Thread by @OperadorNuclear

TODO SOBRE EL TORIO

Con frecuencia se habla de un material que podría sustituir al uranio en los reactores nucleares. Hace medio siglo que la tecnología del torio está en fase experimental. En un hilo conoceremos todas sus ventajas e inconvenientes.

INTRODUCCIÓN
En 1828 un sacerdote de la península noruega de Løvøya encontró un mineral negro que no identificó. Una muestra llegó al químico sueco Jöns Jakob Berzelius que descubrió que era un nuevo elemento químico. Lo nombró torio en honor a Thor, dios nórdico del trueno.

En 1898, Gerhard Schmidt, un químico alemán y Marie Curie descubrieron independientemente que el torio era radiactivo, aunque habitualmente se atribuye el descubrimiento a Schmidt.

El torio es de tres a cuatro veces más abundante en la Tierra que el uranio. Existe en la naturaleza en una única forma isotópica, Th-232, que se descompone muy lentamente. Su vida media es de 14 000 millones de años, es decir, aproximadamente tres veces la edad de la Tierra.

El óxido de torio (ThO2), llamado torianita, tiene uno de los puntos de fusión más altos de todos los óxidos (3350°C), por lo que se utiliza en filamentos de bombillas, mallas de linternas de gas, lámparas de luz de arco, electrodos de soldadura y cerámica resistente al calor.

El vidrio que contiene óxido de torio dispone de un alto índice de refracción y dispersión de longitud de onda, y se utiliza en lentes de alta calidad para cámaras e instrumentos científicos. xatakafoto.com/trucos-y-conse…

El óxido de torio (ThO2) es relativamente inerte y no se oxida más, a diferencia del UO2. Tiene una conductividad térmica más alta y una expansión térmica más baja que el UO2, así como un punto de fusión mucho más alto. La liberación de gas de fisión es mucho menor.

La fuente más común de torio es el mineral de fosfato de tierras raras, la monacita, que contiene hasta un 12% de fosfato de torio (promedio 6-7%). Los recursos mundiales de monacita se estiman en alrededor de 16 Mt. 12 Mt de ellas se encuentran en las costas sur y este de India.

RESERVAS DE TORIO
La publicación Uranium 2016: Resources, Production and Demand (a menudo referido como el Libro Rojo) publicado por @OECD_NEA da una cifra de unos 6,3 millones de toneladas de recursos totales conocidos y estimados. oecd-nea.org/ndd/pubs/2016/…

MINERÍA DEL TORIO
El torio se presenta en niveles de concentración más altos (entre el 2% y 10% de la masa) que el uranio (0,1-1%), haciendo que su recuperación sea menos agresvia para el medio ambiente que la minería del uranio por unidad de energía producida.

El torio nunca ha sido un objetivo de exploración primaria. Se considera un subproducto de la extracción de tierras raras (utilizadas en electrónica y energías renovables). La extracción de la monacita se realiza mecánicamente, tanto en minas subterráneas como a cielo abierto.

El riesgo radiológico de la minería de torio es similar a la del uranio, por lo que se debe realizar cumpliendo los mismos estándares se seguridad. La dosis del mineral es muy baja, pero de sebe evitar la inhalación de polvo.

Debido a su alta densidad y débil magnetismo, la recuperación de monacita de arena cruda o mineral triturado es posible por técnicas de separación física por gravedad y métodos electrostáticos. La monacita luego se disuelve en hidróxido de sodio o ácido sulfúrico.

Las soluciones resultantes contienen tierras raras, uranio y torio. A continuación, en un proceso de múltiples etapas utilizando fases orgánicas, se obtiene la separación del óxido de torio, ThO2.

COMBUSTIBLE NUCLEAR
El torio (Th-232) no es fisionable y no se puede utilizar directamente en un reactor convencional de neutrones térmicos pero es un material fértil: al absorber un neutrón y liberar 2 electrones transmuta a uranio-233 (U-233), un excelente material fisionable.

