高效清洁安全廉价的新能源—钍

车长波?高煖

作为未来的一种新能源，钍相对铀具有高效、清洁、安全、廉价等特点，其发展前景已引起世界各国及科学家们的高度重视和普遍看好。许多国家不惜斥巨资，对应用钍及建设钍基反应堆进行技术攻关，以期早日为本国经济发展提供长久稳定的能源保障。

基本概况

钍是由瑞典化学家J.J.Berzelius于1828年在挪威的黑色花岗岩中发现的，化学元素符号是Th，原子序数90，原子量232.0381，属锕系元素。天然钍只有一种同位素Th232，具有放射性，释放出α粒子，半衰期1.39×1010年，最后变成Pb208。

钍是典型的亲石元素，主要有独立矿物、类质同像及分散三种赋存状态。在天然化合物中，仅以四价态存在，地球化学习性稳定。实际资料中显示高温、高压下钍的活性增加，可以在热流体（水介质）中，以络合物形式进行迁移，在花岗岩、碱性岩等侵入体内部或附近的围岩中形成高温钍矿床。钍的亚硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐等，在流体中稳定性较差，基本为沉淀物。

大陆火成岩岩石系列中，酸性和碱性岩钍质量分数最高，沉积岩中，陆源沉积建造具有相对较高的钍丰度值。钍矿床主成矿类型为碳酸岩型和脉型，两者占到钍总资源量的71%。钍矿床大部分资源量来源于含钍副矿物。我国钍资源主要赋存在几类钍矿床：1.正长岩、碱性岩和过碱性岩中的钍矿床；2.热液脉状钍矿床；3.钍砂矿。

世界钍资源十分丰富，已知的钍矿物和含钍矿物约有120种，其中大部分含铀和稀土元素，主要钍矿物有：方钍石、钍石、独居石。曾进行过钍矿勘查和有过钍矿记载的国家有40多个，分布在欧洲、美洲、非洲、亚洲及大洋洲。

钍资源较多的国家有巴西、土耳其、美国、印度、澳大利亚。2008年，国际原子能机构（IAEA）与核能源署（NEA）共同发布一篇报告，美国的钍探明储量约40万吨、土耳其为34.4万吨、印度为31.9万吨。到2009年，澳大利亚宣布其达到48.9万吨。

我国钍资源比较丰富，据不完全统计，20多个省份已发现相当数量的钍资源。2005年中国科学院的资料显示，内蒙古白云鄂博矿区钍储量约为22万吨，约占全国钍矿产储量28.6万吨的77.3%。

钍能源的优势

钍经过中子轰击可转化为原子燃料铀233，因此它是潜在的核燃料。20世纪50年代，科学家们已经认识到钍是开发核能源最好的材料，但由于处在特殊的历史时期，商业利益高、军事用途大的铀得到了大力发展，钍则被束之高阁。当前在绿色环保主题和核危机恐慌的背景下，钍顺理成章地出现在人们的视野中。作为一种清洁能源，钍能自身具备的很多优势再次被人们所认识。钍的储量是铀的3-4倍，而且100%可以利用。地壳表面的钍就是钍-232，几乎不含钍的其他同位素，在原料提取中十分方便。钍资源量大、利用率高，决定了钍的价格较铀要低，更加经济。钍在能源利用与废料处理方面，亦有着过人之处。钍在核反应中能更充分地释放能量，一吨钍裂变产生的能量抵得上200吨铀，相当于350万吨煤炭。钍虽同为放射性元素，但它的放射性远低于铀。钍在裂变过程中产生的核辐射只有铀裂变的0.6%。在核废料处理方面，钍能核电系统只会产生极少量的钚。钍产生的放射性废料比铀少50%，毒性周期不到200年，更易处理。另外钍燃料的反应堆在大气压力下运转，分解过程不产生氢，发生事故不会造成厂区爆炸。钍裂变实验证明，钍的核反应过程具有很高的可控性，钍元素一旦脱离核反应的高温或富中子环境，核反应就会立即停止，钍能源使用的安全性是其他核能无法比拟的。“转化率高、增殖力强、高毒性放射性核素量少、防止核扩散、化学性质稳定”是钍-铀燃料循环所具有的优势。

