核能“傳奇”與稀土“神話”

霍知節

當前，人類面臨著全球性的常規能源危機。煤炭、石油、天然氣資源后備儲量不足；風能、太陽能的開發受限于客觀自然條件，尚未在全球應用；水電的開發能力依舊薄弱，工業生產和日常生活用電嚴重短缺。鑒于此，相對安全且高效的核能，成為世界許多強國選擇發展的戰略重點。核能自問世以來，就以其無可匹敵的高效和高風險演繹了人類發展史上能源利用的一段傳奇。稀土則以其“無所不能”“無孔不入”的超強能力，盡顯了材料史上的神話。無疑，核能與稀土的聯手將是想象力與創造力的新挑戰。那么，就讓我們進入這些“傳奇”與“神話”之中，揭開它們背后的面紗。

1 核能開天辟地的“傳奇”

1.1 核能“身世”之謎

核能（nuclear energy）是20世紀的一項偉大發現，不到百年已取得了舉世矚目的輝煌成就。它是非常重要的新型清潔能源，無煙塵排放，無硫、氮等氧化物的化學污染，尤其是不會產生造成地球溫室效應的二氧化碳氣體。核能的整個生產環節所產生的有害氣體很少，就污染度而言，使其他燃料和能源望塵不及。此外，核能因其燃料能量密度大，為化石燃料的好幾百萬倍，故極便于運輸和儲存。當然，核能也有致命的缺點，會有放射性物質產生，但是通常因為防護工作和措施的到位，還是相對安全的。核能的“傳奇”就在于其“巨能”，讓同質量的能源望而生畏。據計算1kg鈾（U）—235裂變釋放的能量相當于2 500t標準煤燃燒釋放的能量。為什么會有如此大的能量呢？化學能是通過化學反應中原子間的電子交換，獲得能量。以煤或石油燃燒為例，每個碳或氫原子在其氧化過程中，僅僅釋放出幾個電子伏的能量，核能則不然，它仰仗原子核里的中子或質子，進行能量的重新分配可形成“巨能”。

“巨能”從哪里來？核能到底為何物？核能就是原子能，通過轉化其質量從原子核釋放的能量，符合愛因斯坦的質能方程E=mc2 （E：能量；m：質量；c：光速常量）。由其核反應釋放能量的方式，核能可劃分為3大類：第一類為裂變能，通過核裂變反應方式，即“鏈式裂變反應”打開原子核的結合力獲得能量，如鈾、钚（Pu）等重元素的原子核發生分裂時，均可釋放能量，迄今只有核裂變能實現了工業應用。

第二類為聚變能，通過核聚變反應方式，即“熱核反應”將原子的粒子熔合在一起獲得能量，如氘 （2H） 和氚 （3H） 等氫元素的原子核發生聚合反應時，所釋放的能量，核聚變釋放的能量遠大于核裂變。為什么會有如此“神奇威力”呢？“氘”，核聚變的主要材料，以重水的“身份”定居于海水中。換言之，它就是重氫，氫的同位素，質量數為2，氘的量約占氫的0.015%。以1L海水中的氘為例，通過核聚變可以釋放出多少能量呢？相當于燃燒300L汽油所釋放出的能量。經測算將全球海水中氘所蘊含核聚變能，可供我們高消費50億年。于是各國競相打造“核聚變的傳奇”，2002年12月2日，中國的第一代受控核聚變裝置——“中國環流器二號A裝置”橫空出世，進一步推進了該領域的研究發展，并為國際合作奠定了基礎。

第3類為衰變能，通過原子核衰變所發出的放射能。以上述釋放出能量的原理為基礎，世界各國先后開發出了能源、動力裝置和戰略武器，主要將其應用于核發電站 （圖1），更多應用于武器裝備，如耳熟能詳的核潛艇、原子彈，以及氫彈（圖2） 和中子彈 （圖3） 等。就目前發展趨勢看，核聚變能和太陽能將是人類未來的主要能源，核裂變能則是當下化石能向未來能源過渡的替代者。

1.2 硬“核傳奇”