El Pa-233 que se produce puede separarse químicamente del torio original y el producto de desintegración U-233 y luego fabricar un nuevo elemento combustible, o el U-233 puede ser utilizado en el mismo reactor, especialmente en reactores de sales fundidas (MSR).

Formas de utilizar torio como combustible nuclear:

1. Aditivo (5-10%) en un ciclo de uranio, compatible con los reactores actuales.

2. Suplemento del ciclo de uranio: 90% de Th y 10% de plutonio.

3. Reemplazo del ciclo de uranio: solo necesita Th y U-233 reciclado.

Los combustibles de torio necesitan un material fisionable para poder mantener una reacción en cadena y el suministro de neutrones excedentes para que el torio los capture y genere U-233.

Es posible diseñar combustibles de torio que produzcan más U-233 en los reactores térmicos que el material fisionable que consumen. Esto se conoce como un índice de conversión fisionable de más de 1 y también se denomina reproducción.

La sección eficaz efectiva mide la capacidad de un isótopo de capturar o fisionar con neutrones, en este caso térmicos (tras ser frenados por el moderador). El Th-232 no fisiona, pero el U-233 tiene una sección eficaz efectiva similar al conocido U-235.

La reproducción térmica con torio requiere que la economía de neutrones en el reactor sea muy buena: debe haber una baja pérdida de neutrones por fuga hacia el exterior de la vasija o absorciones parásitas.

Otra opción para usar torio es como una matriz fértil para combustibles que contienen plutonio que sirve como conductor fisible mientras se consume. El combustible mixto de óxido de torio-plutonio (Th-Pu MOX) es un análogo del combustible de uranio-MOX actual.

A medida que el torio captura neutrones, el contenido del U-233 aumenta gradualmente y contribuye cada vez más a la potencia de salida del combustible. La fisión de un núcleo U-233 libera aproximadamente la misma cantidad de energía (200 MeV) que la de U-235.

El Th-232 es fisionable con neutrones rápidos de más de 1 MeV de energía y se podría usar en reactores de sal fundida rápida y otros de IV Generación con combustible de uranio o plutonio para iniciar la fisión.

En Noruega, Thor Energy thorenergy.no está probando dos combustibles que contienen torio para su uso en las centrales nucleares existentes. Han irradiado durante 5 años desde 2013 en el reactor de Halden elementos que contienen aditivo de torio (Th-Add) y Th-MOX (Pu).

Thor Energy intenta obtener el permiso para la producción comercial y el uso del combustible Th-Add y para comercializar el combustible después. Thor Energy y empresas de América del Norte y Europa investigan el uso del combustible Th-Add en reactores comerciales.

INVESTIGACIÓN
La investigación sobre el uso del torio como combustible nuclear se ha llevado a cabo durante más de 50 años, aunque con mucha menos intensidad que la de los combustibles de uranio o de uranio-plutonio, básicamente por la disponibilidad de estos materiales.

El trabajo de desarrollo del torio como combustible nuclear se ha realizado en Alemania, India, Canadá, Japón, China, Países Bajos, Bélgica, Noruega, Rusia, Brasil, Reino Unido y Estados Unidos.

Se han realizado varias demostraciones del uso de combustibles a base de torio para generar electricidad en varios tipos de reactores, fundamentalmente en EEUU, India y Alemania.

El reactor de alta temperatura de torio (THTR) de 300 MWe en Hamm-Uentrop en Alemania funcionó con combustible de torio-HEU entre 1983 y 1989, cuando se cerró debido a problemas técnicos.

El reactor HTR de Peach Bottom de 40 MW en EEUU fue un reactor de demostración que funcionó entre 1967 y 1974. Utilizó torio-HEU en forma de microesferas de carburo mixto de torio-uranio recubierto con carbono pirolítico.

