در چند روز گذشته خبری در برخی خبرگزاری‌های انگلیسی‌زبان منتشر شد با این متن که «زمین‌شناسان در پکن مدعی‌اند که چین منبع انرژی بی‌پایانی را کشف کرده است که می‌تواند سوخت کافی را برای تامین انرژی این کشور برای ۶۰۰۰۰ سال تامین کند»! براساس این خبر، مجتمع معدنی بایان اوبو در منطقه خودمختار مغولستان داخلی در شمال چین، احتمالاً حاوی توریوم کافی است برای تامین انرژی مورد نیاز خانوار‌های چین «تقریباً برای همیشه».
به گزارش هم میهن، این خبر که اولین بار در ساوت‌چاینا‌پست منتشر شد از گزارشی صحبت می‌کند که تخمین می‌زند این مجتمع معدنی در صورت بهره‌برداری کامل می‌تواند یک میلیون تن توریوم تولید کند. این مطالعه ادعا می‌کند که منابع توریوم در ضایعات معدنی این کشور کاملاً دست‌نخورده باقی می‌ماند و اگر این مواد به درستی استخراج شوند، می‌تواند آنقدر کافی باشد تا وابستگی جهان را به سوخت‌های فسیلی پایان دهد.
محققان گزارشی که ساوت چایناپست از آن نقل قول کرده، مدعی هستند ضایعاتی که به مدت ۵ سال از یک سایت سنگ آهن در مغولستان داخلی به دست می‌آید، به قدری توریوم دارد که برای پاسخگویی به نیاز‌های انرژی آمریکا برای بیش از ۱۰۰۰ سال کافی است! این مطالعه ۲۳۳ منطقه غنی از توریوم را در سراسر چین شناسایی کرده و اگر به این گزارش اعتماد شود نشان می‌دهد که ذخایر توریوم در چین به طور قابل توجهی بیشتر از تخمین‌های قبلی است. پیشتر محققان گفته بودند که چین ذخایر توریوم کافی را برای تامین انرژی مورد نیاز خود در ۲۰۰۰۰ سال آینده دارد.
اما توریوم چیست و چرا به‌یکباره دوباره بر صدر اخبار بازگشته است؟
توریوم، انرژی آینده
در سال ۱۸۲۸ میلادی یک شیمیدان سوئدی به نام یونس یاکوب برسلیوس توریوم (Thorium) را کشف کرد و آن را به افتخار نام ثور یا تور (Thor) محبوب‌ترین ایزد در اساطیر اسکاندیناوی، خدای رعد‌وبرق و طوفان و تندر، «توریوم» نامید.
بر اساس گزارش انجمن جهانی هسته‌ای، فراوانی توریوم در دنیا از اورانیوم بیشتر است، اما تنها می‌تواند به عنوان سوخت در کنار مواد شکافت‌پذیر مانند پلوتونیوم بازیافتی استفاده شود. سوخت توریوم می‌تواند اورانیوم ۲۳۳ شکافت‌پذیر را برای استفاده در انواع مختلف راکتور‌های هسته‌ای بارور کند و راکتور‌های نمک مذاب مناسب‌ترین راکتور‌ها برای سوخت توریوم هستند.
استفاده از توریوم به عنوان یک منبع انرژی اولیه مقرون به صرفه چالشی برای تامین‌کنندگان منابع انرژی است و به سرمایه‌گذاری قابل توجه در بخش تحقیق و توسعه نیاز دارد. استخراج این ماده به‌ویژه در چین و اندکی هم در ایالات متحده انجام می‌شود.
به‌طور خلاصه، فراوانی توریوم تقریباً سه برابر اورانیوم است. آژانس بین‌المللی انرژی اتمی می‌گوید خاک پوسته زمین به طور متوسط حاوی حدود ۱۰/۵ قسمت در میلیون (ppm) توریوم است. توریوم بسیار نامحلول است، به همین دلیل است که برخلاف اورانیوم در ماسه‌ها زیاد یافت می‌شود در آب دریا نه. فراوانی اورانیوم در خاک تنها ۳ پی‌پی‌ام است.