核能的早期發現者和探索者主要為西方科學家，他們的貢獻與成就奠定了核能的理論和應用基礎。尤其是19世紀末20世紀初，核能呈現井噴式的發展，眾人拾柴成就了硬“核傳奇”。英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆遜（Thomson Joseph John，1856—1940）發現了電子，德國物理學家威廉·康拉德·倫琴（德語：Wilhelm R ntgen，1845—1923）則發現了X射線，法國物理學家安東尼·亨利·貝克勒爾（法文：Antoine Henri Becquerel，1852—1908）發現其具有放射性，居里夫婦則發現了新的放射性元素釙（Po）。進入20世紀后，1902年居里夫人歷經4年艱苦探索，終于發現了另一放射性元素鐳（Ra）。3年后，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）研究得出質能轉換公式。1914年英國物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）在艱辛的實驗下，發現了質子，即帶一個單元正電荷的氫原子核，而且他還“神”預言了中子的存在。然而中子，則是在1932年的卡文迪許實驗室里，由英國物理學家詹姆士·查德威克（James Chadwick，1891—1974）經多次實驗研究后發現的。此后6年，德國科學家奧托·哈恩（圖4）及其助手在實驗中使用中子轟擊U原子核，他們發現了神奇的“核裂變現象”。

什么是“核裂變現象”？它的“神奇”又在哪里呢？某些放射性元素，可以自發地放出3種不可見的射線：α射線即氦原子核，β射線即高速電子，以及具有最強穿透能力的高能光線，即γ射線。當中子撞擊重的原子核，通常主要是指U或Pu的原子核，以一個U核為例，其吸收了一個中子后，就會分裂為2個或多個質量較輕的原子核，同時發生質能轉換，并釋放出大量的能量，伴隨產生2個或多個中子。在特定的條件下，新生的中子就會繼續引發更多的U原子核裂變，如此“子子孫孫無窮匱也”，這樣代代傳遞，就如環環相扣的鏈條，這就是傳說中“鏈式核裂變反應”（圖5）。

1942年12月2日，以恩利克·費米（圖6）為代表的幾十位科學家，在美國芝加哥大學建成并啟動了全球第一座核反應堆（圖7），當時的功率僅為0.5W，人類由從此進入了新能源時代——核能時代。此前，人類對能源的利用主要是化石能源和電能等，而核能進入我們的生產和生活后，掀起了一場亙古未有的能源結構劇變和革命。

1.3 亙古未有的“核劇變”

1945年8月6日和9日，美國在日本的廣島和長崎先后投放了2顆原子彈，造成了慘烈的傷亡和前所未有的破壞，這就是在“二戰”中人類首次使用的原子彈。之后，世界各國瘋狂地掀了“核競賽”的熱潮，開始將核能應用于軍事及相關的諸多領域，如工業、航空航天等。除美國之外，俄羅斯、日本、英國、法國，以及中國、朝鮮、以色列等多個國家競相開展核能的理論和應用研究。1946年，中國科學家錢三強（圖8）、何澤慧夫婦，在法國居里實驗室發現了U原子核的“三裂變”和“四裂變”現象。鏈式裂變反應釋放出巨大的核能，于是人類將其應用于發電站。1954年，前蘇聯建成了奧布靈斯克核電站，這是世界上的第1座核電站，由此世界各國你追我趕地興建核電站。

當今世界，核武器家族早已“三世同堂”，第1代為裂變武器即原子彈，第2代為氫彈，第3代中子彈，它們無疑是活躍在國際核武器舞臺上的“三劍客”。1962年美國試驗成功世界第一顆中子彈，經政府批準后，1978年正式生產中子彈。此后，法國和前蘇聯迅速跟風，競相研發成功中子彈。這個家伙的“神奇”就在于最大的看家本領“對人不對物”，換言之，中子彈只攻擊和殺傷“有生命目標”，對建筑物、技術裝備設施等“無生命目標”的傷害卻很小。此外，中子彈爆炸時可釋放大量的致命中子，所產生的能量約為同等量原子彈的10余倍，且沖擊波等作用銳減。面對全球亙古未有的“核劇變”，中國是如何探索自己的核能之路的？

2 中國核能“震天撼地”

2.1 舊中國的“核無力”

彼時，美國的原子彈在日本炸出了無與倫比的威力后，內戰中的國民黨政府也蠢蠢欲動，在美方參謀長的“你們要不要派人到美國學習制造原子彈？”的慫恿蠱惑下，立即響應并密謀籌劃“中國的原子計劃”，為此聯系了西南聯大的華羅庚和吳大猷2位教授，還快速籌建了科研機構，遴選了李政道（圖9）、朱光亞（圖10）和唐敖慶等核科研人才，赴美國取造原子彈的“真經”。可是，狡猾的美國人并沒有讓他們直接進入原子彈的核心研究機構，而是分別進入一些大學進修。當時，中國原子核科學高級研究人員也就10余人，還“散作滿天星”，科研設備和器材更是“一無所有”。因為蔣介石正在“聚精會神”地發動內戰，錢物全部用以對共產黨的圍剿，撥款洽購美國核科研設備的政府批文淪為一張廢紙。1946年，我國著名原子物理學家趙忠堯（圖11），留美期間輾轉使用12萬元美金購買了電子靜電加速器，后歷經千難萬險秘密地運回國內。此時已是新中國的1950年，該設備一躍成為原子科研初創期的重要裝備。

