Ядерно-химическая технология тория

Министерство науки и высшего образования 

Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

И. Б. Половов, А. В. Абрамов, Р. В. Камалов 

ЯДЕРНО-ХИМИЧЕСКАЯ  

ТЕХНОЛОГИЯ ТОРИЯ 

Учебное пособие 

Рекомендовано методическим советом  

Уральского федерального университета для студентов вуза,  

обучающихся по направлениям подготовки:  
18.03.01, 18.04.01 — Химическая технология,  

18.05.02 — Химическая технология материалов  

современной энергетики 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2019 

УДК 539.1:669.298(075.8)
ББК 22.383+24.124я73
          П49

Рецензенты:
ведущий научный сотрудник лаборатории радиохимии Института 

высокотемпературной электрохимии УрО РАН, д-р хим. наук, проф. 
РАН А. В. Новоселова;

кафедра физико-химической технологии защиты биосферы Ураль
ского государственного лесотехнического университета (завкафедрой 
доц., д-р хим. наук И. Г. Первова 

Научный редактор — проф., д-р хим. наук О. И. Ребрин

П49

Половов, И. Б.
Ядерно-химическая технология тория : учеб. пособие / И. Б. По
ловов, А. В. Абрамов, Р. В. Камалов ; Мин-во науки и высш. обр. 
РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 143, [1] с.

ISBN 978-5-7996-2774-4

Учебное пособие содержит описание физико-химических, радиоактивных, ме
ханических и коррозионных свойств тория и его соединений, областей применения 
тория, сырьевых источников тория, методов их добычи и переработки, способов получения чистых соединений и металлического тория. В пособии описаны технологии производства ядерного топлива на основе оксида тория и других его соединений.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 18.03.01, 18.04.01 — 

Химическая технология, 18.05.02 — Химическая технология материалов современной энергетики.

Библиогр.: 23 назв. Рис. 37. Табл. 12.

УДК 539.1:669.298(075.8)
ББК 22.383+24.124я73

ISBN 978-5-7996-2774-4
© Уральский федеральный  
     университет, 2019

ПРЕДИСЛОВИЕ

В 

настоящее время ядерная энергия является преимущественным 
источником «зеленой» электроэнергии, способным к значитель
ному наращиванию своих мощностей. Современная атомная энергетика ориентирована на урановый и, в меньшей степени, на уранплутониевый ядерно-топливные циклы (ЯТЦ). Однако запасы урана 
(особенно в Российской Федерации) весьма ограничены, что обуславливает необходимость проработки вопросов по переходу на ториевый 
ЯТЦ, обладающий рядом дополнительных преимуществ. Задача практического воплощения этого цикла в жизнь решается в ряде стран, например в Индии, и входит в стратегический план работ государственной корпорации по атомной энергии «Росатом». Развитие данного 
направления невозможно без разработки способов производства торийсодержащего ядерного топлива, что в свою очередь обуславливает необходимость совершенствования технологий добычи и переработки ториевых руд и концентратов.

В представленном учебном пособии детально описаны области при
менения ториевой продукции, физико-химические свойства тория и его 
соединений, основные черты геохимии тория и методы обогащения его 
руд, особенности химической технологии тория и процессов, связанных с получением и рафинированием металла. На основании обзора 
научной и патентной литературы в настоящей работе значительно расширены разделы по переработке монацитовых концентратов и получению чистых соединений тория. В пособии представлено современное 
состояние ториевого рынка и впервые обобщены способы получения 
ядерного топлива на основе ThO2 и некоторых других ториевых соединений. Рассмотрены перспективы развития ториевого ЯТЦ и показаны сдерживающие факторы внедрения подобных технологий.

Учебное пособие написано для студентов и аспирантов вузов, но он 

может служить и руководством для молодых инженеров-производственников, и справочником для научных работников, занимающихся вопросами химии и технологии тория, а также производства ядерного топлива.

