● 李良才/文

稀土礦物中通常都伴生著釷元素，所以在提取稀土的同時(shí)，必須關(guān)注釷元素?，F(xiàn)在就從關(guān)于釷應(yīng)用的新奇故事說(shuō)起。

一、新奇的概念車

對(duì)汽車而言，能源是永遠(yuǎn)繞不開(kāi)的話題。不斷飆升的油價(jià)讓有車族多了幾分無(wú)奈，也讓不少車友感受到了“買得起車，卻加不起油”的囧況，這使得他們對(duì)未來(lái)能源有所擔(dān)憂。未來(lái)我們要用什么能源來(lái)驅(qū)動(dòng)我們的愛(ài)車呢？今天我們就來(lái)暢想一下核動(dòng)力汽車。

事實(shí)上，汽車無(wú)需汽油或天然氣驅(qū)動(dòng)并不是天方夜譚。早在幾年前，海外媒體就爆出一家名為L(zhǎng)PS 的科技公司正在研發(fā)一種全新的渦輪發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)的動(dòng)力來(lái)源不是汽油，也不是天然氣，而是一種讓人充滿幻想的釷核能。這種核動(dòng)力的原理很簡(jiǎn)單，釷元素經(jīng)過(guò)激光照射后會(huì)產(chǎn)生大量的熱，熱量在封閉循環(huán)系統(tǒng)中形成蒸汽，發(fā)電機(jī)利用蒸汽動(dòng)力產(chǎn)生電能來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛。

2009 年，凱迪拉克推出的核動(dòng)力汽車名為“WTF”概念車，就是一臺(tái)基于釷核燃料動(dòng)力、完全科幻的概念車。這種車僅需要8 克釷核燃料（相當(dāng)于約22.7 萬(wàn)升汽油），就可獲得源源不斷的動(dòng)力。也就是說(shuō)，一個(gè)人買了一輛車，一輩子也不用再加汽油了，8 克釷核燃料足以讓一輛悍馬車行駛約154.5 萬(wàn)公里，直到汽車報(bào)廢。更重要的是，行駛過(guò)程中完全不會(huì)產(chǎn)生廢氣。

但核動(dòng)力概念車離我們還很遠(yuǎn)，目前只停留在設(shè)想階段，并且它的成本和安全性等問(wèn)題都是非常值得關(guān)注的。誰(shuí)又能說(shuō)在若干年之后，科幻想象不會(huì)真的進(jìn)入我們的生活呢? 或許借助于釷元素，在無(wú)數(shù)科學(xué)家的苦心鉆研下，能夠?qū)⒖煽睾朔磻?yīng)設(shè)備體積變得更小、防輻射裝置更輕盈、生產(chǎn)成本更低廉。屆時(shí)，在未來(lái)可見(jiàn)的數(shù)十年里，我們開(kāi)上核動(dòng)力車的夢(mèng)想就能成真。也許在核燃料“釷”作為電力概念車的啟發(fā)下，未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的核燃料車型問(wèn)世。

二、釷可作為核燃料——鈾的超級(jí)替代品

澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織的核工程師林登·愛(ài)德華茲表示：“釷比鈾儲(chǔ)量豐富得多，因此，在50年或100 年后，當(dāng)鈾儲(chǔ)量開(kāi)始減少時(shí)，釷的潛在價(jià)值將得以體現(xiàn)?！?/p>

釷最大的價(jià)值在于，它可作為核燃料——鈾的超級(jí)替代品。與鈾相比，釷的優(yōu)勢(shì)在于資源豐富。不同于鈾的“緊俏”，釷在地殼中的探明儲(chǔ)量約為鈾的3～4倍，尤其在中國(guó)，釷鈾儲(chǔ)量之比約為6∶1。然而，受制于技術(shù)原因和相關(guān)支持，釷資源依然在“沉睡”。

據(jù)《自然》新聞（Nature News）消息，一個(gè)以釷為燃料的實(shí)驗(yàn)性核反應(yīng)堆引起了科學(xué)界關(guān)注，該核反應(yīng)堆已于2021 年9 月在中國(guó)甘肅武威進(jìn)行測(cè)試。該核反應(yīng)堆雖然功率只有2 兆瓦，但是可以為約1000 住戶提供電能。這個(gè)反應(yīng)堆的不同尋常之處在于，內(nèi)部循環(huán)的是熔融鹽，而不是水。該技術(shù)有潛力生產(chǎn)相對(duì)安全和廉價(jià)的核能，此外，產(chǎn)生的壽命極長(zhǎng)的放射性廢料也比傳統(tǒng)反應(yīng)堆少得多。

