钍，可期待的核燃料

● 李良才/文

稀土矿物中通常都伴生着钍元素，所以在提取稀土的同时，必须关注钍元素。现在就从关于钍应用的新奇故事说起。

一、新奇的概念车

对汽车而言，能源是永远绕不开的话题。不断飙升的油价让有车族多了几分无奈，也让不少车友感受到了“买得起车，却加不起油”的囧况，这使得他们对未来能源有所担忧。未来我们要用什么能源来驱动我们的爱车呢？今天我们就来畅想一下核动力汽车。

事实上，汽车无需汽油或天然气驱动并不是天方夜谭。早在几年前，海外媒体就爆出一家名为LPS 的科技公司正在研发一种全新的涡轮发电机。这种发电机的动力来源不是汽油，也不是天然气，而是一种让人充满幻想的钍核能。这种核动力的原理很简单，钍元素经过激光照射后会产生大量的热，热量在封闭循环系统中形成蒸汽，发电机利用蒸汽动力产生电能来驱动车辆。

2009 年，凯迪拉克推出的核动力汽车名为“WTF”概念车，就是一台基于钍核燃料动力、完全科幻的概念车。这种车仅需要8 克钍核燃料（相当于约22.7 万升汽油），就可获得源源不断的动力。也就是说，一个人买了一辆车，一辈子也不用再加汽油了，8 克钍核燃料足以让一辆悍马车行驶约154.5 万公里，直到汽车报废。更重要的是，行驶过程中完全不会产生废气。

但核动力概念车离我们还很远，目前只停留在设想阶段，并且它的成本和安全性等问题都是非常值得关注的。谁又能说在若干年之后，科幻想象不会真的进入我们的生活呢? 或许借助于钍元素，在无数科学家的苦心钻研下，能够将可控核反应设备体积变得更小、防辐射装置更轻盈、生产成本更低廉。届时，在未来可见的数十年里，我们开上核动力车的梦想就能成真。也许在核燃料“钍”作为电力概念车的启发下，未来会有越来越多的核燃料车型问世。

二、钍可作为核燃料——铀的超级替代品

澳大利亚核科学技术组织的核工程师林登·爱德华兹表示：“钍比铀储量丰富得多，因此，在50年或100 年后，当铀储量开始减少时，钍的潜在价值将得以体现。”

钍最大的价值在于，它可作为核燃料——铀的超级替代品。与铀相比，钍的优势在于资源丰富。不同于铀的“紧俏”，钍在地壳中的探明储量约为铀的3～4倍，尤其在中国，钍铀储量之比约为6∶1。然而，受制于技术原因和相关支持，钍资源依然在“沉睡”。

据《自然》新闻（Nature News）消息，一个以钍为燃料的实验性核反应堆引起了科学界关注，该核反应堆已于2021 年9 月在中国甘肃武威进行测试。该核反应堆虽然功率只有2 兆瓦，但是可以为约1000 住户提供电能。这个反应堆的不同寻常之处在于，内部循环的是熔融盐，而不是水。该技术有潜力生产相对安全和廉价的核能，此外，产生的寿命极长的放射性废料也比传统反应堆少得多。

中国这次开发的钍反应堆还可以实现小型化，制造出可以放在小房间甚至安装在汽车上的超微型反应堆，源源不断地输出电能。这一消息引发了广泛关注。

另据消息称，中国将在2030 年前建造一个可以为10 万居民提供电力的373 兆瓦的同类型反应堆，这是一个非常令人振奋、令人向往的消息！

三、神秘的钍元素

钍为何物？从哪里来？为什么有这样不可思议的魔力？一连串的问题激起我们强烈的好奇心，现在就来认识一下这个神秘的元素吧。

1928 年，瑞典化学家贝莱利乌斯在一种被称为“钍石”的矿物中发现钍元素。钍元素是以斯堪的纳维亚神话中雷神的名字——Thor 而命名为Thorium（钍）。

在元素周期表中，钍属于锕系元素，它的元素符号为Th，原子序数为90。钍是目前宇宙中仍然大量存在的三种原始放射性元素之一。

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。

现已发现质量数为212～236的全部钍同位素，只有钍-232 是天然放射性同位素，比活度为4.1 kBq/g，半衰期为140 亿年，衰变过程中生成具有不同半衰期的一系列子体，统称为钍系。除新钍I（Ra-228，符号为MsThI）和射钍（Th -228，符号为RdTh）外，钍和它的子体经数周后可达到放射平衡，衰变至稳定性的Pb -208。

