Ấn Độ là nơi có trữ lượng thori lớn nhất thế giới và nhờ Chiến lược điện hạt nhân dài hạn của nước này mà việc khai thác thori đã đạt được đỉnh điểm nhất từ trước đến nay. Thori là kim loại màu bạc, có tính phóng xạ nhẹ, được coi là sạch hơn và hiệu quả hơn nhiên liệu hạt nhân thông thường. Ấn Độ đã thiết kế và đang phát triển một lò phản ứng chạy bằng thori, Lò phản ứng nước nặng tiên tiến, lò phản ứng này sẽ đóng vai trò kiểm chứng không chỉ cho chu trình nhiên liệu thori mà còn cho các tính năng an toàn thụ động của chính loại lò này.
Thori là nguyên tố hóa học có ký hiệu Th và số hiệu nguyên tử 90 trong bảng tuần hoàn. Thori là một trong 3 kim loại phóng xạ xuất hiện trong tự nhiên với số lượng lớn ở dạng nguyên thủy (02 nguyên tố còn lại là bismuth và urani. Thori được nhà khoáng vật học người Na Uy Morten Thrane Esmark phát hiện năm 1828 và được xác định bởi nhà hóa học Thụy Điển Jöns Jakob Berzelius. Trong tự nhiên, thori là kim loại phóng xạ thấp và cũng được xem là một nguyên liệu hạt nhân thay thế cho urani.
Thori nguyên chất có ánh bạc, bền trong không khí và giữ được ánh của nó trong khoảng vài tháng. Khi lẫn với oxide, thori bị mờ đi từ từ và chuyển sang màu xám, cuối cùng là đen. Các tính chất vật lý của thori chịu ảnh hưởng lớn bởi mức độ lẫn với oxide. Các loại tinh khiết nhất thường chứa khoảng 10% lượng oxide. Thori nguyên chất mềm, dễ uốn và có thể cuộn tròn ở trạng thái lạnh (không cần gia nhiệt), rập nóng và kéo dài. Thori có hai kiểu cấu trúc và chúng biến đổi ở 1400 °C từ lập phương sang lập phương tâm khối. Bột thori thường tự bốc cháy. Khi nung nóng trong không khí, thori cháy và có ngọn lửa sáng màu trắng.
Chuỗi phân rã đồng vị phóng xạ của thori
Thori thường được tìm thấy trong đá từ núi lửa và cát khoáng nặng. Tên của nguyên tố này được đặt theo tên của Thor, vị thần sấm sét trong thần thoại Bắc Âu. Thori có hàm lượng cao trong tự nhiên, gấp 03 lần so với urani, nhưng lại ít được sử dụng trong công nghiệp hoặc sản xuất điện. Điều này một phần là do bản thân thori không phải là nhiên liệu hạt nhân, mặc dù nó có thể được sử dụng để tạo ra loại nhiên liệu hạt nhân.
Về tính chất, giống như urani, thori có các đặc tính cho phép sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho phản ứng dây chuyền hạt nhân, có thể vận hành một nhà máy điện, tạo ra điện năng và nhiều thứ khác. Thori tự nó sẽ không phân chia và giải phóng năng lượng. Thay vào đó, khi tiếp xúc với neutron, qua một loạt phản ứng hạt nhân cho đến cuối cùng xuất hiện như một đồng vị của urani được gọi là U-233, dễ dàng phân tách và giải phóng năng lượng vào lần tiếp theo khi hấp thụ một neutron. Vì vậy, thori được coi là dễ sinh sản còn U-233 được gọi là dạng phân hạch.
Hiệu suất năng lượng từ nhiên liệu thori, urani và than đá
Các lò phản ứng sử dụng thori đang hoạt động theo chu trình nhiên liệu được gọi là Thori-Urani (Th-U). Tuy nhiên, phần lớn các lò phản ứng hạt nhân hiện có hoặc được đề xuất sử dụng urani đã được làm giàu (U-235) hoặc plutoni đã được xử lý lại (Pu-239) làm nhiên liệu (trong chu trình Urani-Plutoni). Các nhà máy điện phản ứng hạt nhân sắp ra mắt của Trung Quốc và Ấn Độ đều sử dụng nhiều khoáng chất chứa thori và không nhiều urani.
Thori-232, đồng vị duy nhất xuất hiện trong tự nhiên của thori, được coi là có “khả năng phân hạch” cho phản ứng phân hạch. Có nghĩa là nó cần một trình điều khiển, chẳng hạn như urani hoặc plutoni, để kích hoạt và duy trì phản ứng dây chuyền. Khi được chiếu xạ, thori-232 trải qua một loạt phản ứng hạt nhân, cuối cùng tạo thành urani-233, sau đó có thể phân tách để giải phóng năng lượng, cung cấp cho lò phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, việc sử dụng thori để sản xuất năng lượng không phải là đơn giản. Có một số trở ngại về kinh tế và kỹ thuật khiến việc triển khai thori trở nên khó khăn. Mặc dù tồn tại rất nhiều trong tự nhiên nhưng việc khai thác kim loại này hiện nay rất tốn kém.