中國(guó)這次開(kāi)發(fā)的釷反應(yīng)堆還可以實(shí)現(xiàn)小型化，制造出可以放在小房間甚至安裝在汽車上的超微型反應(yīng)堆，源源不斷地輸出電能。這一消息引發(fā)了廣泛關(guān)注。

另?yè)?jù)消息稱，中國(guó)將在2030 年前建造一個(gè)可以為10 萬(wàn)居民提供電力的373 兆瓦的同類型反應(yīng)堆，這是一個(gè)非常令人振奮、令人向往的消息！

三、神秘的釷元素

釷為何物？從哪里來(lái)？為什么有這樣不可思議的魔力？一連串的問(wèn)題激起我們強(qiáng)烈的好奇心，現(xiàn)在就來(lái)認(rèn)識(shí)一下這個(gè)神秘的元素吧。

1928 年，瑞典化學(xué)家貝萊利烏斯在一種被稱為“釷石”的礦物中發(fā)現(xiàn)釷元素。釷元素是以斯堪的納維亞神話中雷神的名字——Thor 而命名為T(mén)horium（釷）。

在元素周期表中，釷屬于錒系元素，它的元素符號(hào)為T(mén)h，原子序數(shù)為90。釷是目前宇宙中仍然大量存在的三種原始放射性元素之一。

釷是典型的親石元素，主要有獨(dú)立礦物、類質(zhì)同像及分散三種賦存狀態(tài)。在天然化合物中，僅以四價(jià)態(tài)存在，地球化學(xué)習(xí)性穩(wěn)定。

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)為212～236的全部釷同位素，只有釷-232 是天然放射性同位素，比活度為4.1 kBq/g，半衰期為140 億年，衰變過(guò)程中生成具有不同半衰期的一系列子體，統(tǒng)稱為釷系。除新釷I（Ra-228，符號(hào)為MsThI）和射釷（Th -228，符號(hào)為RdTh）外，釷和它的子體經(jīng)數(shù)周后可達(dá)到放射平衡，衰變至穩(wěn)定性的Pb -208。

雖然釷元素本身不是裂變物質(zhì)，但研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)普通的釷-232 原子核吸收一個(gè)中子就會(huì)變成釷-233，很快經(jīng)歷兩次β-衰變后，變成原子燃料鈾-233，鈾的這個(gè)同位素可以裂變。因此釷是潛在的核燃料，正受到越來(lái)越多的關(guān)注。

四、釷的開(kāi)發(fā)利用不是夢(mèng)

西歐核子中心主任諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者魯比亞(C.Rubbia)提出了一個(gè)提供清潔核能的新概念，即利用高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子束，在物質(zhì)中形成核連激過(guò)程而產(chǎn)生大量的中子。天然釷-232 俘獲中子而轉(zhuǎn)變?yōu)殁?233，鈾-233 又裂變產(chǎn)生中子維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。裂變?cè)卦谔烊烩Q中的比例很快可以達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，形成一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的能量產(chǎn)出。

由以色列希伯萊大學(xué)核科學(xué)家拉德考斯基發(fā)明的用釷-232 代替鈾-238 的核發(fā)電技術(shù)是非增殖輕水釷反應(yīng)堆，它與標(biāo)準(zhǔn)鈾反應(yīng)堆在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有多大差別，只是堆芯的核燃料是釷-232。1999 年，印度科學(xué)家設(shè)計(jì)成一臺(tái)利用釷作核燃料的重水反應(yīng)堆。

釷-232 增殖產(chǎn)生釷-233 的過(guò)程屬于“雙流閉環(huán)連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)”，包括三個(gè)常壓運(yùn)行回路，如下圖所示：

五、釷核能的利用是大勢(shì)所趨

隨著人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，必然帶來(lái)能源需求的巨大增加。據(jù)估計(jì)，到2050 年，世界能源需求將是現(xiàn)在的3～4 倍，同時(shí)提供了目前超過(guò)80%電力的化石燃料也將耗盡。歷史發(fā)展不斷驗(yàn)證一個(gè)真理：危機(jī)催生新機(jī)遇。未來(lái)世界將迎來(lái)能源革命，核能將位于這個(gè)革命的中心地位。

