Презентация 10 - Томский политехнический университет

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА ХТРЭ
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТОРИЯ
Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение,
нахождение в природе, обогащение ториевых руд
доцент каф. ХТРЭ, к.х.н., Оствальд Р.В.
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТОРИЯ
Торий - элемент III группы таблицы Менделеева,
принадлежащий к актиноидам; тяжёлый
слаборадиоактивный металл.
Впервые торий выделен Й. Берцелиусом
в 1828 году из минерала, позже
получившего название торит
Торий был назван его
первооткрывателем по имени бога
грома Тора в скандинавской
мифологии.

Лекция 1. Физико-химические свойства тория,
применение, нахождение в природе, обогащение
ториевых руд
НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ТОРИЯ
СВОЙСТВА ТОРИЯ
Торий – радиоактивный металл, обладающий
парамагнитными свойствами, серебристого
цвета. В периодической таблице, он
расположен между актинием и протактинием
и ниже церия
Измеренные свойства тория широко варьируют в зависимости от
количества примесей, как правило диоксида торий. Самые чистые
образцы обычно содержат около десятой доли процента диоксида.
Торий мягкий металл сопоставимый с оловом и скандием. Твердость
тория аналогична мягкой стали. Чистый торий может быть свернут в виде
листов и вытянут в проволоку.
Ниже температуры 1,40 K торий проявляет свойства сверхпроводника.
СВОЙСТВА ТОРИЯ
Среди актиноидов, торий имеет самую высокую температуру плавления
и практически самую низкую плотность (уступает только актинию).
Атомная масса, а.е.м.
232,03806
Температура
кипения, °С
4787
Электронная
конфигурация
[Rn] 6d2 7s2
Структура решетки
Кубическая
гранецентрированная
Степени окисления
4+ (3+, 2+, 1+)
Изотопы Тория
Th232, Th227, Th228,
Th230, Th231, Th234
Плотность
(при н. у.), г/см³
11,78
Температура
плавления, °С
1755
Сечение захвата
нейтронов для
Th232, барн/атом
7,4
Ϭ(U238)=2,7
СВОЙСТВА ТОРИЯ
Природный торий радиоактивен,
наряду с ураном тория является
родоначальником собственного
радиоактивного семейства
(трансториевых элементов)
Период полураспада природного
тория составляет 1,39·1010 лет
В семействе тория имеются
короткоживущие изотопы 83Bi212
и 81Tl208 , обладающие жёстким
β- и γ-излучением

Лекция 1. Физико-химические свойства тория,
применение, нахождение в природе, обогащение
ториевых руд
ПРИМЕНЕНИЕ ТОРИЯ
ПРИМЕНЕНИЕ ТОРИЯ

Атомная энергетика

Электровакуумная техника

Металлургия

Производство огнеупорных материалов
АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
В атомной отрасли торий применяется как источник получения
вторичного ядерного топлива, U233
232 +
90Th
1
0n
(γ) → 90Th233 (β) → 91Pa233 (β) → 92U233
Нейтроны, для реакции,
образуются при расщеплении
специально введённого
обогащённого урана, либо
плутония. После отделения
U233 и других продуктов
реакции регенерированный
торий возвращают в цикл
АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Стратегия развития ядерной энергетики как в России, так и за рубежом,
предусматривает введение ядерного топливного цикла на основе тория
(так называемого «смешанного топливного цикла») с использованием
природных урана и тория, урана-235, искусственных плутония-239 и
урана-233 в реакторах на тепловых и быстрых нейтронах.
И если учесть, что запасы тория в земной коре значительно превосходят
запасы урана, то открываются широкие перспективы использования его
в атомной технике.
К основным недостаткам металлического тория как реакторного
материала относятся необходимость добавления к нему обогащённого
ядерного горючего (U235, Рu239) и необходимость надёжной
биологической защиты при работе с торием.
АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Ториевый ядерный двигатель
Прототип автомобиля создан в 2009 году
компанией Cadillac
Компания Laser Power Systems
разработала лазер высокой тепловой
энергии на тории. Теплота лазера
нагревает теплоноситель, который
приводит в движение турбины
Вес 230 кг, мощность 250 кВт,
1 г Th эквивалентен 7500 литрам бензина
8 г Th хватает на 500 000 км пробега
ЭЛЕКТРОВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА
Вследствие высокой электронной эмиссии и сравнительно малой
работы выхода электронов металлический торий используется как
электродный материал в газоразрядных и некоторых других типов
лампах, которые имеют хорошие электрические характеристики и
большой срок службы
В электровакуумной технике для некоторых типов магнетронов
применяются ториевооксидные катоды, работающие при температурах
(1400 - 1800) °С
Электроды из торированного вольфрама (ThO2≈0,8-1%) обладают
меньшей работой выхода электронов и большей эффективностью по
сравнению с чистым вольфрамом
Ксеноновые дуговые лампы имеют торированные электроды
МЕТАЛЛУРГИЯ
Металлический торий считается перспективной легирующей добавкой
в жаропрочные сплавы
Использование небольших добавок тория улучшает свойства
железных, никелевых, алюминиево-магниевых и других сплавов
Эти сплавы благодаря небольшой плотности, значительной прочности,
высокой температуре плавления и хорошей пластичности широко
применяются в авиационной промышленности
ОГНЕУПОРНЫЙ МАТЕРИАЛЫ
Диоксид тория химически инертен, плавится при высокой температуре
(3220 °С), имеет низкую упругость диссоциации
Возможно его использование в производстве огнеупорных изделий,
наиболее перспективно использование в вакууме и окислительной
атмосфере
Однако сравнительно высокий коэффициент термического расширения
и малая теплопроводность диоксида обусловливают относительно
невысокую механическую прочность изделий при изменении
температуры, что ограничивает масштабы применения огнеупоров на
его основе
Возможно применение диоксида тория в качестве элемента
сопротивления в высокотемпературных электропечах (до 2000 °С)