国外研究进展

国际上钍核能利用研究大体分为三个阶段：上世纪60-70年代，由于石油危机，促进了核能的发展，也带动了对钍利用的研究，美国、日本、印度、英国、加拿大等国在不同程度上，在各种实验堆和动力堆中使用过钍燃料。80-90年代，由于铀的大量发现导致价格下降，以及核事故对核能利用的负面影响，多数国家中止了钍燃料利用的研究。唯有印度始终坚持钍燃料循环的研究开发。90年代以后，一些发达国家又重新对钍燃料产生了兴趣。他们重视钍铀燃料循环研究的主要目的有四点：一是充分利用钍资源保障核燃料可靠供应；二是利用钍燃料反应堆焚烧大量库存的军用和民用钚；三是利用钍基燃料循环显著降低核电站废物毒性；四是利用钍基燃料循环显著提升防核扩散能力。基于上述要点，各国均针对快堆、重水堆、轻水堆、高温气冷堆、石墨慢化堆等的钍基燃料循环，开展了大量不同程度试验规模的研究工作，并制造出燃料进行了入堆考验。

目前，印度开发的钍基燃料循环已接近工业应用水平。铀资源的匮乏，使印度将钍燃料确定为核电发展战略的核心内容，并且在钍技术研究和工业应用方面取得了突破性进展，其拥有世界上唯一的U233实验反应堆，钍铀核电站研究开发已有重大突破。印度制定了三阶段核能发展计划，预定于2050年左右实现钍基燃料反应堆大规模商业应用。

2013年，挪威油服公司斥资18亿美元进行小型化和系列化的开发，将含90%的钍和10%钚的燃料棒在反应堆中试用，项目预期时间5年，目前一切顺利。英国科学家在曼彻斯特建起了钍能源研究机构，用以设计制造钍能源反应堆的小型加速器（EMMA）。以色列科学家发明的“钍反应堆堆芯设计”已通过在美国宾夕法尼亚的习平波特的一系列堆芯中试验，获得美国专利。美国激光能源系统（LPS）公司宣布已经研发出了钍能源汽车，将在2014年向市场提供。此外，加拿大、德国等十几个国家也针对钍燃料进行了研究。研究的主要目的是对现行的反应堆稍加改动，有效利用钚，以防止钚的累积且可节约天然铀资源。

我国研究历程

1965年，我国就曾召开全国钍利用会议，之后40年研究，主要集中在钍热中子增殖堆方案、钍铀燃料的水法后处理、铀钍燃料循环的基础三个部分。清华大学自2001年始与加拿大原子能公司合作开发钍基先进重水堆，已获得不少突破。2005年，中科院徐光宪等15位院士提出《关于保护白云鄂博钍和稀土资源，避免黄河和包头受放射性污染的紧急呼吁》。2007年，中科院院士欧阳予正牵头撰写《钍的核能利用研究》报告，将我国关于钍的核能利用研究正在提上日程。2008年12月，国家能源局组织召开 “钍资源核能利用专家研讨会”，对我国当前钍资源核能利用的重要性和迫切性、现存问题及应对措施进行了探讨。2009年9月，我国在包头召开 “2009钍资源核能利用国际学术研讨会”，包头市已成为我国钍资源核能利用研发生产基地。2011年1月，中国科学院首批启动的战略性先导科技专项之一，“未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能系统”正式启动。科学目标是用20年时间，研发出新一代核能系统，所有技术均达到中试水平并拥有全部知识产权。3年来，明确了总体发展规划和技术路线，在熔盐堆概念设计、验证试验台架搭建、理论方法研究等方面取得了具有国际影响的重要进展，在熔盐材料研究方向取得了国际领先的成果，在结构材料研制方面取得了突破性进展。2013年9月，长春应用化学所在核纯钍的分离纯化方面取得重要进展，发明了一种钍的纯化方法，并获得了国家专利授权，为核纯钍的制备打下了良好的基础。同时，该技术链条的实施也有利于实现钍资源的高值化，促进钍的回收，从源头消除钍对环境的放射性污染。2014年1月，“中国科学院钍基熔盐堆核能系统卓越创新中心”在上海成立。

中科院制定的“核能中长期发展路线图”显示：到2015年集中力量加强钍—铀循环和熔盐反应堆技术的基础研究和技术攻关，在此后的2020年和2030年前后，力争完成10兆瓦的钍基熔盐原型堆和100兆瓦的示范堆。我国结合高温气冷堆和加压重水堆，正探索钍资源利用途径和合理反应堆堆型，秦山核电站兴建的加压重水反应堆，是利用钍燃料比较成熟的技术，建成后将为我国工业化应用钍燃料提供条件。

（作者车长波为国土资源部地质勘查司副司长研究员；高煖为中国石油大学硕士研究生）