Thorium ist ein chemisches Element im Periodensystem mit dem Symbol Th und der Ordnungszahl 90. Es ist ein schwach radioaktives, silberfarbenes Metall und gehört zur Actinidenreihe (nicht zu den Seltenen Erden, obwohl es in der Natur häufig zusammen mit ihnen vorkommt).
Eigenschaften und Fülle
Thorium ist in der Erdkruste deutlich häufiger als Uran, etwa drei- bis viermal so häufig. Es findet sich vor allem in Mineralien wie Monazit, Thorianit und anderen Seltenerdmineralien, was das strategische Interesse von Ländern mit großen Vorkommen erklärt.
Thorium und Kernenergie
Thorium ist bekannt für sein Potenzial als Kernbrennstoff, wobei jedoch eine wichtige Klarstellung notwendig ist: Thorium-232 ist nicht spaltbar, das heißt, es kann nicht direkt wie Uran-235 oder Plutonium-239 gespalten werden.
In Kernreaktoren dient Thorium als Brutmaterial. Nach der Absorption eines Neutrons wandelt sich Thorium-232 durch Beta-Zerfall in Uran-233 um, welches spaltbar ist und zur Energiegewinnung durch Kernspaltung genutzt werden kann.
Aus diesem Grund wird Thorium als Alternative zum Urankreislauf betrachtet, mit potenziellen Vorteilen in Bezug auf:
- Sicherheit,
- Abfallerzeugung
- langfristige Kraftstoffverfügbarkeit.
Nichtnukleare Anwendungen von Thorium
Neben seinen nuklearen Anwendungen fand Thorium auch industrielle Verwendung, wobei viele dieser Anwendungen aus Gründen der Strahlensicherheit zurückgegangen sind:
- Glühlampenhemden für Gaslampen (heute nur noch sehr eingeschränkt verwendbar).
- Hochtemperatur-Metalllegierungen.
- Glas- und Keramikindustrie, zur Verbesserung der thermischen und optischen Beständigkeit.
- WIG-Schweißelektroden (werden zunehmend ersetzt).
Kernkraftwerke, die Thorium verwenden
Derzeit gibt es keine kommerziellen Kernkraftwerke, die ausschließlich mit Thorium betrieben werden. Es existieren jedoch Versuchsreaktoren und fortgeschrittene Forschungsprogramme.
Schmelzsalzreaktoren (MSR)
Eines der vielversprechendsten Designs ist der Thorium-Schmelzsalzreaktor (MSR ). Bei diesem Konzept gilt:
- Der Brennstoff wird in geschmolzenen Fluoridsalzen gelöst.
- Der Reaktor arbeitet mit niedrigem Druck, was das Unfallrisiko verringert.
- Es kann passive Sicherheitssysteme beinhalten, wie zum Beispiel eine automatische Kraftstoffableitung bei Überhitzung.
Länder mit aktiven Programmen
- Indien verfügt über große Thoriumreserven und entwickelt ein dreiphasiges Kernenergieprogramm. Der Kamini-Reaktor nutzt aus Thorium gewonnenes Uran-233, ist aber ein Forschungsreaktor und kein kommerzieller Reaktor.
- China: verfügt über eines der fortschrittlichsten MSR-Programme und hat bereits experimentelle Schmelzsalzreaktoren in Betrieb genommen.
- Vereinigte Staaten, Kanada und Europa: Forschung hauptsächlich auf der Entwurfs- und Prototypenebene.
Die großflächige kommerzielle Nutzung von Thorium ist nach wie vor ungewiss und erfordert nach Ansicht der meisten Experten noch mehrere Jahrzehnte technologischer Entwicklung und industrieller Validierung.
Vor- und Nachteile im Vergleich zu Uran
Vorteile von Thorium
Thorium
ist häufiger und geografisch besser verteilt als Uran, was strategische Abhängigkeiten verringert.