虽然钍元素本身不是裂变物质，但研究发现，一个普通的钍-232 原子核吸收一个中子就会变成钍-233，很快经历两次β-衰变后，变成原子燃料铀-233，铀的这个同位素可以裂变。因此钍是潜在的核燃料，正受到越来越多的关注。

四、钍的开发利用不是梦

西欧核子中心主任诺贝尔奖金获得者鲁比亚(C.Rubbia)提出了一个提供清洁核能的新概念，即利用高能强流质子加速器产生的高能质子束，在物质中形成核连激过程而产生大量的中子。天然钍-232 俘获中子而转变为铀-233，铀-233 又裂变产生中子维持链式反应。裂变元素在天然钍中的比例很快可以达到相对稳定，形成一个长期稳定的能量产出。

由以色列希伯莱大学核科学家拉德考斯基发明的用钍-232 代替铀-238 的核发电技术是非增殖轻水钍反应堆，它与标准铀反应堆在结构上没有多大差别，只是堆芯的核燃料是钍-232。1999 年，印度科学家设计成一台利用钍作核燃料的重水反应堆。

钍-232 增殖产生钍-233 的过程属于“双流闭环连续运行系统”，包括三个常压运行回路，如下图所示：

五、钍核能的利用是大势所趋

随着人口和经济的增长，必然带来能源需求的巨大增加。据估计，到2050 年，世界能源需求将是现在的3～4 倍，同时提供了目前超过80%电力的化石燃料也将耗尽。历史发展不断验证一个真理：危机催生新机遇。未来世界将迎来能源革命，核能将位于这个革命的中心地位。

核能是人类最伟大的发现之一，已经走过100多年的非凡历程。科学家们早在上世纪50 至70 年代就开始研究钍元素，正当切尔诺贝利核事故就要被世人遗忘时，日本地震海啸所引发福岛核电站泄漏事故再次将核能安全问题推到了风口浪尖，一时间人们谈核色变，于是许多国家纷纷关注更加安全的第四代核能或寻找其它替代能源方案。钍作为核燃料在实际应用中有很多独特优点，如果用它来发电，既安全又绿色，是铀和钚最理想的替代品。

六、钍元素用作核燃料的优势

目前，核反应堆依靠浓缩铀，但铀含量相对稀少，它在自然界中的含量仅为3 ppm 左右，且其中可作为燃料的铀-235 含量不到铀同位素的1%。按照目前估计的裂变核能发展趋势，地球上的陆基铀-235储量将几乎与化石能源同时枯竭，人类正在面临核燃料铀-235 枯竭的危机。而钍比铀在地球中的含量更高、更廉价，它在地壳中的储量几乎同铅一样丰富，丰度为9.6 ppm，大约是铀的3 倍。此外，铀使用所产生的副产品存在两方面的危险：

第一，铀是高放射性元素，会带来环境和健康方面的风险。而钍在发电过程中产生的放射性废料相对较少，只会产生相当于核电站0.6%的辐射物质，并且可以在100 年内衰变为没有放射性的物质。

第二，铀反应堆产生的核废料中含有大量易于生产核武器的核燃料钚-239，它们可以被用来生产武器级的核炸弹。而钍基核燃料不适于生产武器级核燃料，只能用于产生核能，可避免核能利用过程中的核武器扩散风险。

