Thorium

Rozbalit box

Obsah boxu

Thorium (chemická značka Th, latinsky Thorium) je slabě radioaktivní kov, chemický prvek patřící mezi aktinoidy. V periodické tabulce se nachází pod protonovým číslem 90. Jedná se o stříbřitě bílý, měkký a kujný kov, který na vzduchu postupně tmavne v důsledku tvorby vrstvy oxidu. Jeho nejstabilnější a prakticky jediný přírodní izotop, ²³²Th, má poločas přeměny přibližně 14,05 miliardy let, což je déle než stáří Vesmíru.

Thorium je významné především pro svůj potenciál jako zdroj jaderné energie v tzv. thoriovém palivovém cyklu. Na rozdíl od uranu není thorium samo o sobě štěpitelné (fissilní), ale je tzv. plodivé (fertilní). Po záchytu neutronu se přeměňuje na štěpitelný izotop uranu ²³³U, který může následně pohánět jaderný reaktor. Tento cyklus nabízí několik potenciálních výhod oproti tradičnímu uran-plutoniovému cyklu, včetně většího výskytu thoria v zemské kůře, produkce menšího množství dlouhožijícího jaderného odpadu a vyšší odolnosti proti zneužití pro výrobu jaderných zbraní.

📜 Historie

🔬 Objev a pojmenování

Thorium bylo objeveno v roce 1828 norským amatérským mineralogem Mortenem Thranem Esmarkem, který na ostrově Løvøya nalezl neznámý černý minerál. Vzorek poslal svému otci, profesoru mineralogie Jensi Esmarkovi, který nedokázal minerál identifikovat a předal jej švédskému chemikovi Jönsi Jacobu Berzeliovi k analýze. Berzelius v minerálu, který později pojmenoval thorit, identifikoval nový prvek.

Prvek pojmenoval thorium na počest Thora, severského boha hromu. Zajímavostí je, že Berzelius již v roce 1815 ohlásil objev nového prvku, který také pojmenoval thorium, ale později se ukázalo, že se jednalo o sloučeninu yttria. Když tedy o 13 let později skutečně objevil nový prvek, použil toto jméno znovu. Kovové thorium v relativně čisté podobě bylo poprvé izolováno až v roce 1914 nizozemskými chemiky Dirkem Lelym Jr. a Lodewijkem Hamburgerem.

💡 Rané využití

První komerční využití thoria přišlo na konci 19. století s vynálezem žárové punčošky, známé jako Auerova punčoška. Carl Auer von Welsbach zjistil, že síťka vyrobená z oxidu thoričitého (ThO₂) s příměsí asi 1 % oxidu ceričitého vydává při zahřátí v plameni plynové lampy intenzivní bílé světlo. Toto využití dominovalo trhu s thoriem až do rozšíření elektrického osvětlení.

Ve 20. století se thorium a jeho sloučeniny začaly používat v dalších oblastech:

Slitiny: Přidávalo se do hořčíkových slitin pro zvýšení jejich pevnosti a odolnosti při vysokých teplotách, což našlo uplatnění v leteckém průmyslu.
Elektronika: Oxid thoričitý se používal na potahování wolframových vláken v elektronkách a žárovkách, protože zlepšoval emisi elektronů.
Optika: Díky vysokému indexu lomu a nízké disperzi se oxid thoričitý používal při výrobě vysoce kvalitních čoček pro fotoaparáty a vědecké přístroje. Tyto čočky jsou dnes známé jako "radioaktivní čočky".
Svařování: Thoriem legované wolframové elektrody (obvykle s 2 % ThO₂) se staly standardem pro svařování metodou TIG, protože usnadňují zapálení oblouku a zvyšují jeho stabilitu.

S rostoucím povědomím o radioaktivitě bylo od používání thoria v mnoha spotřebních produktech postupně upuštěno.

🌍 Výskyt a těžba

Thorium je v zemské kůře poměrně hojně zastoupeno. Jeho průměrná koncentrace se odhaduje na 6 až 10 ppm (parts per million), což znamená, že je přibližně třikrát až čtyřikrát hojnější než uran. Není však nikdy nalézáno v čisté formě, ale jako součást různých minerálů.

