под давлением (ВВЭР), потомки тех, которые были сконструированы для подводных лодок, а также кипящие водо-водяные реакторы. Реакторы с графитовым замедлителем, такие как РБМК, представляют собой другую ветвь генеалогического древа — они происходят от реакторов для наработки плутония. «Основным топливом для этих реакторов является уран-235, но его запасы хотя и довольно значительны, тем не менее ограничены, — объясняет «Популярной механике» начальник отдела системных стратегических исследований Научно-исследовательского центра «Курчатовский институт» Станислав Субботин. — Этот вопрос начал рассматриваться еще в 1960-х годах, и тогда планируемым решением этой проблемы считалось введение в ядерный топливный цикл отвального урана-238, запасов которого почти в 200 раз больше. Для этого планировалось построить множество реакторов на быстрых нейтронах, которые бы нарабатывали плутоний с коэффициентом воспроизводства 1,3−1,4, чтобы избыток можно было использовать для питания тепловых реакторов. Быстрый реактор БН-600 был запущен на Белоярской АЭС — правда, не в режиме бридера. Недавно там же был построен и еще один — БН-800. Но для построения эффективной экосистемы атомной энергетики таких реакторов нужно примерно 50%».

Все радиоактивные изотопы, которые встречаются в природе в естественных условиях, принадлежат к одному из трех семейств (радиоактивных рядов). Каждый такой ряд — это цепочка ядер, связанных последовательным радиоактивным распадом. Родоначальники радиоактивных рядов — долгоживущие изотопы уран-238 (период полураспада 4,47 млрд лет), уран-235 (704 млн лет) и торий-232 (14,1 млрд лет). Цепочки заканчиваются стабильными изотопами свинца. Существует еще один ряд, начинающийся с нептуния-237, но период его полураспада слишком мал — всего лишь 2,14 млн лет, поэтому в природе он не встречается.

Могучий торий

Вот тут как раз на сцену и выходит торий. «Торий часто называют альтернативой урану-235, но это совершенно неправильно, — говорит Станислав Субботин. — Сам по себе торий, как и уран-238, вообще не является ядерным топливом. Однако, поместив его в нейтронное поле в самом обычном водо-водяном реакторе, можно получить отличное топливо — уран-233, которое затем использовать для этого же самого реактора. То есть никаких переделок, никакого серьезного изменения существующей инфраструктуры не нужно. Еще один плюс тория — распространенность в природе: его запасы как минимум втрое превышают запасы урана. Кроме того, нет необходимости в разделении изотопов, поскольку при попутной добыче вместе с редкоземельными элементами встречается только торий-232. Опять же, при добыче урана происходит загрязнение окружающей местности относительно долгоживущим (период полураспада 3,8 суток) радоном-222 (в ряду тория радон-220 — короткоживущий, 55 секунд, и не успевает распространиться). Кроме того, торий имеет отличные термомеханические свойства: он тугоплавкий, менее склонен к растрескиванию и выделяет меньше радиоактивных газов при повреждении оболочки ТВЭЛ. Наработка урана-233 из тория в тепловых реакторах примерно в три раза более эффективна, чем плутония из урана-235, так что наличие как минимум половины таких реакторов в экосистеме атомной энергетики позволит замкнуть цикл по урану и плутонию. Правда, быстрые реакторы все равно будут нужны, поскольку коэффициент воспроизводства у ториевых реакторов не превышает единицы».

На производство 1 ГВт в течение года требуется: 250 т природного урана (содержат 1,75 т урана-235) требуется добыть 215 т обедненного урана (в том числе 0,6 т урана-235) уходят в отвалы; 35 т обогащенного урана (из них 1,15 т урана-235) загружаются в реактор; отработанное топливо содержит 33,4 т урана-238, 0,3 т урана-235, 0,3 т плутония-239, 1 т продуктов распада. 1 т тория-232 при загрузке в жидкосолевой реактор полностью конвертируется в 1 т урана-233; 1 т продуктов распада, из них 83% - короткоживущие изотопы (распадаются до стабильных примерно за десять лет).