توریوم در طبیعت به شکل ایزوتوپ Th-۲۳۲ وجود دارد که بسیار آهسته تجزیه می‌شود و نیمه عمر آن حدود سه برابر سن زمین است. این ماده در نهایت به سرب-۲۰۸ تجزیه می‌شود. اکسید توریوم ThO۲ نسبتاً بی‌اثر است و برخلاف UO۲ زیاد اکسیده نمی‌شود. رسانایی حرارتی بالاتر و انبساط حرارتی کمتری نسبت به UO۲ دارد و نقطه ذوب آن بسیار بالاتر است. در سوخت هسته‌ای، انتشار گاز شکافت آن بسیار کمتر از UO۲ است.
معمول‌ترین منبع توریوم، ماده معدنی فسفات خاکی کمیاب، مونازیت است؛ منابع جهانی مونازیت حدود ۱۶ میلیون تن تخمین زده می‌شود و ۱۲ میلیون تن آن در ذخایر ماسه‌های معدنی سنگین در سواحل جنوبی و شرقی هند وجود دارند. ذخایر بزرگ رگه‌ای از توریوم و فلزات خاکی کمیاب هم در آیداهو کشف شده‌اند.
گزارش مشترک آژانس بین‌المللی انرژی اتمی (IAEA) و آژانس انرژی هسته‌ای سازمان همکاری و توسعه اقتصادی (NEA) در سال ۲۰۱۶، منابع شناخته‌شده و برآورد شده این ماده را معادل ۶/۲ میلیون تن می‌داند. همین گزارش کشور‌های هند، برزیل، استرالیا، ایالات متحده، مصر، ترکیه، ونزوئلا، کانادا، روسیه، آفریقای جنوبی و چین را به ترتیب بزرگترین دارندگان منابع توریوم جهان معرفی می‌کند. (در این گزارش نام ایران هم در میان دارندگان منابع توریوم آمده ذکر شده، اما تاکید شده است که داده‌ها درباره ایران به‌روز نشده است). ایالات متحده به تنهایی حدود ۴۳۴۰۰۰ تن ذخایر توریوم دارد.
توریوم همراه با اورانیوم استخراج می‌شود، بنابراین تخمین ذخایر توریوم بر اساس محتوای اورانیوم انجام می‌شود. در سال ۲۰۱۵ مطالعه‌ای نشان داد که اگر توریوم محصول جانبی مستقیم استخراج شن و ماسه معدنی سنگین باشد نسبت به زمانی که توریوم از بازیابی پسماند به دست می‌آید هزینه‌های بازیافت بالاتری دارد.
کارشناسان بر این باورند که بر اساس ملاحظاتی، چون در دسترس بودن منابع در سطح جهانی و ارزیابی‌های اقتصادی، توریوم یک سوخت هسته‌ای آینده‌نگر است؛ از سویی چرخه سوخت توریوم-اورانیوم رویکردی است که می‌تواند تامین طولانی‌مدت سوخت هسته‌ای را تضمین کند و در راکتور‌های نمک مذاب مدولار کوچک پیاده‌سازی شود.
توریوم به خودی خود شکافت‌پذیر نیست، به این معنی که نمی‌توان از آن برای شکافت استفاده کرد، اما می‌تواند زمینه را برای واکنش شکافت فراهم کند. به این معنی که وقتی توریوم با نوترون بمباران شود می‌تواند به اورانیوم ۲۳۳ تبدیل شود. توریوم در یک راکتور نمک مذاب، با ماده شیمیایی به نام فلوراید لیتیوم مخلوط شده و تا حدود ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شود.
این مخلوط بعد با نوترون بمباران می‌شود تا زمانی که مقداری از توریوم شروع به تبدیل شدن به اورانیوم ۲۳۲ کند و بعد در یک واکنش شکافت تجزیه می‌شود. با تجزیه، این اورانیوم نوترون‌های بیشتری تولید می‌شود که توریوم اضافی را به سوخت تبدیل می‌کند. در تئوری، این نوع طراحی راکتور می‌تواند یک عنصر بسیار فراوان در طبیعت را به یک منبع تقریباً بی‌حد و حصر برق تبدیل کند.