Лекция 1. Физико-химические свойства тория,
применение, нахождение в природе, обогащение
ториевых руд
НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ
ТОРИЙ В ПРИРОДЕ
По распространенности торий занимает
35 место. Кларк тория составляет
0,8·10-3, его содержание в земной коре
больше, чем сурьмы, висмута, ртути,
молибдена или серебра и примерно в
пять раз больше, чем урана
В свободном состоянии торий не
встречается, образует соединения с
другими элементами: оксиды, силикаты,
фосфаты, карбонаты и фториды.
В связи с большой склонностью тория к изоморфизму, в большинстве его
минералов присутствуют U, РЗЭ, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta и др.
Торий концентрируется в верхних гранитных слоях литосферы. Кислые
изверженные породы (граниты, базальты, диариты) содержат в среднем
1,8·10-3 % масс, тория (встречаются породы и со значительно меньшим
содержанием - до (0,02- 0,03) · 10-3 %). Содержание тория в осадочных
породах оценивается величиной 0,3 · 10-3 % масс
ТОРИЙ В ПРИРОДЕ
Торий входит в состав около 100 минералов, большинство содержат и
уран. Собственно ториевых минералов менее десяти
Все они относятся к группе устойчивых в химическом отношении
компонентов кислых и щелочных магматических горных пород и
пегматитов
Минералы тория в природе ассоциируют с минералами редких земель и
урана, а также с минералами циркония, титана, ниобия и тантала, олова
и других элементов
Важнейшими промышленными минералами тория являются



