“钍”可一点也不土

　　◎  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）