تحقیقی در سال ۲۰۱۹ نشان داد که با این چرخه‌های سوخت، سهم انرژی توریوم در حالت یکبار مصرف با ۳۷/۶ درصد آغاز شده و پس از چند سال با اجرای حالت بازفرآوری بچ (بسته) به ۴۷/۴ درصد می‌رسد. پس از چند دههْ سوخت از اورانیوم با غنای پایین به ۲۳۳U با حالت بازفرآوری آنلاین تغییر می‌کند که در آن سهم انرژی توریوم می‌تواند به ۸۹/۱ درصد برسد.
بر اساس گزارش آژانس بین‌المللی انرژی اتمی، راکتور‌های مورد استفاده در چرخه سوخت توریوم عبارتند از راکتور آب تحت فشار PWR، راکتور کانادا دوتریوم اورانیوم CANDU، رآکتور انرژی آبی-آبی VVERT، راکتور‌های نوع خنک‌کننده گازی با دمای بالا HTGR، راکتور جریان FR، راکتور آب سنگین تحت فشار HWR و راکتور زیر بحرانی شتاب‌دهنده ADS.
محققان می‌گویند اگر تمام تولید انرژی هسته‌ای فعلی از اورانیوم به توریوم تغییر کند، بازیافت این عنصر از محصول جانبی و با فرض عدم پردازش مجدد تا ۱۲ برابر مقدار توریوم مورد نیاز را تامین می‌کند و در صورت اجرای چرخه سوخت بازفرآوری تا ۲۵۰ برابر.
از همه مهمتر اینکه راکتور‌های با سوخت توریوم نسبت به همتایان اورانیومی خود سازگارتر هستند با محیط زیست. یک دلیلش این است که گاز‌های گلخانه‌ای منتشر نمی‌کنند و زباله‌های هسته‌ای تولیدی آن با عمر طولانی کمتر است از راکتور‌های امروزی با سوخت اورانیوم. اما مهمترین دلیل این است که چرخه توریوم «یک بار عبور» همچنان به اورانیوم یا پلوتونیوم غنی‌شده به‌عنوان آغازگر بذر نیاز دارد، اما چرخه سوخت بسته چنین نیازی ندارد، به علاوه اگر استخراج اورانیوم کاهش یابد، توریوم تولیدی فعالیت‌های استخراج تیتانیوم سوختی بیش از حد نیاز را تامین خواهد کرد.
تمام این موارد گفته شده، مزایای زیست‌محیطی بسیاری هم به همراه دارد از جمله عدم نیاز به فعالیت‌های معدنی جدید و کاهش تعداد رادیونوکلئید‌های پسماندشده. از سویی پردازش شیمیایی برای بازیابی توریوم از نظر الزامات فنی و اقتصادی مانع چالش‌برانگیزی نیست. راکتور‌های نمک مذاب زباله‌های هسته‌ای کمتری تولید می‌کنند و با پایین نگه‌داشتن سطح مواد شکافت‌پذیر، خطر ذوب هسته‌ای از بین می‌رود. حالا چینی‌ها می‌گویند این منبع بی‌پایان انرژی زیر پای ماست.
چین، نظرکرده خدای رعد‌وبرق؟
اگر خبر اول این گزارش درست باشد، می‌توان درک کرد که چرا چین در حال ساخت رآکتور نمک مذاب توریوم است. اما برخلاف هیاهوی این خبر که طوری القا می‌کند که گویی چینی‌ها چیز جدیدی کشف کرده‌اند، این کشور از سال ۲۰۱۳ این پروژه را جزو «پروژه ساخت زیرساخت‌های علمی و فناوری بزرگ ملی» در نظر گرفته است که بخشی از نوآوری‌های چین در فناوری انرژی هسته‌ای است.
اما سابقه این برنامه‌ها باز می‌گردد به سال ۲۰۱۱؛ و شاید هم خیلی عقب‌تر و به دهه هفتاد میلادی! چینی‌ها جاه‌طلبی‌های خود را در حوزه ساخت راکتور‌های نمک مذاب از سال ۱۹۷۰ آغاز کردند و توریوم را هم از همان سال مدنظر داشتند. در سال ۲۰۱۱ برنامه تحقیق و توسعه چین در این حوزه بیش از ۴۴۴ میلیون دلار سرمایه داشت. بر اساس اسنادی که آکادمی علوم چین در سال ۲۰۲۲ منتشر کرد این پروژه آزمایشی بخشی از برنامه‌های بزرگتر برای توسعه راکتور‌های کوچک مدولار نمک مذاب توریم است برای استفاده از چرخه سوخت بسته این ماده. پس از نیم قرن وقفه، توریوم به عنوان منبع سوخت به خط مقدم تحقیقات انرژی هسته‌ای به چین بازگشت.