монацит,
торит,
торианит (ураноторианит)
МОНАЦИТ
(Се, La, Th)PO4
содержит от 3,5 до 10 % ТhO2
и от сотых долей до 1 % UO2.
Сумма оксидов РЗЭ в монаците
в пределах от 55 до 68 % масс.;
иттрий и элементы его подгруппы
присутствуют до (3 - 5) %.
Содержание фосфора в пересчёте на оксид
изменяется от 18,4 до 31,5 % масс.
Плотность монацита колеблется в пределах
от 4,9 до 5,5 т/м3,
твёрдость - от 5 до 5,5 по шкале Мооса.
Цвет минерала изменяется от светло-жёлтого до красно-бурого, но встречаются
разновидности другой окраски (зеленоватые, коричневатые, чёрные) и почти
бесцветные.
Минерал умеренно парамагнитен. Это свойство монацита широко используется
в обогатительной практике при электромагнитной сепарации тяжёлых
минералов.
ТОРИТ
ThSiO4
содержит до 77 % ТhO2
Практически все ториты имеют в своем
составе уран, железо, редкие земли
и радиогенный свинец. В небольших
количествах в торите присутствуют кальций,
магний, фосфор, титан, тантал, цирконий, олово.
Разновидность торита: уранторианит,
содержащий от 5 до 20 % урана;
ферриторит (железистая разновидность,
содержащая до 14% Fе2Oз); гидроторит
ThSiO4·4H2O и др.
Твёрдость торита (4,5 - 5,5),
Плотность (4 - 5,4) до 6,7 т/м3.
Цвет минерала от оранжево-жёлтого (оранжит) до чёрного.
В промышленных количествах торит встречается главным образом в жильных
месторождениях, генетически связанных со щелочными изверженными
породами, а также как попутный компонент в некоторых россыпях, в частности оловянных.
ТОРИАНИТ
(Th,U)O2
содержит от 45 до 93 % ТhO2 и до 50 % UO2.
Изоморфен с уранинитом. К разновидностям
торианита относятся ураноториацит,
содержащий до 50 % UO2 и алданит, в составе
которого (15 - 20) % UO2. Клевеит и бреггерит,
являющиеся разновидностями уранинита,
содержат от 3 до 14 % ТhO2. В состав торианита
и его разновидностей, кроме тория и урана,
входят редкоземельные элементы до (8-13)%
и радиогенный свинец (до 13 %).
Кроме того, в нём присутствуют примеси
железа и циркония.
Плотность торианита составляет (8,9 - 9,9) т/м3, твердость - (6 - 7,5). Цвет
торианита изменяется от тёмно-серого до коричнево-чёрного и чёрного.
Распространён торианит значительно меньше, чем монацит и торит. Он
встречается в пегматитах, связанных с гранитами и сиенитами, иногда в
карбонатитах и россыпях.
ТОРИЙ В ПРИРОДЕ
Горнорудная ториевая промышленность базируется примерно на 80 % на
монацитовых рудах, добыча которых из россыпных месторождений
сравнительно проста и производительна.
Разведанные достоверные запасы монацита в прибрежно-морских и
элювиальных россыпях составляют примерно 8 млн. т или в пересчёте на оксид
тория около 670 тыс. т. Вероятные запасы оцениваются величиной 2250 тыс. т
тория.
Давно известны крупнейшие мировые провинции богатых монацит-содержащих
комплексных прибрежно-морских месторождений Индии (Южное побережье) и
Бразилии (штаты восточного побережья).
Примерно до 1913 г. главным поставщиком монацита была Бразилия. Позже на
первые роли вышла Индия. Затем роли Индии и Бразилии примерно
выровнялись, но обе эти страны уступили первенство в добыче монацита США и
ЮАР.
Примерно такое положение сохраняется и до настоящего времени. В ЮАР,
кроме прибрежно-морских россыпей, разрабатываются коренные руды,
содержащие монацит.
ТОРИЙ В ПРИРОДЕ
Среднее содержание монацита в россыпях составляет около (0,5-1)%. Минимальное содержание
в рудах разрабатываемых месторождений составляет 0,04 %, а максимальное - до (25 - 30) %.
При крупной механизированной добыче и обогащении, например, в штате Айдахо (США),
разрабатывают россыпи с содержанием монацита всего 0,004 %. При небольших масштабах
добычи в США промышленными считаются россыпи с содержанием монацита не менее 0,6 %.
В Бразилии разрабатывают элювиальные россыпи с содержанием монацита от 0,25 до 1,5 % и
морские россыпи с содержанием от 0,2 до 2 %. В Нигерии добывают монацит из россыпей, в
которых содержание его достигает 6 %.
А на Цейлоне разрабатывают россыпи с содержанием монацита всего (0,3 - 0,4) %. В Индии
промышленные россыпи содержат от 0,5 до 3 % монацита. Руды коренного месторождения
Стинкемпс - Краал (ЮАР) содержат монацита до (25 - 30) %, что составляет исключение и не
характерно для монацитсодержащих месторождений.

Лекция 1. Физико-химические свойства тория,
применение, нахождение в природе, обогащение
ториевых руд
ОБОГАЩЕНИЕ МОНАЦИТОВЫХ ПЕСКОВ
ОБОГАЩЕНИЕ МОНАЦИТОВЫХ ПЕСКОВ
Первоначальной черновой концентрат поступает на грохот, работающий в замкнутом цикле со стержневой
мельницей. Подрешетный продукт крупностью – 1,6 мм направляется в реечный классификатор, в слив
уходит кварц крупностью – 0,2 мм, направляемый в отвал. Мокрые пески классификатора подвергаются
магнитной сепарации на электромагнитных сеператорах.
Монацит, танталито-колумбит, эвксенит - среднепарамагнитные минералы, ильменит и магнетит Fe3O4 сильнопарамагнитные, а циркон, рутил,
бадцелеит и минералы пустой породы (топаз, полевой
шпат, кварц) - немагнитные. При пропускании концентрата
через сепараторы различной электромагнитной интенсивности
происходит разделение его по магнитной восприимчивости
на три вида:
 продукт слабого магнитного поля: магнетит, ильменит;
 продукт сильного магнитного поля: монацит,
танталито-колумбит, эвксенит;
 немагнитные продукты: циркон, рутил, бадцелеит и
минералы пустой породы.
Коллективный эвксенит-монацит-колумбитовый концентрат
после сушки разделяется на монацитовую и
эвксенит-колумбитовую фракции в электростатических
сепараторах. Принцип электростатического разделения
основан на различии электропроводности минералов.
Различают две основные группы:
 проводящие: магнетит, гематит, танталито-колумбит,
ильменит, рутил, бадцелеит и минералы пустой породы;
 не проводящие: монацит, циркон.
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА ХТРЭ
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТОРИЯ
Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение,
нахождение в природе, обогащение ториевых руд
доцент каф. ХТРЭ, к.х.н., Оствальд Р.В.