El reactor HTR de Fort St. Vrain de 330 MWe en Colorado, EEUU, fue un sucesor comercial a mayor escala que funcionó entre 1976-1989. Utilizó torio-HEU en microesferas de carburo de torio-uranio recubierto con óxido de silicio y carbono pirolítico para retener productos de fisión.

Un reactor generador de agua ligera alimentado con torio operó entre 1977 y 1982 en Shippingport, EEUU. Utilizó uranio-233 como impulsor fisionable en elementos que tenían regiones móviles para aumentar el nivel de moderación de neutrones a medida que el combustible envejecía.

Funcionó con una potencia de 60 MWe (236 MWt) y un factor de disponibilidad del 86%. Las inspecciones posteriores revelaron que había un 1,39% más de combustible fisionable al final de la vida útil del núcleo, lo que demuestra que la reproducción se había producido.

TORIO EN INDIA
India dispone de enormes reservas de torio accesibles y poco uranio, así que ha hecho del uso del torio para la producción de energía un gran objetivo en su programa nuclear, utilizando el concepto de tres etapas propuesto en la Universidad de Chicago en 1944.

Los reactores de agua pesada presurizada (PHWR) y reactores de agua ligera alimentados por plutonio producen uranio natural que se separa para usar en combustibles en sus reactores rápidos y reactores de agua pesada avanzados autóctonos.

Los reactores reproductores rápidos (FBR) utilizarán combustible a base de plutonio para ampliar su inventario de plutonio. El manto alrededor del núcleo tendrá uranio y torio, por lo que se producirá más plutonio (especialmente Pu-239), así como U-233.

Los reactores avanzados de agua pesada (AHWR) quemarán combustibles de torio-plutonio de tal manera que se genere U-233 que se puede usar como conductor fisionable autosuficiente para una flota de AHWR.

India está enfocando y priorizando la construcción y la puesta en marcha de su flota de reactores rápidos enfriados con sodio de 500 MWe, como el FBR de Kalpakkam actualmente en construcción, donde se generará el plutonio requerido para los futuros AHWR.

REACTORES COMPATIBLES CON TORIO
Existen siete tipos de reactores en los que se puede introducir torio como combustible nuclear: los primeros cinco han entrado en servicio operativo en algún momento y los dos últimos siguen siendo conceptuales.

Reactores de agua pesada (PHWR): son adecuados para utilizar combustible a base de torio por sus bajas pérdidas de neutrones y su alta velocidad, que favorece la conversión a U-233, así como su capacidad de reabastecimiento de combustible en funcionamiento.

Reactores refrigerados por gas de alta temperatura (HTR): son adecuados para combustibles a base de torio en forma de partículas de torio recubiertas con plutonio o uranio enriquecido, recubiertas con capas de carbono pirolítico y carburo de silicio que retienen gases de fisión.

Reactores de agua en ebullición ligera (BWR): pueden utilizar combustible de torio-plutonio diseñado para quemar (fisionar) el excedente de plutonio. Los BWR son un tipo de reactor bien conocido y con licencia de operación en múltiples países.

Reactores de agua a presión (PWR): los combustibles viables de torio se pueden diseñar para un PWR, aunque con menos flexibilidad que para los BWR. A pesar de que los PWR no son el reactor perfecto para usar torio, son los más abundantes y existe mucha experiencia de operación.

Reactores rápidos de neutrones (FNR): el torio puede servir como un componente de combustible para los reactores que operan con un espectro de neutrones rápidos, aunque al poder utilizar también U-238, el torio de momento no supone ninguna ventaja competitiva.

Reactores de sal fundida (MSR): estos reactores todavía se encuentran en fase de diseño, pero es probable que sean muy adecuados para usar torio. El combustible fluido puede incorporar fluoruro de torio y uranio como parte de una mezcla de sal que funde en el rango de 400-700ºC.

Reactores accionados por acelerador (ADS): El sistema sub-crítico de ADS es un concepto de energía de fisión nuclear no convencional. Los neutrones de espalación se producen cuando los protones de alta energía de un acelerador golpean un objetivo pesado como el plomo.