而钍元素用作核燃料具有以下优点：

◇钍-232 向铀-233 的转换率比铀-238 向钚-239 的转换率更高；

◇钍-铀燃料循环比铀-钚燃料循环产生的高毒性放射性核素更少；

◇钍基燃料在反应堆内可允许更高的燃料芯块度和更深的燃耗；

◇钍基燃料对各种堆型的适应性较好，无需对现有反应堆的燃料组件和堆芯几何尺寸及相应的结构材料作重大改变等；

◇相比铀而言，它更易于进行浓缩与提纯，不会产生二氧化碳。这意味着它是一种清洁能源；

◇钍熔盐反应堆的优点是体积小，经济性高，并且还能将轻水反应堆的乏燃料和报废的核武器所含有的钚与钍同时燃烧进行处理；

◇钍燃料的反应堆在大气压力下运转，分解过程不产生氢，不会发生爆炸事故。

更重要的是：用钍元素建造而成的发电站不用担心堆芯熔毁，而且对现有的核废料也能够再利用，发挥其“第二青春”的作用，以实现新一代绿色、和平的核能再利用。

此外，钍的储量非常丰富，世界上已知的钍元素储量可以为世界提供至少1 万年的能源支持。目前全世界430 多座核反应堆只提供了人类所需能源的2.6%，如果钍核电技术能够大规模推广，从全球范围来看，清洁能源比例有可能从目前的3%提高到40%～50%。

七、钍基核燃料的开发现状

在世界上活跃着恐怖主义和被切尔诺贝利等核电站事故阴云笼罩的今天，如果说有一种可以用于发电，却无法被利用制造核武器，且只产生少量的辐射物质，又是储量十分丰富的新能源——非钍莫属。

实际上，美国从20 世纪50～70 年代，一直不断推进钍熔盐反应堆的技术开发，并在此期间确立了基本技术。美国国防部和日本防卫厅都把钍、铀、钚和除钷以外的16 种稀土元素定为战略元素，法律规定国家要有一定量的储备。

据英国《每日邮报》报道，英国的科学家们已经在曼彻斯特南部的柴郡平原建起了一个用于研究钍能源的机器，并为其起名为“艾玛”。

2007 年11 月19 日，法国《世界报》报道，印度将建造一座以钍为燃料的原型重水反应堆，从而为民用核能开辟一条新路。印度是世界上考虑以钍替代传统核燃料铀和钚的少数几个国家之一。

中国也正在把目光转向钍基核能，这是一种极有前途、更安全、更环保的核燃料。研制具有自主知识产权的钍基核能系统，将破解当前和未来核能发展所面临的诸多难题，特别是解决中国铀资源不足的问题，并能为中国的绿色发展提供不竭的能源保障。

八、钍的资源及其利用状况

在自然界，钍以化合物的形式存在于矿石内，例如独居石、氟碳铈矿、钇钍石和钍石，通常与稀土元素伴生在一起，它们是提取钍的绝好资源。长期以来，钍元素的需求和应用都较少，主要用于生产汽灯纱罩、催化剂和耐热材料等，然而其具有潜在核能资源价值几乎被人们“遗忘”。

目前，中国在核纯钍制备方面取得了长足进步，以包头白云鄂博矿及四川矿生产出的纯度大于95%的钍作为原料，再采用溶剂萃取法，在硝酸溶液中，经萃取、洗涤、反萃得到纯度为大于99.9999%的核纯钍产品，从而为钍资源的开发利用奠定了基础。

就近几年的实际情况来看，在全国稀土工业生产过程中，每年会有200 吨二氧化钍存留于稀土生产的废渣中。如果用这些钍核能进行发电，可以代替5 亿吨标准煤。有关人士指出，从理论上说，如果把全中国的发电厂都关闭，用包钢尾矿库里的钍元素来发电，可供全国使用200 年。

九、发展钍基核能是破解能源危机和拯救地球的最佳途径

在现今科技能力可以利用的廉价能源中，钍基核能是最耀眼的，开发钍基核能理应成为重中之重。钍元素实际上是一种安全、清洁、廉价的储量最大的核能资源，能长久地为全球提供能量。钍基核能可以拯救我们的地球于危机之中，它能为全人类提供超过一万年的清洁能源。我们要花多久才能阻止气候变暖？这取决于我们要花多久才能让钍基核能取代化石燃料。所以近年来，人们对钍元素的关注逐步升温，科学家们希望能尽早地将钍应用在能源领域。

十分可喜的是，中国以钍为燃料的核反应堆研究已经取得许许多多令人振奋的科研成果：钍基熔盐堆已于2021年9月在中国甘肃武威开始启动测试。也有消息称，中国的研究人员已成功地利用激光加热钍，生成电力驱动迷你涡轮，制造出超强发电机。

我们可以尽情地展望一个没有能源危机的核能-钍的世界：绝大部分化石燃料将成为化工原料，留给子孙后代去慢慢享用；电动汽车、电动列车不再有废气；冒烟的烟囱不见了踪影；蓝天白云和碧水绿叶之间是我们的家园……