核能是人類最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，已經(jīng)走過(guò)100多年的非凡歷程。科學(xué)家們?cè)缭谏鲜兰o(jì)50 至70 年代就開(kāi)始研究釷元素，正當(dāng)切爾諾貝利核事故就要被世人遺忘時(shí)，日本地震海嘯所引發(fā)福島核電站泄漏事故再次將核能安全問(wèn)題推到了風(fēng)口浪尖，一時(shí)間人們談核色變，于是許多國(guó)家紛紛關(guān)注更加安全的第四代核能或?qū)ふ移渌娲茉捶桨?。釷作為核燃料在實(shí)際應(yīng)用中有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如果用它來(lái)發(fā)電，既安全又綠色，是鈾和钚最理想的替代品。

六、釷元素用作核燃料的優(yōu)勢(shì)

目前，核反應(yīng)堆依靠濃縮鈾，但鈾含量相對(duì)稀少，它在自然界中的含量?jī)H為3 ppm 左右，且其中可作為燃料的鈾-235 含量不到鈾同位素的1%。按照目前估計(jì)的裂變核能發(fā)展趨勢(shì)，地球上的陸基鈾-235儲(chǔ)量將幾乎與化石能源同時(shí)枯竭，人類正在面臨核燃料鈾-235 枯竭的危機(jī)。而釷比鈾在地球中的含量更高、更廉價(jià)，它在地殼中的儲(chǔ)量幾乎同鉛一樣豐富，豐度為9.6 ppm，大約是鈾的3 倍。此外，鈾使用所產(chǎn)生的副產(chǎn)品存在兩方面的危險(xiǎn)：

第一，鈾是高放射性元素，會(huì)帶來(lái)環(huán)境和健康方面的風(fēng)險(xiǎn)。而釷在發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的放射性廢料相對(duì)較少，只會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)于核電站0.6%的輻射物質(zhì)，并且可以在100 年內(nèi)衰變?yōu)闆](méi)有放射性的物質(zhì)。

第二，鈾反應(yīng)堆產(chǎn)生的核廢料中含有大量易于生產(chǎn)核武器的核燃料钚-239，它們可以被用來(lái)生產(chǎn)武器級(jí)的核炸彈。而釷基核燃料不適于生產(chǎn)武器級(jí)核燃料，只能用于產(chǎn)生核能，可避免核能利用過(guò)程中的核武器擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。

而釷元素用作核燃料具有以下優(yōu)點(diǎn)：

◇釷-232 向鈾-233 的轉(zhuǎn)換率比鈾-238 向钚-239 的轉(zhuǎn)換率更高；

◇釷-鈾燃料循環(huán)比鈾-钚燃料循環(huán)產(chǎn)生的高毒性放射性核素更少；

◇釷基燃料在反應(yīng)堆內(nèi)可允許更高的燃料芯塊度和更深的燃耗；

◇釷基燃料對(duì)各種堆型的適應(yīng)性較好，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有反應(yīng)堆的燃料組件和堆芯幾何尺寸及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)材料作重大改變等；

◇相比鈾而言，它更易于進(jìn)行濃縮與提純，不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。這意味著它是一種清潔能源；

◇釷熔鹽反應(yīng)堆的優(yōu)點(diǎn)是體積小，經(jīng)濟(jì)性高，并且還能將輕水反應(yīng)堆的乏燃料和報(bào)廢的核武器所含有的钚與釷同時(shí)燃燒進(jìn)行處理；

◇釷燃料的反應(yīng)堆在大氣壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，分解過(guò)程不產(chǎn)生氫，不會(huì)發(fā)生爆炸事故。

更重要的是：用釷元素建造而成的發(fā)電站不用擔(dān)心堆芯熔毀，而且對(duì)現(xiàn)有的核廢料也能夠再利用，發(fā)揮其“第二青春”的作用，以實(shí)現(xiàn)新一代綠色、和平的核能再利用。

此外，釷的儲(chǔ)量非常豐富，世界上已知的釷元素儲(chǔ)量可以為世界提供至少1 萬(wàn)年的能源支持。目前全世界430 多座核反應(yīng)堆只提供了人類所需能源的2.6%，如果釷核電技術(shù)能夠大規(guī)模推廣，從全球范圍來(lái)看，清潔能源比例有可能從目前的3%提高到40%～50%。

七、釷基核燃料的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

在世界上活躍著恐怖主義和被切爾諾貝利等核電站事故陰云籠罩的今天，如果說(shuō)有一種可以用于發(fā)電，卻無(wú)法被利用制造核武器，且只產(chǎn)生少量的輻射物質(zhì)，又是儲(chǔ)量十分豐富的新能源——非釷莫屬。