Однако у тория есть и один достаточно серьезный минус. При нейтронном облучении тория уран-233 оказывается загрязненным ураном-232, который испытывает цепочку распадов, приводящую к жесткому гамма-излучающему изотопу таллий-208. «Это сильно затрудняет работу по переработке топлива, — объясняет Станислав Субботин. — Но с другой стороны, облегчает обнаружение такого материала, уменьшая риск хищений. Кроме того, в замкнутом ядерном цикле и при автоматизированной обработке топлива это не имеет особого значения».

Термоядерное зажигание

Эксперименты по использованию ториевых ТВЭЛов в тепловых реакторах ведутся в России и других странах — Норвегии, Китае, Индии, США. «Сейчас самое время вернуться к идее жидкосолевых реакторов, — считает Станислав Субботин. — Химия фторидов и фторидных расплавов хорошо изучена благодаря производству алюминия. Для тория реакторы на расплавах солей гораздо более эффективны, чем обычные водо-водяные, поскольку позволяют гибко производить загрузку и вывод продуктов распада из активной зоны реактора. Более того, с их помощью можно реализовать гибридные подходы, используя в качестве источника нейтронов не ядерное топливо, а термоядерные установки — хотя бы те же токамаки. К тому же жидкосолевой реактор позволяет решить проблему с минорными актинидами — долгоживущими изотопами америция, кюрия и нептуния (которые образуются в облученном топливе), «дожигая» их в реакторе-мусорщике. Так что в перспективе нескольких десятилетий в атомной энергетике без тория нам не обойтись».

Содержание статьи

ТОРИЙ – Th (Thorium), химический элемент III группы периодической системы элементов, металл, относится к актиноидам, атомный номер 90, атомная масса 232,0381. Торий радиоактивен, стабильных изотопов не имеет, наиболее долгоживущие изотопы 230 Th (период полураспада 7,5·10 4 лет) и 232 Th (период полураспада 1,4·10 10 лет). В природе наиболее распространен изотоп 232 Th, его содержание в земной коре 8·10 -4 %.

Интерес к соединениям тория возник после того, как в 1885 венский химик Ауэр фон Вельсбах (первооткрыватель химического элемента неодима) обнаружил, что если ввести в пламя газовой горелки оксид тория, то он очень быстро нагревается до состояния белого каления и испускает яркий белый свет. Обнаруженное явление позволяло простым способом превращать часть тепловой энергии газовой горелки в световую. В результате поиска минералов, содержащих торий в заметном количестве, на берегу Атлантического океана в Бразилии был обнаружен минерал монацит, представлявший собой смесь фосфатов церия, лантана и тория, содержание тория в нем достигало 10%. Добыча не составляла труда, монацитовый песок лежал прямо на берегу. Тысячи тонн этого минерала стали отправлять на океанских кораблях из Бразилии в Европу на переработку. Позже залежи моноцита были найдены США, Индии и на островах Цейлон и Мадагаскар.

Одновременно с этим была разработана своеобразная технология, позволяющая помещать соединения тория в горелку: из легкой ткани изготавливали тонкие колпачки, которые пропитывали солями тория, затем волокна ткани осторожно выжигали и получали легкую скорлупку, которую помещали в пламя газовой горелки. Такие колпачки по имени их создателя стали называть ауэровскими. Тусклое газовое освещение городов Европы изменилось коренным образом, вместо желтоватого неровного пламени газового рожка появился источник яркого белого света. Ауэровские колпачки почти в 20 раз увеличили яркость газового освещения и втрое снизили его стоимость. Производство таких колпачков в отдельные годы достигало 300 миллионов штук (в 1910-ые газовое освещение стало вытесняться электрическим). Фактически торий был первым радиоактивным элементом, появившимся почти в каждом доме, но из-за слабой радиоактивности угрозы для здоровья он не представлял.

Физические свойства.

Серебристо-белый пластичный металл, образует сплавы со многими металлами. Температура плавления – 1750° С, температура кипения – 4200° С, плотность – 7,24 г/см 3 , при температуре ниже 1,4 К становится сверхпроводником.

Химические свойства.

Торий весьма реакционноспособен – быстро тускнеет на воздухе, в кипящей воде покрывается пленкой ThO 2 . Мелкодисперсный металлический торий вспыхивает на воздухе из-за энергичного окисления. Торий растворим в разбавленных минеральных кислотах: соляной, азотной, серной; концентрированной азотной кислотой он пассивируется, не реагирует со щелочами. Наиболее устойчивая степень окисления у Th(IV), есть и соединения с более низкой степенью окисления: Th (II) I 2 и Th (III) I 3 . При участии ионов щелочных металлов соединения тория легко образуют двойные соли K 2 , Na 2 , а также смешанные оксиды К 2 ТhO 3 . В водных растворах ионы тория образуют гидроксо-ионы + , 6+ , 4+

Получение.

