Torium-ydinpolttoainekierto
Toriumin (Th) käyttö ydinenergiatekniikassa perustuu torium-ydinpolttoainekiertoon. Torium ydinpolttoainekierrossa luonnollista Th-isotooppia pommitetaan neutroneilla, jolloin Th muuttuu Th:ksi neutronikaappauksen eli absorption seurauksena. Tämän jälkeen Th muuttuu protaktinium-233:ksi beetahajoamisen seurauksena. Pa muuttuu uraanin isotoopiksi U:ksi myös beetahajoamisen seurauksena. Näin syntynyt U on fissiili kuten luonnossakin esiintyvä ja ydinenergiatekniikassa perinteisesti käytettävä U. U:ta pommitettaessa neutroneilla se hajoaa eli fissioituu tytärnuklideiksi vapauttaen energiaa. U hajotessa vapautuu keskimäärin yli 2 neutronia, minkä ansiosta ydinpolttoainekierto voi jatkua. Toinen neutroneista toimii uuden fissiilin polttoaineen tuottamisessa ja toinen neutroneista toimii uuden U fission aiheuttajana.
Torium on yleinen luonnossa. Toriumin yleisin luonnossa esiintyvä isotooppi Th on suunnilleen yhtä yleinen kuin lyijy (Pb) eli huomattavasti yleisempi kuin esim. uraanin tärkein isotooppi U, joka on suunnilleen yhtä yleinen kuin hopea (Ag). Torium on jakautunut melko tasaisesti kaikkialle maan kuoreen. Toriumia voidaan tuottaa esimerkiksi monatsiittimalmista. Koska toriumilla ei vielä ole laajoja käyttösovelluksia energiatekniikassa, on sitä usein käsitelty vain haitallisena radioaktiivisena sivutuotteena.
Torium (Th) ydinpolttoainekiertoa voidaan soveltaa sulasuolareaktorissa. Sulasuolareaktori on tyypiltään hyötöreaktori, eli se tuottaa fissiilin ydinpolttoaineen toisesta epäfissiilistä, mutta fertiilistä aineesta. Tässä tapauksessa Th-232 nuklideista tuotetaan U-233 nuklideja, jotka sitten osallistuvat fissioon. Toisin kuin perinteisessä kevytvesireaktorissa, polttoaine ei ole kiinteässä muodossa (polttoainesauvat) vaan polttoaine on nestemäisessä muodossa (sulanut suola LiF-BeF-ThF). Neste on erittäin kuumaa ja juoksevaa, mikä tuo niin haasteita kuin hyötyjäkin teknisen rakenteen kannalta. Esimerkiksi neste voidaan nopeasti valuttaa reaktorista säiliöön hätätilanteessa, eikä valuttamiseen tarvita sähkökäyttöistä pumppua. Polttoainetta voidaan lisätä, huoltaa ja vaihtaa ilman reaktorin alasajoa.
Reaktori koostuu kahdesta pääosasta "sydän" ja "huopa". Reaktorin sydämessä tapahtuu fissio ja syntyy vapaita neutroneja. Huovassa, joka kulkee sydämen lähellä, kiertää fertiili polttoaine ja se absorboi fissiossa syntyneitä vapaita neutroneja. Toriumin beetahajoaminen uraaniksi kestää keskimäärin 27 päivää, joten fertiili polttoaine siirretään "hautumaan" pois huovasta, ennen kuin se ohjataan takaisin sydämeen. Sydämestä kuumentunut nestemäinen polttoaine ohjataan lämmönvaihtimeen, josta lämpöenergia voidaan muuttaa mekaaniseksi energiaksi esimerkiksi kaasuturbiinin (hiilidioksidi, CO2) avulla ja edelleen sähköenergiaksi. Koska lämpötilat ovat korkeammat kuin kevytvesireaktorissa, voidaan välittäjäaineena soveltaa superkriittistä hiilidioksidia höyryn sijaan, jolloin saavutetaan parempi, jopa 50 % hyötysuhde turbiineissa. Hyötysuhdetta voi entisestään parantaa välttämällä energiakonversio, eli hyödyntämällä lämpöenergia suoraan. Lämpöenergiaa voidaan hyödyntää esimerkiksi kaupungin keskuslämmityksessä, kemiallisten prosessien mahdollistamisessa (kuten ammoniakin ja vedyn valmistamisessa) sekä esimerkiksi juomaveden valmistamisessa tislaamalla merivedestä. Ammoniakki (NH) ja vety (H) mahdollistaisivat hiilettömän nestemäisen kemiallisen polttoaineen käytön ajoneuvoissa. Ammoniakki ja vety palavat puhtaasti vesihöyryksi (HO) ja typeksi (N, 99 % ilmakehästä).
