高效清潔安全廉價的新能源—釷

車長波?高煖

作為未來的一種新能源，釷相對鈾具有高效、清潔、安全、廉價等特點，其發展前景已引起世界各國及科學家們的高度重視和普遍看好。許多國家不惜斥巨資，對應用釷及建設釷基反應堆進行技術攻關，以期早日為本國經濟發展提供長久穩定的能源保障。

基本概況

釷是由瑞典化學家J.J.Berzelius于1828年在挪威的黑色花崗巖中發現的，化學元素符號是Th，原子序數90，原子量232.0381，屬錒系元素。天然釷只有一種同位素Th232，具有放射性，釋放出α粒子，半衰期1.39×1010年，最后變成Pb208。

釷是典型的親石元素，主要有獨立礦物、類質同像及分散三種賦存狀態。在天然化合物中，僅以四價態存在，地球化學習性穩定。實際資料中顯示高溫、高壓下釷的活性增加，可以在熱流體（水介質）中，以絡合物形式進行遷移，在花崗巖、堿性巖等侵入體內部或附近的圍巖中形成高溫釷礦床。釷的亞硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽等，在流體中穩定性較差，基本為沉淀物。

大陸火成巖巖石系列中，酸性和堿性巖釷質量分數最高，沉積巖中，陸源沉積建造具有相對較高的釷豐度值。釷礦床主成礦類型為碳酸巖型和脈型，兩者占到釷總資源量的71%。釷礦床大部分資源量來源于含釷副礦物。我國釷資源主要賦存在幾類釷礦床：1.正長巖、堿性巖和過堿性巖中的釷礦床；2.熱液脈狀釷礦床；3.釷砂礦。

世界釷資源十分豐富，已知的釷礦物和含釷礦物約有120種，其中大部分含鈾和稀土元素，主要釷礦物有：方釷石、釷石、獨居石。曾進行過釷礦勘查和有過釷礦記載的國家有40多個，分布在歐洲、美洲、非洲、亞洲及大洋洲。

釷資源較多的國家有巴西、土耳其、美國、印度、澳大利亞。2008年，國際原子能機構（IAEA）與核能源署（NEA）共同發布一篇報告，美國的釷探明儲量約40萬噸、土耳其為34.4萬噸、印度為31.9萬噸。到2009年，澳大利亞宣布其達到48.9萬噸。

我國釷資源比較豐富，據不完全統計，20多個省份已發現相當數量的釷資源。2005年中國科學院的資料顯示，內蒙古白云鄂博礦區釷儲量約為22萬噸，約占全國釷礦產儲量28.6萬噸的77.3%。

釷能源的優勢

釷經過中子轟擊可轉化為原子燃料鈾233，因此它是潛在的核燃料。20世紀50年代，科學家們已經認識到釷是開發核能源最好的材料，但由于處在特殊的歷史時期，商業利益高、軍事用途大的鈾得到了大力發展，釷則被束之高閣。當前在綠色環保主題和核危機恐慌的背景下，釷順理成章地出現在人們的視野中。作為一種清潔能源，釷能自身具備的很多優勢再次被人們所認識。釷的儲量是鈾的3-4倍，而且100%可以利用。地殼表面的釷就是釷-232，幾乎不含釷的其他同位素，在原料提取中十分方便。釷資源量大、利用率高，決定了釷的價格較鈾要低，更加經濟。釷在能源利用與廢料處理方面，亦有著過人之處。釷在核反應中能更充分地釋放能量，一噸釷裂變產生的能量抵得上200噸鈾，相當于350萬噸煤炭。釷雖同為放射性元素，但它的放射性遠低于鈾。釷在裂變過程中產生的核輻射只有鈾裂變的0.6%。在核廢料處理方面，釷能核電系統只會產生極少量的钚。釷產生的放射性廢料比鈾少50%，毒性周期不到200年，更易處理。另外釷燃料的反應堆在大氣壓力下運轉，分解過程不產生氫，發生事故不會造成廠區爆炸。釷裂變實驗證明，釷的核反應過程具有很高的可控性，釷元素一旦脫離核反應的高溫或富中子環境，核反應就會立即停止，釷能源使用的安全性是其他核能無法比擬的。“轉化率高、增殖力強、高毒性放射性核素量少、防止核擴散、化學性質穩定”是釷-鈾燃料循環所具有的優勢。