1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ТОРИЯ  

И ЕГО МЕСТО В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ 

СИСТЕМЕ ЭЛЕМЕНТОВ

В 

настоящее время в России и мире сохраняется постоянный интерес к торию и его соединениям, что обусловлено возможно
стью использования тория в атомной промышленности. Поиск эффективных путей вовлечения ториевых ресурсов в ядерную энергетику 
будущего связан с созданием новых и модернизацией существующих 
конструкций атомных реакторов, разработкой и внедрением ториевого ЯТЦ. Последний пункт включает рассмотрение вопросов добычи 
и переработки ториевого сырья, производства высокочистых соединений тория и ядерного горючего на их основе, а также возможности 
переработки торийсодержащего облученного ядерного топлива (ОЯТ). 
В основе ядерно-химической технологии тория лежат процессы обогащения ториевых руд, производства концентратов, получения важнейших ториевых соединений, в том числе металлического тория. Характерные черты каждого из перечисленных переделов обусловлены 
особенностями физико-химического и геохимического поведения тория, совокупностью химических свойств его соединений. Важную роль 
в технологии тория играет его естественная радиоактивность, а возможность использования в атомной энергетике определяется ядерными свойствами изотопов тория.

Изучение свойств тория и его соединений проводится на протяжении 

уже почти двух веков. В 1815 г. шведский химик Йенс Якоб Берцелиус, 
анализируя минерал, обнаруженный в округе Фалюн (Швеция), выделил 
из него, как он предположил, оксид нового элемента, который был назван 
торием в честь непобедимого бога Тора из скандинавской мифологии. 
В своей работе, выпущенной в 1816 г. в пятом томе журнала «Аfhandlingar», 
Й. Берцелиус описывает полученный оксид как «белое вещество, вскипающее при обработке кислотами и имеющее вяжущий вкус».

Однако в 1824 г. Й. Берцелиус установил, что исходный мине
рал представлял собой фосфат иттриевых земель — «phosporsyrad 

1. История открытия тория  и его место в периодической системе элементов

1. История открытия тория и его место в периодической системе элементов 

ytterjord». Имея в виду близость геохимических свойств редкоземельных элементов (РЗЭ) и «настоящего» тория, можно предположить, 
что какое-то количество последнего все-таки содержалось в анализируемых шведским химиком образцах. Тем не менее, очевидно, что 
в данном случае Й. Берцелиусом была допущена серьезная ошибка. Впоследствии французский минералог Франсуа-Сюльпис Бедан назвал исследуемый минерал ксенотимом, что символизировало постигшую Берцелиуса неудачу (от греч.: κευός — напрасный  
и τιμή — слава).

Тем не менее, имя «торий» нашло себе хозяина. В 1828 г. пастор 

г. Бревика (Норвегия) Ханс Мортен Эсмарк во время охоты на уток 
на фьорде Лангесунд обнаружил в пегматитовых валунах вкрапления 
черного минерала. Нужно сказать, что преподобный Х. Эсмарк был 
весьма разносторонним человеком — он увлекался химией и минералогией, был экспертом по заболеваниям картофеля, впоследствии изобрел специальную печь для обжига известняка. Он показал найденный 
образец своему отцу Йенсу Эсмарку, который ранее был профессором 
Конгсбергской горной академии. Обнаруженный минерал не был похож на описанные ранее в литературе, поэтому отец и сын Эсмарки 
решили, что они нашли что-то новое. Эсмарк-старший послал образец минерала в Стокгольм Йенсу Якобу Берцелиусу.

В ходе химического анализа минерала Й. Берцелиус помимо неболь
шого количества типичных элементов (Ca, Fe, Mn, U, Pb, Sn, K, Al, 
Na) и примерно 19 % оксида кремния обнаружил в нем наличие 58 % 
оксида неизвестного металла. Берцелиусу Й. без значительных усилий удалось выделить основной компонент минерала. Исследовав выделенный оксид или, как тогда называли, «землю», шведский химик 
убедился, что это оксид нового элемента, к которому и перешло название «торий». В дополнение, он дал имя «торит» минералу, из которого был получен оксид тория. Помимо тория он содержал достаточно большое количество урана, так что его формула в настоящее время 
записывается как (Th, U)SiO4. 