Langfristige Abfallreduzierung:
Thoriumkreisläufe können Folgendes erzeugen:
- geringere Menge an Transuranaktiniden,
- Abfälle mit kürzerer Halbwertszeit und geringerer langfristiger Radiotoxizität (obwohl es sich immer noch um radioaktive Abfälle handelt).
Geringeres Weiterverbreitungsrisiko.
Das erzeugte Uran-233 ist häufig mit Uran-232 verunreinigt, welches intensive Gammastrahlung abgibt und somit seine militärische Nutzung erschwert.
Potenziell höhere Sicherheit
Einige Konstruktionen (insbesondere MSR):
- Sie arbeiten bei Atmosphärendruck.
- Sie verringern das Risiko einer Kernschmelze.
- Passive Abschaltsysteme sind aktiviert.
Geringerer Wasserverbrauch (konstruktionsabhängig)
Bestimmte Thoriumreaktoren können:
- alternative Kühlung nutzen,
- Der Wasserverbrauch wird im Vergleich zu herkömmlichen Leichtwasserreaktoren reduziert (dies ist jedoch nicht dem Thorium, sondern dem Reaktortyp inhärent).
Nachteile
Die Technologie ist noch nicht ausgereift.
Die meisten Thoriumreaktoren befinden sich in der experimentellen Phase. Eine vollständig entwickelte industrielle Wertschöpfungskette existiert noch nicht.
Hohe Kosten:
Die anfängliche Entwicklung, Lizenzen, neue Materialien und Wiederaufbereitungsprozesse verteuern Projekte im Vergleich zu etablierten Technologien.
Für Thoriumreaktoren wird zunächst ein „Startbrennstoff“ benötigt : Uran-235 oder Plutonium-239, um die Reaktion zu starten und Uran-233 zu erzeugen.
Chemische Komplexität
Insbesondere bei MSRs ist die Handhabung von Salzschmelzen und die Online-Wiederaufbereitung von Brennstoffen technisch anspruchsvoll.
Elektrische Effizienz
Es konnte nicht abschließend nachgewiesen werden, dass Thoriumreaktoren bei der Stromerzeugung effizienter sind als die derzeitigen Uranreaktoren.
Globale Thoriumreserven
Die globalen Schätzungen sind nicht exakt, aber man geht davon aus, dass die Thoriumreserven die Uranreserven bei weitem übertreffen.
Ungefähre Schätzwerte:
- Indien: ~485.000 Tonnen (hauptsächlich Monazit).
- Brasilien: ~300.000 Tonnen.
- Australien: bedeutende Vorkommen an Seltenen Erden.
- Kanada: bedeutende Vorkommen, wenn auch weniger quantifiziert.
- Weitere Länder: Norwegen, die Vereinigten Staaten, Malaysia und mehrere afrikanische Länder verfügen ebenfalls über potenzielle Reserven.
Thorium-Eigenschaften
Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit den wichtigsten Eigenschaften von Thorium.
| Eigentum | Wert |
|---|---|
|
Ordnungszahl |
90 |
|
Atommasse |
232,0377 in |
|
Chemisches Symbol |
Th |
|
Gruppe |
Gruppe 3 |
|
Zeitraum |
Periode 7 |
|
Elektronische Konfiguration |
[Rn] 6d 2 7s 2 |
|
Physikalischer Zustand |
Solide |
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Farbe |
Silbergrau |
|
Schmelzpunkt |
1750 °C (3182 °F) |
|
Siedepunkt |
4.788 °C (8.670 °F) |
|
Dichte |
11,7 g/ cm³ |
|
Elektrische Leitfähigkeit |
Guter elektrischer Leiter |
|
Radioaktivität |
Radioaktiv |
|
Fülle |
Es ist in der Erdkruste häufiger als Uran. |
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Anwendungen |
Glühlampen, Metalllegierungen, Glasindustrie, Kernbrennstoff (Potenzial) |