Reaktorissa syntyy fission seurauksena fissiotuotteita, jotka voidaan poistaa polttoainehuollon yhteydessä ilman reaktorin alasajoa. Jotkut lyhytikäiset hyödylliset isotoopit, kuten molybdeeni-99 (puoliintumisaika 3 päivää) voidaan ottaa nopeasti talteen reaktorista.Toriumia ei voida käyttää nykyisissä, yleisesti käytössä olevissa, uraanin käyttöön perustuvissa, kevytvesireaktoreissa. Siirtyminen toriumin käyttöön vaatisi toisenlaisia uuden sukupolven reaktoreita ja sen myötä myös suuria investointeja – niin tutkimuksen kuin toteutuksenkin osalta. Torium-vaihtoehtoa ydinenergiatekniikassa on historiallisista ja poliittisista syistä tutkittu ja toteutettu huomattavasti vähemmän kuin uraani-vaihtoehtoa .
Toriumilla toimiva sulasuolareaktori ei tuota toimintansa sivutuotteena lainkaan ydinaseteollisuuteen soveltuvaa plutoniumia, eikä väkevöintiprosessin sivutuotteina synny valtavia määriä köyhdytettyä uraania, sillä isotooppirikastusta ei tarvita. Tämä fakta vaikutti erityisesti ydinenergiateknologian kehityksessä kohti uraani-lähtöisiä voimaloita toriumpohjaisten sijaan. Asiaan vaikutti historiallisesti luonnollisesti myös kylmä sota ja varustelukilpailu itä- ja länsiblokin välillä. Edes nykypäivänä teknologisesti kehittyneet maat eivät edelleenkään aktiivisesti panosta torium-pohjaisen energiateknologian kehittämiseen ainakin teknisten vaikeuksien, muutos- ja kehitystarpeen, investointiriskien ja -kulujen sekä aseteollisuuteen sopimattomuuden vuoksi.
Torium on niin yleinen maan kuoressa, että minkään korporaation tai valtion olisi vaikeaa monopolisoida sitä. Toriumin käyttö ei vaadi isotooppirikastusta, minkä vain korkeateknologinen valtio voi toteuttaa ja siten ei toriumpohjaisia ydinpolttoainemarkkinoita pystyttäisi monopolisoimaan kuten uraanirikasteilla. Maaöljyä omistavat hiilivetyviejämaat sekä hiilivetykauppaa dollareissa käyvät valtiot ovat kiinnostuneet toriumteknologian kehityksen estämisessä tai eivät ole kiinnostuneita sen kehittämisestä, sillä toriumteknologialla voitaisiin teoriassa tai ajan myötä nestemäiset hiilivetypolttoaineet korvata hiilettömillä polttoaineilla, kuten ammoniakilla ja vedyllä. Vastaavasti hiilivetyjen kysyntä vähenisi ja niiden hinnat laskisivat. Jos näin ollen hiilipäästöjenkin määrä vähenisi, kärsisi myös hiililuottoihin () perustuvan pankki- ja verotusjärjestelmän tulot. Nykyistä uraanin käyttöön perustuvaa ydinenergiaa sekä aseteollisuutta edustavat voimakkaat lobbausryhmät vastustavat tai eivät tue toriumteknologian kehittämistä, sillä ydinasemateriaalin (plutoniumin isotooppi Pu-239) ja köyhdytetyn uraanin (U-238) tuotanto pienenisi ja vastaavasti uraani- ja uraanirikastemarkkinat pienenisivät. Aseteollisuudessa käytetään nykypäivänä suuria määriä köyhdytettyä uraania panssaroinnissa ja ammuksissa. Sitä syntyy huomattavan paljon uraanin isotooppirikastuksen yhteydessä (noin 6,7 kg köyhdytettyä uraania jokaista 4 %-rikasteista kilogrammaa kohti). Voimaloihin, rikastamoihin ja jälleenkäsittelylaitoksiin liittyvän teknologian ja lisenssoinnin kautta tulevat tuotot vähenisivät ja ydintekniikkamarkkinoilla syntyisi kilpailua. Nämä syyt ainakin vaikuttavat negatiivisesti tai jopa poissulkevasti toriumpohjaisen teknologian kehityksessä.
Kevytvesireaktorissa 96 % polttoaineessa olevasta uraanista on ko. reaktorissa ydinreaktioon sopimatonta U-238 isotooppia. Energiantuottoon soveltuvaa U-235 isotooppia on vain 4 % kaikesta uraanista ja pitoisuus laskee käytön aikana 0,7 %:iin, jolloin polttoaine katsotaan käytetyksi. 96 % kevytvesireaktorissa olevasta uraanista ei siis osallistu lainkaan energiantuottoon, mutta altistuu kuitenkin reaktorissa neutronipommitukselle ja siten noin 1 % polttoaineesta muuttuu ydinasekäyttöönkin soveltuvaksi plutoniumiksi (Pu-239). Tämän prosentuaalisen suhteen perusteella voidaan jopa kyseenalaistaa kumpi kevytvesireaktorin lopputuotteista on ns. "sivutuote" - sähköenergia vai ydinasekäyttöön soveltuva plutonium, puhumattakaan siitä, että polttoainetehokkuus on erittäin huono (vain alle 1 % polttoaineesta "palaa" reaktiossa). Kevytvesireaktorin polttoaine on pakattu zirkoniumisiin putkiin. Zirkonium (Zr) voi tietyissä olosuhteissa reagoida veden kanssa niin, että se vapauttaa vedestä vetyä, jolloin vaarana on vety-happi räjähdys.