So sánh hiệu suất tạo nhiên liệu và lượng chất thải phóng xạ từ thori và urani.
Khoáng chất monazite hiện là nguồn cung cấp các nguyên tố đất hiếm chính, cũng là nguồn thori chính. Nếu không có nhu cầu sử dụng các nguyên tố đất hiếm, monazite sẽ không được khai thác chỉ để lấy thori. Thori là sản phẩm phụ và việc khai thác thori đòi hỏi các phương pháp có giá thành cao hơn so với urani. Thêm vào đó, việc nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm các cơ sở hạt nhân chạy bằng năng lượng thori còn rất hạn chế, do thiếu kinh nghiệm và do tính ưu việt lịch sử của urani. Bên cạnh đó, thori khó xử lý sau khi chiếu xạ. Nhiên liệu thori đòi hỏi quy trình chế tạo từ xa, đắt tiền hơn so với nhiên liệu urani, do sự hiện diện của các sản phẩm con khi thori phát ra gamma. Hơn nữa, việc tái xử lý nhiên liệu thori đã qua sử dụng cũng còn là thách thức. Có những khó khăn trong việc hòa tan thori dioxide và xử lý các sản phẩm khí. Do sử dụng florua trong quá trình hòa tan nên thiết bị tái xử lý cũng có thể bị ăn mòn.
Trung Quốc thử nghiệm lò phản ứng muối nóng chảy thorium (Nguồn: Thorium Energy World)
Thori có một số lợi thế so với nhiên liệu hạt nhân thông thường, urani-235. Thori có thể tạo ra nhiều vật liệu phân hạch (urani-233) hơn mức tiêu thụ trong khi cung cấp nhiên liệu cho lò phản ứng sử dụng muối nóng chảy hoặc làm mát bằng nước, đồng thời tạo ra ít Actinide tồn tại lâu dài hơn nhiên liệu plutoni. Người ta ước tính rằng lớp vỏ trên của Trái đất chứa trung bình 10,5 phần triệu (ppm) thori, so với khoảng 3 ppm urani. Do sự phong phú và khả năng tạo ra vật liệu phân hạch, thori mang lại giải pháp lâu dài cho nhu cầu năng lượng của nhân loại. Ngoài việc các lò phản ứng chạy bằng nhiên liệu thori và năng lượng hạt nhân nói chung, không thải ra khí nhà kính khi vận hành, một ưu điểm khác là chúng tạo ra ít chất thải hạt nhân tồn tại lâu hơn so với các lò phản ứng chạy bằng nhiên liệu urani ngày nay.
Chu kỳ thori chỉ cho phép các lò phản ứng tái sinh hỗn hợp neutron chậm (trái ngược với các lò phản ứng tái sinh hỗn hợp nhanh), tức lò phản ứng hạt nhân tạo ra nhiều vật liệu phân hạch hơn mức tiêu thụ. Nhiều neutron được giải phóng trên mỗi neutron được hấp thụ trong nhiên liệu (phản ứng neutron chậm). Điều này có nghĩa, nếu nhiên liệu được xử lý lại, các lò phản ứng có thể được cung cấp nhiên liệu mà không cần khai thác thêm U-235 để tăng khả năng phản ứng. Đồng nghĩa, nguồn nhiên liệu hạt nhân trên Trái đất có thể được mở rộng thêm 2 bậc độ lớn mà không gặp một số sự cố như trong lò phản ứng nhanh. Chu trình nhiên liệu Th-U không chiếu xạ Urani-238 và do đó không tạo ra các nguyên tử transuranic (lớn hơn urani) như Plutoni, Americi, Curi,v.v… Những transuranics này là mối quan tâm lớn về sức khỏe liên quan tới chất thải hạt nhân mà lâu nay dư luận đang nhắc đến. Do đó, chất thải Th-U sẽ ít độc hơn trong khoảng thời gian lên tới trên 10.000 năm.
Thorium là vật liệu dồi dào, có nhiều trong vỏ Trái đất hơn so với Urani, nồng độ 0,0006% so với 0,00018% Urani (hệ số 3,3x). Ngoài ra, urani được tìm thấy hòa tan trong nước biển, trong khi lượng thori ít hơn tới 86.000 lần. Nếu chu trình nhiên liệu khép kín hoặc quá trình tái sinh trở thành xu hướng chủ đạo, thì lợi ích này sẽ không liên quan vì cả chu trình nhiên liệu Th-U và U-Pu đều tồn tại lâu dài trong hàng chục nghìn năm, tương đương với lịch sử hiện đại.
Từ khóa: Thorium; Uranium; Plutonium; lò phản ứng hạt nhân;
– CMD&DND –