Estos neutrones se dirigen a una región que contiene el torio, por ejemplo, Th-plutonio que reacciona para producir calor como en un reactor convencional. El sistema sigue siendo subcrítico, es decir, incapaz de sostener una reacción en cadena sin el haz de protones.

VENTAJAS DEL TORIO
El torio tiene varias ventajas respecto al uranio: existen mayores reservas, no necesita ser enriquecido, genera menos residuos, menos elementos transuránicos en ellos y proporciona márgenes de seguridad adicionales en la mayoría de tipos de reactores.

Todo el torio extraído es potencialmente utilizable en un reactor, a diferencia del uranio natural del cual solamente se puede usar 0,7%. El punto fusión del torio es 3350°C, mientras que el uranio es de 2850°C, por lo que es más seguro en caso de accidente.

El torio es radiactivo pero muy estable y por tanto la dosis de radiación que produce es muy baja. Su tiempo de semidesintegración (en el que se desintegra la mitad de los núcleos de una muestra) es de unos 14.000 millones de años, el triple de la vida de la Tierra.

Debido al mayor “quemado” del material fisible y sin transuránidos, los residuos generados por una central nuclear de torio serían radiactivos durante unos 200 años, frente a los 10.000 de los actuales reactores basados en uranio.

Se estima que existen entre tres y cuatro veces mayores reservas de torio que de uranio, lo que unido a su mayor grado de aprovechamiento podría servir para cubrir la necesidad de toda la humanidad durante muchos siglos, quizás milenios.

La producción de U-233 también produce U-232, que es un gran emisor de radiación gamma, al igual que algunos productos de desintegración como el talio-208. De cara a la proliferación, el material es extremadamente difícil de manejar y al mismo tiempo muy fácil de detectar.

En el momento de maduración de la tecnología de reactores de Torio, el coste de producción del kWh eléctrico sería menor que el de los reactores de U-235, por no necesitar enriquecimiento y por extraer virtualmente toda la energía del combustible (actualmente el 5%).

INCONVENIENTES DEL TORIO
Se requieren múltiples pruebas, análisis, licencias y trabajos de calificación antes de que cualquier combustible de torio pueda entrar en servicio. Esto es costoso y necesitará una fuerte inversión y apoyo gubernamental para garantizar las inversiones.

El uranio es abundante y relativamente barato, y representa solo una pequeña parte del coste de la generación de electricidad con energía nuclear, por lo que no han existido incentivos reales para invertir en un nuevo tipo de combustible que pueda ahorrar recursos de uranio.

Otros impedimentos para el desarrollo del ciclo del combustible de torio son el mayor coste de fabricación de combustible y el coste de reprocesamiento para proporcionar el plutonio fisionable para generar los neutrones necesarios.

Algunos de estos problemas se superarán con el LFTR y otros reactores de sales fundidas. En un reactor de sal fundida el ciclo de combustible tendrá una radiotoxicidad relativamente baja, generando solo productos de fisión y Pa-233 de corta duración, sin transuránicos.

El Th-232 capta neutrones y decae a U-233, con un período de semidesintegración de 27,4 días, lo que obliga a emplear medidas adicionales para contrarrestar el incremento de reactividad del núcleo tras de un período prolongado de parada del reactor.

CONCLUSIÓN
El desarrollo del ciclo de combustible de torio se ralentizó por la disponibilidad del uranio, pero podría ayudar a un resurgimiento nuclear. Es una tecnología potencialmente viable que podría garantizar el suministro de material fisible durante muchos siglos.

REFERENCIAS
📖Revista Alfa nº 28 csn.es/documents/1018… del CSN @CSN_es
📖El torio en los combustibles nucleares iaea.org/inis/collectio… por Alejandro Stankevicius, CNEA @CNEA_Arg
📖Thorium world-nuclear.org/information-li… de World Nuclear Association @WorldNuclear