國外研究進展

國際上釷核能利用研究大體分為三個階段：上世紀60-70年代，由于石油危機，促進了核能的發展，也帶動了對釷利用的研究，美國、日本、印度、英國、加拿大等國在不同程度上，在各種實驗堆和動力堆中使用過釷燃料。80-90年代，由于鈾的大量發現導致價格下降，以及核事故對核能利用的負面影響，多數國家中止了釷燃料利用的研究。唯有印度始終堅持釷燃料循環的研究開發。90年代以后，一些發達國家又重新對釷燃料產生了興趣。他們重視釷鈾燃料循環研究的主要目的有四點：一是充分利用釷資源保障核燃料可靠供應；二是利用釷燃料反應堆焚燒大量庫存的軍用和民用钚；三是利用釷基燃料循環顯著降低核電站廢物毒性；四是利用釷基燃料循環顯著提升防核擴散能力。基于上述要點，各國均針對快堆、重水堆、輕水堆、高溫氣冷堆、石墨慢化堆等的釷基燃料循環，開展了大量不同程度試驗規模的研究工作，并制造出燃料進行了入堆考驗。

目前，印度開發的釷基燃料循環已接近工業應用水平。鈾資源的匱乏，使印度將釷燃料確定為核電發展戰略的核心內容，并且在釷技術研究和工業應用方面取得了突破性進展，其擁有世界上唯一的U233實驗反應堆，釷鈾核電站研究開發已有重大突破。印度制定了三階段核能發展計劃，預定于2050年左右實現釷基燃料反應堆大規模商業應用。

2013年，挪威油服公司斥資18億美元進行小型化和系列化的開發，將含90%的釷和10%钚的燃料棒在反應堆中試用，項目預期時間5年，目前一切順利。英國科學家在曼徹斯特建起了釷能源研究機構，用以設計制造釷能源反應堆的小型加速器（EMMA）。以色列科學家發明的“釷反應堆堆芯設計”已通過在美國賓夕法尼亞的習平波特的一系列堆芯中試驗，獲得美國專利。美國激光能源系統（LPS）公司宣布已經研發出了釷能源汽車，將在2014年向市場提供。此外，加拿大、德國等十幾個國家也針對釷燃料進行了研究。研究的主要目的是對現行的反應堆稍加改動，有效利用钚，以防止钚的累積且可節約天然鈾資源。

我國研究歷程

1965年，我國就曾召開全國釷利用會議，之后40年研究，主要集中在釷熱中子增殖堆方案、釷鈾燃料的水法后處理、鈾釷燃料循環的基礎三個部分。清華大學自2001年始與加拿大原子能公司合作開發釷基先進重水堆，已獲得不少突破。2005年，中科院徐光憲等15位院士提出《關于保護白云鄂博釷和稀土資源，避免黃河和包頭受放射性污染的緊急呼吁》。2007年，中科院院士歐陽予正牽頭撰寫《釷的核能利用研究》報告，將我國關于釷的核能利用研究正在提上日程。2008年12月，國家能源局組織召開 “釷資源核能利用專家研討會”，對我國當前釷資源核能利用的重要性和迫切性、現存問題及應對措施進行了探討。2009年9月，我國在包頭召開 “2009釷資源核能利用國際學術研討會”，包頭市已成為我國釷資源核能利用研發生產基地。2011年1月，中國科學院首批啟動的戰略性先導科技專項之一，“未來先進核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統”正式啟動。科學目標是用20年時間，研發出新一代核能系統，所有技術均達到中試水平并擁有全部知識產權。3年來，明確了總體發展規劃和技術路線，在熔鹽堆概念設計、驗證試驗臺架搭建、理論方法研究等方面取得了具有國際影響的重要進展，在熔鹽材料研究方向取得了國際領先的成果，在結構材料研制方面取得了突破性進展。2013年9月，長春應用化學所在核純釷的分離純化方面取得重要進展，發明了一種釷的純化方法，并獲得了國家專利授權，為核純釷的制備打下了良好的基礎。同時，該技術鏈條的實施也有利于實現釷資源的高值化，促進釷的回收，從源頭消除釷對環境的放射性污染。2014年1月，“中國科學院釷基熔鹽堆核能系統卓越創新中心”在上海成立。

中科院制定的“核能中長期發展路線圖”顯示：到2015年集中力量加強釷—鈾循環和熔鹽反應堆技術的基礎研究和技術攻關，在此后的2020年和2030年前后，力爭完成10兆瓦的釷基熔鹽原型堆和100兆瓦的示范堆。我國結合高溫氣冷堆和加壓重水堆，正探索釷資源利用途徑和合理反應堆堆型，秦山核電站興建的加壓重水反應堆，是利用釷燃料比較成熟的技術，建成后將為我國工業化應用釷燃料提供條件。

（作者車長波為國土資源部地質勘查司副司長研究員；高煖為中國石油大學碩士研究生）