Содержащие торий минералы, например, монацитовый песок, подвергают сернокислотному расщеплению, полученную пасту нейтрализуют и затем обрабатывают соляной кислотой. Отделение сопутствующих элементов основано на различной растворимости полученных хлоридов. Иногда используют экстракцию трибутилфосфатом, позволяющую более тонко отделить примеси. Металлический торий получают из ThCl 4 восстановлением с помощью Na, Са или Mg при 900–1000° С.

Соединения тория.

При нагревании тория в атмосфере водорода при 400–600 °С образуется гидрид ThH 2 Темно-серые кристаллы, быстро разлагающиеся при действии влаги воздуха с образованием диоксида.

Диоксид ТhO 2 образуется при сгорании металла на воздухе, при прокаливании гидроксида, а также некоторых солей – нитрата, карбоната. Это исключительно высокоплавкое соединение – т. пл. 3350° С, т. кип. 4400° С; реагирует с оксидами металлов при 600–800° С, образуя двойные оксиды (тораты), например, К 2 ТhO 3 , BaThO 3 , ThTi 2 O 6 . ТhO 2 устойчив к действию кислот и восстановителей;

Гидроксид Th(ОН) 4 получают взаимодействием солей тория с растворами щелочей. Аморфное вещество; устойчиво при 260–450° С, выше 470° С превращается в ThO 2.

Монокарбид ThC получают взаимодействием металлического тория со стехиометрическим количеством углерода, его т. пл. 2625° С. Дикарбид ThC 2 получают взаимодействием металлического тория с избытком углерода или восстановлением ТhО 2 углеродом при 1500° С. Его т. пл. 2655° С, т. кип. 5000° С, разлагается водой и разбавленными кислотами с образованием углеводородов, на воздухе окисляется при 600–700° С до ThO 2 .

Тетрагалогениды ТhНа1 4 (Hal = F, Cl, Br, I) получают при нагревании металлического тория или ThO 2 при 300–400° С с соответствующим галогенидами или галогенводородами. Тетрафторид ThF 4 имеет т. пл. 1100° С, т. кип. 1650° С, растворим в воде, образует кристаллогидраты. Тетрахлорид ThCl 4 имеет т. пл. 770° С, т. кип. 921° С, растворим в воде, низших спиртах, эфирах, ацетоне, бензоле. Образует гидраты с 2, 4, 7 и 12 молекулами воды.

Тетрабромид ThBr 4 имеет т. пл. 679° С, т. кип. 857° С, образует гидраты с 7, 8, 10 и 12 молекулами воды, а также сольваты с аммиаком и аминами. Тетраиодид ThI 4 имеет т. пл. 566° С, т. кип. 837° С, хорошо растворим в воде с образованием гидратов, при нагревании и действии света разлагается с выделением I 2 .

Применение.

Торий используется в качестве легирующей добавки, упрочняющей магниевые сплавы, введение тория в состав вольфрамовых нитей для электроламп накаливания увеличивает срок их службы.

Оксид тория применяется как огнеупорный материал, в качестве компонента катализаторов, его также добавляют в состав дуговых углей для увеличения яркости электрической дуги, используемой в прожекторах. Фактически, это продолжение идеи «ауэровских колпачков».

В последние годы Ауэровские колпачки вновь «вернулись к жизни». Для тех, кто длительно работает в полевых условиях, в экспедициях, а также для туристов выпускают газовые баллончики с прикрепленной горелкой, поверх которой располагают Ауэровский колпачок, прикрытый стеклянным плафоном.

Подобные источники света намного экономичнее электрических светильников такой же яркости, использующих батареи или аккумуляторы. В настоящее время торий рассматривают как перспективное ядерное топливо. При облучении нейтронами в уран-ториевых реакторах изотоп 232Тh превращается в делящийся изотоп урана 233U, пригодный для использования в ядерных реакторах. Запасы тория в земной коре (3,3 × 106 т) соизмеримы с запасами урана (3,5 × 106 т).

Михаил Левицкий