اما در ژوئن ۲۰۲۳ بود که بالاخره سازمان ایمنی هسته‌ای چین مجوز افتتاح راکتور توریوم این کشور را صادر کرد و در اوت ۲۰۲۴، چین تبدیل به اولین کشوری در جهان شد که از آخرین نسل فناوری انرژی هسته‌ای استفاده کرد و یک نیروگاه با دو راکتور جدید توریوم در استان شرقی شاندونگ فعالیت تجاری خود را آغاز کرد. چین قصد دارد در سال ۲۰۲۵، ساخت یک راکتور نمک مذاب مبتنی بر توریوم را در صحرای گوبی آغاز کند.
چهاردهمین برنامه پنج‌ساله توسعه اقتصادی چین دربرگیرنده برنامه‌های دولت برای نصب حداقل ۷۰ گیگاوات ظرفیت تولید برق هسته‌ای تا سال ۲۰۲۵ است. بخشی از این طرح‌ها در حال بهره‌برداری است و واحد‌های ۵ و ۶، یا فاز دوم، نیروگاه هسته‌ای هونگیانه در سال گذشته وارد خط تولید شد. شش واحد هونگیانه در مجموع ۶/۷۱ گیگاوات ظرفیت تولید برق دارد و آن را به بزرگترین نیروگاه هسته‌ای چین تبدیل می‌کند.
بر اساس گزارشی که آکادمی علوم چین در ماه اکتبر منتشر کرد، پروژه راکتور ۱۰ مگاواتی که توسط موسسه فیزیک کاربردی این آکادمی اداره می‌شود، قرار است تا سال ۲۰۳۰ عملیاتی شود. این پروژه دنباله نسخه آزمایشی ۲ مگاواتی است که در سال ۲۰۲۱ تکمیل شد و از آن زمان تاکنون عملیاتی شده است.
تلاش‌های چین این کشور را در خط مقدم تولید سوخت مبتنی بر توریوم و راکتور‌های نمک مذاب قرار داده است. چند شرکت هم در دیگر نقاط جهان در حال توسعه طرح‌هایی برای این نوع سوخت یا راکتور هستند، اما هیچ‌یک هنوز هیچ‌کدام از آنها را راه‌اندازی نکرده است. قبل از پروژه آزمایشی چین، آخرین راکتور نمک مذاب فعال، آزمایش راکتور نمک مذاب آزمایشگاه ملی اوک ریج تنسی بود که بر روی اورانیوم کار می‌کرد. این رآکتور در سال ۱۹۶۹ تعطیل شد و هزینه‌های پاکسازی آن هم ۱۳۰ میلیون دلار برآورد شد.
جذابیت توریوم در این است که این قابلیت را دارد که به‌ویژه برای کشور‌هایی مانند هند با ذخایر عظیم توریوم با کاهش وابستگی به اورانیوم به خودکفایی انرژی کمک کند. اما چین احتمالاً این ماده را به روش دیگری تامین خواهد کرد: این عنصر محصول زائد صنعت عظیم معدن فلزات خاکی کمیاب چین است. مهار آن یک منبع عملاً پایان‌ناپذیر سوخت است در دستان چینی‌ها. طبق گزارش خبرگزاری دولتی شین‌هوا، در استان گانسو چین برای تامین انرژی تاسیسات دریایی و هوافضایی این سوخت مد نظر قرار گرفته است.
وب سایت IEEE Spectrum می‌نویسد که جزئیات فنی کمی از این راکتور چین وجود دارد و آکادمی علوم چین به درخواست‌های این سایت برای کسب اطلاعات پاسخ نداده است. گزارش آکادمی علوم چین درباره تأثیرات زیست محیطی این راکتور‌ها نشان می‌دهد که هسته راکتور نمک مذاب ۳ متر ارتفاع و ۲/۸ متر قطر خواهد داشت. این تاسیسات در دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد کار می‌کند و ۶۰ مگاوات حرارت و ۱۰ مگاوات برق تولید خواهد کرد. این نوع راکتور برای خنک کردن نیازی به آب ندارد، زیرا از نمک مایع و دی‌اکسید کربن برای انتقال گرما و تولید برق استفاده می‌کند بنابراین راکتور مورد بحث چین در صحرای گبی ساخته می‌شود.