Получить чистый металлический торий Й. Берцелиусу не удалось. 

Он пробовал восстанавливать калием и натрием простые и двойные 
фториды нового элемента и даже получил серый металлоподобный порошок, сильно загрязненный примесями. Относительно чистый металл 
был получен лишь в 1882 г. другим известным шведским химиком — 
первооткрывателем скандия Ларсом Фредериком Нильсоном. Способ 

1. История открытия тория и его место в периодической системе элементов 

получения тория высокой чистоты, основанный на термическом разложении тетраиодида тория, был предложен голландскими химиками 
Антоном ван Аркелем и Яном де Буром в 1925 г. Сейчас этот процесс 
известен как метод иодидного рафинирования тория.

Еще одно важное событие в истории тория 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 
радиоактивностью тория обусловлена ограниченность его использования в различных областях техники. Вместе с тем, на радиоактивных 
свойствах тория основан метод ядерной геохронологии для определения последовательности осуществления геологических событий.

Наибольший потенциал тория связан с возможностью его исполь
зования в атомной энергетике как сырья для получения первичного 
ядерного горючего. Под действием тепловых нейтронов торий может 
превращаться в делящийся материал — 233U, в результате расщепления 
которого выделяется большое количество энергии и образуются дополнительные нейтроны. Последние, при соответствующей организации 
процесса, могут быть использованы для воспроизводства 233U. Таким 
образом реализуется ториевый ядерно-топливный цикл (Г. Т. Сиборг, 
Л. Кацин). Если в качестве начальной топливной загрузки используют 
обогащенный уран, то такой ЯТЦ называют торий-урановым, а в случае инициирования реакции деления с помощью плутония — торийплутониевым. Существуют варианты организации и торий-уран-плутониевого ЯТЦ.

Дискуссионным вопросом на протяжении долгого времени являлось 

положение тория в Периодической системе элементов (ПСЭ). Так, 
Дмитрий Иванович Менделеев относил его к группе «церитов», т. е. 
к редкоземельным элементам, с которыми торий имеет много общего 
и сопровождает их в природе. Действительно, ион тория близок по химическим свойствам к иону четырехвалентного церия. Минералы РЗЭ 
почти всегда содержат торий и даже служат источником его получения. 
Однако впоследствии из-за схожести химических свойств циркония, 
гафния и тория последний обычно относили к 4-й побочной группе 
Периодической системы. В начале XX в. торий в Периодической системе обычно располагали на месте резерфордия. Действительно, в вод- 
ных растворах торий известен в одной степени окисления — «+4».

1. История открытия тория и его место в периодической системе элементов  

И только в 1945 г. благодаря развитию атомной физики, а также 

химии и технологии тория, урана и трансурановых элементов американский химик и физик-ядерщик Гленн Теодор Сиборг публично 
сформулировал гипотезу о создании в Периодической системе новой переходной группы элементов — актиноидов (актинидов), подобной группе лантаноидов, в которой заполняется 5f-электронная 
орбиталь. К числу элементов этой группы были отнесены Th, Pa, U 
и трансурановые элементы. Однако у тория 5f-электроны отсутствуют, т. к. из-за близости энергий уровней 5f и 6d-орбитали электрон 
с f-орбитали переходит на d-орбиталь. В результате электронная конфигурация внешних уровней (6d 27s 2) тория аналогична элементам IV 
группы ПСЭ.