實(shí)際上，美國(guó)從20 世紀(jì)50～70 年代，一直不斷推進(jìn)釷熔鹽反應(yīng)堆的技術(shù)開(kāi)發(fā)，并在此期間確立了基本技術(shù)。美國(guó)國(guó)防部和日本防衛(wèi)廳都把釷、鈾、钚和除钷以外的16 種稀土元素定為戰(zhàn)略元素，法律規(guī)定國(guó)家要有一定量的儲(chǔ)備。

據(jù)英國(guó)《每日郵報(bào)》報(bào)道，英國(guó)的科學(xué)家們已經(jīng)在曼徹斯特南部的柴郡平原建起了一個(gè)用于研究釷能源的機(jī)器，并為其起名為“艾瑪”。

2007 年11 月19 日，法國(guó)《世界報(bào)》報(bào)道，印度將建造一座以釷為燃料的原型重水反應(yīng)堆，從而為民用核能開(kāi)辟一條新路。印度是世界上考慮以釷替代傳統(tǒng)核燃料鈾和钚的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家之一。

中國(guó)也正在把目光轉(zhuǎn)向釷基核能，這是一種極有前途、更安全、更環(huán)保的核燃料。研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的釷基核能系統(tǒng)，將破解當(dāng)前和未來(lái)核能發(fā)展所面臨的諸多難題，特別是解決中國(guó)鈾資源不足的問(wèn)題，并能為中國(guó)的綠色發(fā)展提供不竭的能源保障。

八、釷的資源及其利用狀況

在自然界，釷以化合物的形式存在于礦石內(nèi)，例如獨(dú)居石、氟碳鈰礦、釔釷石和釷石，通常與稀土元素伴生在一起，它們是提取釷的絕好資源。長(zhǎng)期以來(lái)，釷元素的需求和應(yīng)用都較少，主要用于生產(chǎn)汽燈紗罩、催化劑和耐熱材料等，然而其具有潛在核能資源價(jià)值幾乎被人們“遺忘”。

目前，中國(guó)在核純釷制備方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，以包頭白云鄂博礦及四川礦生產(chǎn)出的純度大于95%的釷作為原料，再采用溶劑萃取法，在硝酸溶液中，經(jīng)萃取、洗滌、反萃得到純度為大于99.9999%的核純釷產(chǎn)品，從而為釷資源的開(kāi)發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。

就近幾年的實(shí)際情況來(lái)看，在全國(guó)稀土工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，每年會(huì)有200 噸二氧化釷存留于稀土生產(chǎn)的廢渣中。如果用這些釷核能進(jìn)行發(fā)電，可以代替5 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。有關(guān)人士指出，從理論上說(shuō)，如果把全中國(guó)的發(fā)電廠都關(guān)閉，用包鋼尾礦庫(kù)里的釷元素來(lái)發(fā)電，可供全國(guó)使用200 年。

九、發(fā)展釷基核能是破解能源危機(jī)和拯救地球的最佳途徑

在現(xiàn)今科技能力可以利用的廉價(jià)能源中，釷基核能是最耀眼的，開(kāi)發(fā)釷基核能理應(yīng)成為重中之重。釷元素實(shí)際上是一種安全、清潔、廉價(jià)的儲(chǔ)量最大的核能資源，能長(zhǎng)久地為全球提供能量。釷基核能可以拯救我們的地球于危機(jī)之中，它能為全人類提供超過(guò)一萬(wàn)年的清潔能源。我們要花多久才能阻止氣候變暖？這取決于我們要花多久才能讓釷基核能取代化石燃料。所以近年來(lái)，人們對(duì)釷元素的關(guān)注逐步升溫，科學(xué)家們希望能盡早地將釷應(yīng)用在能源領(lǐng)域。

十分可喜的是，中國(guó)以釷為燃料的核反應(yīng)堆研究已經(jīng)取得許許多多令人振奮的科研成果：釷基熔鹽堆已于2021年9月在中國(guó)甘肅武威開(kāi)始啟動(dòng)測(cè)試。也有消息稱，中國(guó)的研究人員已成功地利用激光加熱釷，生成電力驅(qū)動(dòng)迷你渦輪，制造出超強(qiáng)發(fā)電機(jī)。

我們可以盡情地展望一個(gè)沒(méi)有能源危機(jī)的核能-釷的世界：絕大部分化石燃料將成為化工原料，留給子孫后代去慢慢享用；電動(dòng)汽車、電動(dòng)列車不再有廢氣；冒煙的煙囪不見(jiàn)了蹤影；藍(lán)天白云和碧水綠葉之間是我們的家園……