چالش‌ها
اما استفاده از توریوم با چالش‌های زیادی هم همراه است و موانع اقتصادی و فنی متعددی وجود دارد که استقرار راکتور توریوم را به چالش می‌کشد. یک مشکل بزرگ، مقابله با خطر اشاعه است. وقتی توریوم به اورانیوم ۲۳۳ تبدیل می‌شود، به طور مستقیم در سلاح‌های هسته‌ای قابل استفاده می‌شود. ادوین لیمن، مدیر ایمنی انرژی هسته‌ای در اتحادیه دانشمندان نگران در واشنگتن، می‌گوید: «کیفیت آن قابل مقایسه با پلوتونیوم جدا شده است و بنابراین بسیار خطرناک است.»
علاوه بر این استخراج این فلز در حال حاضر گران است. مارک میهالسکی، کارشناس منابع اورانیوم در آژانس بین‌المللی انرژی اتمی در وب‌سایت این آژانس می‌نویسد که مونازیت معدنی، که منبع اصلی عناصر کمیاب خاکی است، منبع اصلی توریوم نیز هست. بدون تقاضای بیشتر برای عناصر کمیاب خاکی، مونازیت به تنهایی به خاطر محتوای توریوم آن استخراج نمی‌شود. توریوم یک محصول جانبی است و استخراج توریوم به روش‌هایی نیاز دارد که گران‌تر از اورانیوم هستند؛ بنابراین مقدار توریومی که می‌توان به روشی مقرون‌به‌صرفه از زمین بیرون کشید، به اندازه اورانیوم نیست. اما اگر تقاضای بیشتری برای توریوم و کاربرد آن در انرژی هسته‌ای وجود داشته باشد، شاید این واقعیت اقتصادی را تغییر دهد. از طرفی تحقیقات، توسعه و آزمایش تأسیسات هسته‌ای مصرف‌کننده توریوم به همان اندازه پرهزینه است و دلیل آن فقدان تجربه قابل‌توجه و قابل اعتماد در مورد برتری فوق‌العاده توریوم و اورانیوم در انرژی هسته‌ای است.
آنژلیکا خاپرسکایا، سرپرست فنی مهندسی سوخت و تأسیسات چرخه سوخت در آژانس بین‌المللی انرژی اتمی، بر این باور است که «یک مانع دیگر برای توریوم این است که کنترل آن دشوار است». توریوم به عنوان یک ماده بارور و نه شکافت‌پذیر، به یک محرک مانند اورانیوم یا پلوتونیوم نیاز دارد تا ایجاد و حفظ یک واکنش زنجیره‌ای دوام یابد. جهان برای برآوردن تقاضای رو به رشد انرژی و دستیابی به اهداف جهانی اقلیمی، به دنبال فناوری‌های انرژی پایدار و قابل اعتماد جایگزین است. توریوم شاید یکی از این موارد باشد.
میدان رقابت هسته‌ای چین و آمریکا
چین در آرزو‌های توریومی خود تنها نیست. ژاپن، بریتانیا و ایالات متحده و هند هم هرکدام به این سوخت علاقه‌مند هستند. شرکت دانمارکی Copenhagen Atomics قصد دارد یک راکتور نمک مذاب مبتنی بر توریوم ایجاد کند، این پروژه یک پایلوت ۱ مگاواتی دارد که برای سال ۲۰۲۶ برنامه‌ریزی شده است. شرکت Clean Core Thorium Energy در شیکاگو یک توریوم ترکیبی و سوخت اورانیوم غنی شده (شامل اورانیوم با غنای پایین) تولید کرده است که نمی‌توان از آن در سلاح استفاده کرد. این سوخت برای راکتور‌های آب سنگین طراحی شده است.