Hlavním komerčním zdrojem thoria je minerál monazit, což je fosforečnan kovů vzácných zemin, který obvykle obsahuje 2–12 % oxidu thoričitého. Monazit se nejčastěji těží z písků v pobřežních oblastech, kde se hromadí díky své vysoké hustotě. Dalšími minerály obsahujícími thorium jsou například thorit (křemičitan thoričitý) a thorianit (oxid thoričitý).

Největší známé zásoby thoria se nacházejí v:

Těžba thoria je téměř vždy vedlejším produktem těžby kovů vzácných zemin z monazitových písků. Vzhledem k nízké současné poptávce se thorium často ani neodděluje a zůstává v odpadním materiálu.

⚙️ Fyzikální a chemické vlastnosti

Fyzikální vlastnosti

Thorium je v čistém stavu stříbřitě bílý, měkký a kujný kov. Je poměrně těžké, s hustotou 11,7 g/cm³, což je o něco více než hustota olova. Má jednu z nejvyšších teplot tání mezi aktinoidy (1750 °C) a velmi vysokou teplotu varu (4788 °C), což mu dává nejširší kapalinový rozsah ze všech známých prvků. Při teplotách pod 1,4 K se stává supravodičem.

Chemické vlastnosti

Thorium je reaktivní kov, který na vzduchu pomalu koroduje a pokrývá se vrstvou nejprve šedého, později černého oxidu thoričitého (ThO₂). Tento oxid má jednu z nejvyšších teplot tání ze všech oxidů (přibližně 3390 °C), což je vlastnost využívaná v žárových punčoškách a vysokoteplotní keramice.

V práškové formě je thorium pyroforní, což znamená, že se může na vzduchu samovolně vznítit. Reaguje pomalu s vodou, ale snadněji se rozpouští v kyselinách, jako je kyselina chlorovodíková nebo kyselina sírová. Většina sloučenin thoria existuje v oxidačním stavu +4.

⚛️ Izotopy

Thorium má 30 známých izotopů s nukleonovými čísly od 209 do 238. V přírodě se však vyskytuje téměř výhradně jediný izotop:

²³²Th je nejstabilnější izotop s poločasem přeměny 14,05 miliardy let. Je to primordiální nuklid, což znamená, že existuje od vzniku Země. Je výchozím bodem tzv. thoriové rozpadové řady, která končí stabilním izotopem olova ²⁰⁸Pb.

Ostatní izotopy mají výrazně kratší poločasy přeměny a v přírodě se vyskytují jen ve stopových množstvích jako meziprodukty rozpadových řad uranu a aktinia. Mezi významnější patří:

²³⁰Th (ionium) s poločasem přeměny 75 380 let, který je součástí uranové rozpadové řady.
²²⁹Th s poločasem přeměny 7 340 let, který vzniká rozpadem uranu-233.

⚡ Využití

Historické a průmyslové aplikace

Jak bylo zmíněno, historicky nejvýznamnějším využitím byla výroba Auerových punčošek pro plynové lampy. Dnes se thorium v menší míře stále používá v některých specializovaných aplikacích:

TIG svařovací elektrody: Wolframové elektrody s příměsí 1–2 % oxidu thoričitého jsou stále populární pro svou stabilitu a snadné zapalování oblouku, i když jsou postupně nahrazovány elektrodami s příměsí lanthanu nebo ceru z důvodu radioaktivity.
Vysoce kvalitní optika: Starší objektivy a okuláry mohou obsahovat thoriové sklo.
Katalyzátory: Oxid thoričitý se používá jako katalyzátor v některých chemických procesech, například při výrobě kyseliny dusičné nebo v petrochemii.

Jaderná energetika: Thoriový palivový cyklus

Největší potenciál thoria spočívá v jeho využití jako paliva pro jaderné reaktory. Thorium-232 samo o sobě není štěpitelné (nelze ho snadno rozbít neutronem za uvolnění energie), ale je "plodivé". To znamená, že po záchytu pomalého neutronu se spouští následující řetězec přeměn:

1. ²³²Th + ¹n → ²³³Th 2. ²³³Th (poločas přeměny 22,3 min) → ²³³Pa + β⁻ 3. ²³³Pa (poločas přeměny 27 dní) → ²³³U + β⁻

Výsledný izotop, uran-233, je vynikajícím štěpitelným palivem, dokonce v některých ohledech lepším než uran-235 nebo plutonium-239.

