“钍”可一点也不土

2024.03.26 中国矿业报   

  ◎  吕汉秦 孙涛编

  钍,这个略带“土味”的金属元素往往不为人知,钍(Thorium)原子序数90,其元素符号是Th。它是一种放射性金属,属于锕系元素。天然钍几乎全由Th232组成,此外,还含有1.35×10-8%的Th228,以及小量含量不定的Th234,Th230、Th231和Th229,目前发现钍同位素共有25种。

  钍的原子量为232.03806,密度11.7g/cm3,熔点1842摄氏度,沸点4788摄氏度,外观呈钢灰色光泽,质地柔软。在地球上,钍的丰度为10.5×10-6,约为铀的4倍,它并不以单质形式存在,多数以氧化物的形式,与稀土金属和铪等金属的氧化物共生,存在于独居石等矿物内。由于钍是亲氧(石)元素,因此钍具有明显的上地壳富集的特征。

  钍的发现

  1815年,被誉为现代化学创始人之一的瑞典化学家贝齐里乌斯,分析一种瑞典出产的矿石时,发现了一种和锆的氧化物很相似,新的未知金属的氧化物。他用古代北欧雷神托尔(Thor)命名这一新金属为Thorine(钍),并给出了它的拉丁名称Thorium和元素符号Th。由于贝齐里乌斯是化学界的权威,所以当时的化学家们都承认了这一发现。可是,贝齐里乌斯在10年后发表文章说,通过研究更多的相同矿物发现,那些并不是被称为Thorine的氧化物,而只是磷酸钇,他撤销了自己对钍的发现。到了1828年,贝齐里乌斯在分析一种来自挪威南部勒峰岛上所产的矿石时,发现其中有一种当时未知的元素,于是再次以Thorine命名它。现在已经明确,这种矿石的主要成分是硅酸钍(ThSiO4)。

  1897年,居里夫人发现,钍发出的射线与铀相同,而且射线的强度不取决于化学成分,只取决于样品中铀或钍的含量。她得出结论,辐射并不取决于分子中原子的排列,而是与原子本身的内部有关。这是一个革命性的发现,完全改变了物理学的领域。

  钍的秘密

  由于钍在自然界中与稀土元素和铀紧密结合,非常难以分离,直到1914年,才通过电解法首次分离出比较纯的金属钍。现在制备钍最常用的方法,是在氩气或真空环境下,用金属钙高温还原氧化钍。

  100多年前,英国人发明了煤气灯,使人类的照明方法向前迈进了一大步。最初,这种灯很不安全,在室内容易发生危险,因此只当作路灯使用,但煤气燃烧时发出的光并不明亮,后来,冯·韦尔塞巴赫发明并改进了一种用于煤气灯的灯罩,解决了这一问题。

  他用99%的硝酸钍和1%的硝酸铈溶液,浸泡被织成网状的布料,制成了灯罩。在高温下,硝酸钍会分解成氧化钍,氧化钍的高熔点,有助于化合物在火焰中保持固态。而钍在高温下发出的光,几乎全部都在可见光谱中,因此能显著地提高火焰的亮度。

  在1892年商业化引入这种新的灯罩之后,它迅速蔓延到整个欧洲,在20世纪初广泛引入电气照明之前,煤气灯罩仍然是欧洲街道照明的最主要方式。不过在煤气灯燃烧的过程中,产生的氧化钍颗粒会不可避免地飘散到空气中,通过呼吸进入人体,引起内照射,引发多种疾病和癌症,危害人体健康。进入20世纪后,人们对放射性的危害越发重视,这种煤气灯也逐渐被淘汰。

  1931年至1940年末,人们曾用一种稳定的胶质氧化钍悬浮液,作为血管造影中的放射性对比剂,但这种造影剂会聚集在微血管中,导致局部放射性过高,引发各种癌症,后来,钍造影剂也逐渐被硫酸钡和碘化合物所取代。

  钍的未来

  自20世纪50年代以来,考虑到放射性危害,许多钍的用途,都被人们用更安全的途径所取代。但正如之前所说,钍在地球上广泛存在,即使不特意开采,钍也会作为稀土金属生产的副产品存在。近年来对稀土金属的开发利用,也让钍的产量随之增加。如何利用这些钍资源,变废为宝,也是近年来人们在研究的课题。自上世纪50年代以来,伴随着和平利用核能的快速发展,把钍当作核燃料开发,逐渐成为钍资源最有前景的利用途径。

  现在人们对核能的利用,通常是通过U235的裂变反应。按照目前估计的核能发展趋势,地球上的U235储量,将与化石能源几乎同时枯竭,人类正在面临核燃料U235缺乏的危机。

  而同为放射性元素的钍,在地壳中的储量大约是铀的4倍。但自然界中存在的Th232并不会自发裂变。不过人们研究发现,Th232能吸收中子,转变成Th233,Th233的半衰期仅为21.83分钟,会通过β衰变成Pa233。Pa233的半衰期为27天,会再次通过β衰变为U233。U233是易裂变的,可以像U235或者Pu239一样用作核燃料。当U233经历核裂变时发射的中子可以进一步撞击Th232原子核,继续循环这一过程。

  和传统的U235裂变相比,钍在地壳中的含量更高,更廉价。其次,使用钍作为核燃料更安全。与传统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Pu239相比,钍-铀核燃料不适于生产武器级核燃料,只能用于产生核能,避免了核能利用过程中的核武器扩散风险。而且,它反应过程中产生的危险废料也相对较少,仅为铀的万分之一,并且可以在100年内衰变为没有放射性的物质,对现有的核废料也能够再利用,实现新一代绿色、和平的核利用。

  正是基于以上的优点,各国近年来都在大力研究基于钍的核能系统。我国的钍基熔盐堆核能系统(TMSR)也取得了重要突破,预计于2030年后在全球率先实现商业应用,相信在不远的将来,“钍”会真正脱离土的“本色”,以崭新的面貌为人类提供源源不断的绿色清洁能源。

  (作者单位:中国地质调查局呼和浩特自然资源综合调查中心)

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