اما چین قصد دارد بین سال‌های ۲۰۲۰ تا ۲۰۳۵ بیش از ۱۵۰ راکتور هسته‌ای جدید بسازد، از این تعداد ۲۷ راکتور در حال ساخت است، از طرفی میانگین زمان ساخت هر راکتور در چین حدود هفت سال است، بازه زمانی که بسیار سریع‌تر از سایر کشورهاست. همانطور که گفته شد چین عملیات اولین راکتور هسته‌ای نسل چهارم جهان را آغاز کرده است و ادعا می‌کند حدود ۹۰ درصد از فناوری لازم برای آن را توسعه داده است.
این کشور در توسعه و راه‌اندازی راکتور‌های کوچک مدولار هم پیشرو است. به‌طور کلی، تحلیلگران ارزیابی می‌کنند که چین در توانایی خود برای استقرار راکتور‌های هسته‌ای نسل چهارم احتمالاً ۱۰ تا ۱۵ سال جلوتر از ایالات متحده است. بسیاری از فن‌آوری‌های هسته‌ای نسل چهارم سال‌هاست که شناخته‌شده‌اند، اما رویکرد دولت چین در به‌کارگیری آنها بر دیگر کشور‌ها برتری دارد.
تحلیلگران بر این باورند که آمریکا و چین در زمینه تلاش برای توسعه فناوری‌های همجوشی هسته‌ای احتمالاً در یک سطح هستند، اما همین ناظران هشدار می‌دهند که توانایی‌ای که چین در استقرار راکتور‌های شکافت هسته‌ای در مقیاس بالا نشان داده است به این کشور مزیتی بیشتر از دیگر همتایان خود داده است. این ادعا با نگاهی دقیق به انتشارات علمی چینی در مورد انرژی هسته‌ای واضح است و در شاخص H که معیاری است که معمولاً برای اثرگذاری علمی نشریات سنجیده می‌شود، چین رتبه‌های بالایی به دست آورده است.
بر اساس گزارش «بنیاد تکنولوژی و فناوری اطلاعات» از سال ۲۰۰۸ تا ۲۰۲۳، سهم چین از تمام پتنت‌های هسته‌ای از ۱/۳ درصد به ۱۳/۴ درصد افزایش یافته است و این کشور در تعداد درخواست‌های ثبت اختراع گداخت هسته‌ای پیشتاز است. بر اساس همین گزارش تحلیلگران موسسه فناوری ماساچوست، MIT، بر این باورند که چین بالفعل رهبر جهانی در فناوری هسته‌ای است. درواقع چین با ۲۷ راکتور هسته‌ای در دست ساخت خود، بیش از ۲/۵ برابر بیشتر از هر کشور دیگری در این زمینه پیشتاز است. چین در توسعه و استقرار ناوگان جدیدی از راکتور‌های کوچک مدولار مقرون‌به‌صرفه هم پیشرو است.
در دسامبر ۲۰۲۱، چین تبدیل شد به سومین کشوری که راکتور هسته‌ای شناور به نام ACPR۵۰S توسعه داد، راکتوری که برای تحمل یک فاجعه اقلیمی که در هر ۱۰۰۰۰ سال یک بار رخ می‌دهد طراحی شده است.
از طرفی چین در حال ساخت رآکتور‌های سریع نوترونی است، این راکتور‌ها نوع دیگری از راکتور‌های نسل چهارم هستند که در طراحی آن از اورانیوم-۲۳۸ و نیز ایزوتوپ شکافت‌پذیر U-۲۳۵ استفاده شده است. تمامی این پیشرفت‌ها وابسته به تامین اورانیوم از خارج از کشور است. اما بخشی از استراتژی چین برای ساخت انواع مختلف راکتور‌های نسل چهارم، ساخت طرح‌های جدیدی است که به اورانیوم متکی نیست تا این وابستگی کاهش یابد.
چین قصد دارد یک‌سوم اورانیوم خود را در داخل تولید کند، یک‌سوم را از طریق خرید سهام معادن و سرمایه‌گذاری‌های مشترک در خارج از کشور به دست آورد و یک‌سوم را در بازار آزاد خریداری کند. راه‌حل دیگر هم استفاده از توریوم است که می‌تواند این وابستگی چین به اورانیوم را حتی به صفر برساند.