2. Применение тория

2. ПРИМЕНЕНИЕ ТОРИЯ

2.1. Неядерные области применения тория

С

оединения тория оказались востребованными после того, как 
в 1886 г. австрийский химик Ауэр фон Вельсбах показал воз
можность их использования в качестве материала пропитки для сеток или, так называемых мантий, газокалильных ламп. В конце XIX в. 
газовое освещение было распространено больше, чем электрическое.  
А. фон Вельсбах обнаружил, что при введении в газовое пламя некоторых редкоземельных оксидов или оксида тория интенсивность 
светового излучения многократно возрастает. Эта эмиссия связана 
с процессом возбуждения видимого спектра под действием тепла и ультрафиолетового излучения. Хотя чистый оксид церия преобразует 
ультрафиолетовый поток сгорающего газа в видимый свет более эффективно, чем ThO2, на практике он не используется, потому что при 
применении CeO2 большая доля света испускается в ИК-области спектра, следствием чего является «охлаждение» газового пламени. В результате возбуждение оксида церия дает температуру газа пламени равную 1500 °C, в то время как при использовании оксида тория возможно 
достичь 1930 °C. В 1893 г. А. фон Вельсбах запатентовал обладающую 
повышенной световой эффективностью газокалильную мантию, состоящую из 99 % ThO2 и 1 % CeO2. На важность технологии по производству газокалильных сеток указывает тот факт, что в начале ХХ в. 
производство колпачков описанной конструкции составляло около 
300 млн штук. Поскольку каждая мантия содержала примерно 0,5 г оксида тория, можно рассчитать, что общемировое производство нитрата 
тория, которым пропитывали хлопковые сетки, превышало 300 т/год.

Однако в первой половине XX в. газовое освещение стало вытес
няться электрическим и потребность в тории значительно сократилась. Тем не менее, в последние годы газокалильные сетки вновь «вернулись к жизни». Для тех, кто длительно работает в полевых условиях, 
в экспедициях, а также для туристов выпускают газовые баллончики 

2.1. Неядерные области применения тория

с прикрепленной горелкой, в верхней части которой располагают газокалильный колпачок, экранированный стеклянным или пластиковым плафоном. Подобные источники света намного экономичнее 
электрических светильников такой же яркости, использующих батареи или аккумуляторы. В настоящее время нитратами тория и церия 
пропитывают не хлопок, а искусственную ткань (вискозу или целлюлозу). Затем в ходе ее последующей обработки аммиаком происходит 
закрепление образующихся гидроксидов тория и церия на волокне. 
Органический материал затем выжигают, а оставшуюся легкую сетку 
оксидов погружают в смесь коллодия, эфира, камфоры и касторового 
масла для придания ей прочности при последующей транспортировке. Современные газокалильные сетки позволяют достичь световой 
отдачи пропановых горелок до 3 лм/Вт, что сравнимо с эффективностью малогабаритных электрических ламп накаливания.

Вследствие того, что диоксид тория химически инертен, плавится 

при высокой температуре (3370 °C) и имеет низкую склонность к диссоциации, его можно использовать при производстве огнеупорных изделий. Весьма эффективным оказалось применение тиглей и керамики из ThO2 в вакууме и окислительной атмосфере. Тем не менее, из-за 
относительно невысокой механической стойкости при высоких температурах и значительной растворимости во многих жидких металлах 
тигли из оксида тория большого распространения не получили.

Добавки ThO2 к стеклу позволяли достичь чрезвычайно высоких по
казателей преломления и низкой дисперсии, что использовалось в различных оптических приборах и системах. Однако применение тория 
в этой области в настоящее время также исключено, поскольку оксиды редкоземельных металлов оказывают аналогичное действие и при 
этом не являются излучателями α-частиц.

В середине XX в. торий и его соединения использовали в качестве 

катализатора в химической промышленности (получение жидкого 
топлива, окисление аммиака до HNO3, гидрирование и дегидрирование углеводородов, получение бутилового спирта, бутадиена и т. д.). 
Для этих целей использовали как чистый оксид тория, так и его смеси 
с другими веществами, например, с оксидом алюминия. Металлический торий обладает высокими эмиссионными свойствами, поэтому 
он применялся в газоразрядных и некоторых других типах ламп в качестве электродного материала. Лампы с торийсодержащими электродами имели хорошие электрические характеристики и длительный