Výhody thoriového cyklu

Hojnost: Thorium je v zemské kůře 3–4krát hojnější než uran, což by zajistilo zdroj energie na tisíce let.
Méně jaderného odpadu: Thoriový cyklus produkuje výrazně méně transuranů (plutonium, americium, curium), které tvoří nejproblematičtější, dlouhožijící složku jaderného odpadu. Většina odpadních produktů má poločas přeměny v řádu stovek let, nikoli desítek tisíc.
Odolnost proti šíření jaderných zbraní: Uran-233 vyrobený v reaktoru je vždy kontaminován izotopem uran-232, jehož rozpadová řada produkuje vysoce energetické záření gama. Toto záření extrémně ztěžuje manipulaci s materiálem a jeho použití pro výrobu jaderné zbraně.
Větší bezpečnost v některých typech reaktorů: Thorium je obzvláště vhodné pro reaktory s roztavenými solemi (MSR), které mohou pracovat při atmosférickém tlaku a mají pasivní bezpečnostní prvky, jež prakticky vylučují možnost havárie typu Černobyl nebo Fukušima.

Nevýhody a výzvy

Potřeba startovacího materiálu: Protože thorium není štěpitelné, reaktor potřebuje externí zdroj neutronů (např. z uranu-235 nebo plutonia) k zahájení reakce.
Složitější přepracování paliva: Oddělení uranu-233 od ozářeného thoria je chemicky náročné.
Technologická nevyzrálost: Výzkum a vývoj se po desetiletí soustředil na uranový cyklus, takže thoriová technologie je méně rozvinutá a vyžaduje značné investice.
Radiační ochrana: Zmíněná kontaminace uranem-232 a jeho dceřinými produkty vyžaduje robustní stínění a dálkovou manipulaci při výrobě a přepracování paliva.

Navzdory těmto výzvám země jako Čína a Indie aktivně investují do výzkumu thoriových reaktorů.

☣️ Bezpečnost a zdravotní rizika

Thorium je slabě radioaktivní. Hlavním typem záření, které emituje, je záření alfa. Toto záření má velmi krátký dosah a nepronikne ani lidskou pokožkou, takže externí ozáření z kusu thoria nepředstavuje významné riziko.

Hlavní nebezpečí spočívá v inhalaci nebo požití prachu thoria nebo jeho sloučenin. Částice alfa emitované uvnitř těla mohou poškodit buňky a zvýšit riziko vzniku rakoviny, zejména plic, jater a kostí. Thorium se v těle chová podobně jako vápník a může se ukládat v kostech.

Dalším rizikem je plynný produkt rozpadu thoria, radon-220 (někdy nazývaný thoron). Vdechování tohoto plynu a jeho dceřiných produktů rovněž zvyšuje riziko rakoviny plic. Proto je při manipulaci s thoriem, zejména v práškové formě, nutné zajistit dobré větrání a používat ochranné pomůcky.

💡 Pro laiky

Představte si thorium jako "mokré dřevo" a uran jako "suché, hořící polínko".

Uran-235 (běžné jaderné palivo) je jako to suché polínko. Stačí ho "škrtnout" (trefit neutronem) a okamžitě hoří a uvolňuje spoustu tepla.
Thorium je jako to mokré dřevo. Samo o sobě nechytne. Ale když ho dáte vedle hořícího uranu, teplo z něj thorium postupně vysuší a přemění ho na něco, co už hořet může – na uran-233. Tento nový uran-233 pak hoří stejně dobře jako ten původní.

Výhody tohoto "mokrého dřeva": 1. Je ho mnohem víc: Na světě je mnohem více thoria než uranu-235, takže by nám palivo vydrželo déle. 2. Méně nebezpečného popela: Když uran dohoří, zanechá po sobě "popel" (jaderný odpad), který je nebezpečný desítky tisíc let. "Popel" z thoria je nebezpečný jen několik stovek let, což je stále dlouhá doba, ale mnohem lépe zvládnutelná. 3. Těžko se z něj dělá bomba: Palivo vyrobené z thoria (uran-233) je velmi obtížné ukrást a použít na výrobu zbraní, protože silně září a je nebezpečné s ním manipulovat bez speciálního vybavení.

Stručně řečeno, thorium je potenciálně hojnější, bezpečnější a čistší zdroj jaderné energie, ale technologie na jeho využití je zatím méně rozvinutá než ta pro uran.

Šablona:Aktualizováno