2.2 新中國“長纓在手”

可以說，原子彈促進了二戰的結束進程，對世界和平作出了的歷史性的貢獻。但在當時，誰擁有原子彈，誰基本就掌握了對別國的“生殺大權”。中華人民共和國成立后，為了遏止當時有核國家的“核訛詐”，我國高層領導下定決心要研發成功核武器。1951年，法國著名科學家約里奧·居里大力支持中國發展原子彈，除了托回國的科學家帶話給領導人，原子彈并不可怕，但既要反對原子彈，又必須要擁有原子彈。約里奧·居里夫人還將10g含微量鐳鹽的標準源贈予中國，以實際行動支持我國的核科學研究，中國地質部門也迅速開展鈾礦的勘探工作。

新中國高層領導非常重視核工業的建設和發展，將其提到了重要議事日程。1955年1月14日，周恩來總理與地質學家李四光、核物理學家錢三強座談，主要討論核科學研究的具體情況和存在的問題及困難。緊接著第2天，毛澤東主席親自主持召開了“中共中央書記處擴大會議”，他強調中國核工業“只要排上日程，認真抓一下，一定可以搞起來”。這次會議作出了大力發展核工業的戰略決策，中國核工業由此正式起步，開啟了波瀾壯闊的核征程。

我國在《1956—1967年科學技術發展遠景規劃》中，將核工業定為第一重點任務。中共“八大”將其列入第2個五年計劃，并成立“原子能事業部”，1958年更名為“第二機械工業部”，即核工業部（1982年更名）。初創期，以“自力更生為主，爭取外援為輔”為核發展方針。首先研發原子彈，并積極爭取前蘇聯的技術援助。于是1957年2國簽訂了國防新技術協定，蘇承諾提供原子彈的教學模型和圖紙資料給中國，還幫助援建研究性重水反應堆和回旋加速器。確實，與前蘇聯的合作對中國核工業的發展起了重要作用。但是，中國人自立自強的天性，注定永遠不會坐等“免費午餐”。1958年中國科學院原子能研究所正式成立，不過兩三年就成長為全國第一個較完整的綜合性核科學技術研究基地。

中蘇兩國關系惡化后，1960年8月，蘇聯不僅將援助核工業建設的233名專家全部撤回，全面切斷核援助，而且與英、美等西方國家聯手遏制中國核工業的發展。中國只能自力更生發展核工業，目標是：爭取在1960—1964年內，自己造出原子彈進行爆炸試驗，并在8年內有儲備。1961年7月，中央出臺了《關于加強原子能工業建設若干問題的決定》。第2年成立了由15人組成的中央專門委員會，其中有7位是副總理和部長，周恩來總理任主任，來加強對核工業的領導。換言之，這個委員會就是我國當時核工業、核武器研發的總指揮部，規格之高、責任之大前所未有，旨在發動全國力量，確保核研究規劃順利實施。核攻關是一項系統工程，覆蓋面廣，涉及子系統多，全國先后有26個部 （院），20個省、市、自治區，900多家單位加入了攻關會戰。1964年10月16日，中國自主研發的第1顆原子彈裝置爆炸成功，標志著核工業基礎的初步建立。尤其是原子彈的“596”代號，更彰顯了中國人的志氣和決心，它就是當時前蘇聯拒絕提供核技術資料的時間“1959年6月”。我國在原子彈爆炸試驗成功的同時向世界做出鄭重宣布，“中國在任何時候、任何情況下，都不會首先使用核武器”。

2.3 續寫“核能”新篇章

此后，中國核工業主要目標調整為加速原子彈武器化，研發氫彈技術，盡快建成新核基地和完善核工業新布局，以及建造潛艇核動力裝置。1967年6月17日，中國第1顆氫彈爆炸成功，不僅被公認核技術達到世界先進水平，而且研發速度震驚了全世界。因核潛艇已是現代海軍強大的標配，所以中國1958年就著手研制核潛艇。因其動力堆技術難度大且工程復雜，又沒有技術資料、實驗器材和設備，所以進展很緩慢。但是，全國同心，其利斷金。1971年9月，自主研發的第1艘核潛艇（圖12）試航成功，這是我國核領域的又一重大突破。1981年提出了“核工業應在保證軍用的前提下，把重點轉移到為國民經濟利用上來”的新方針。1991年12月15日，浙江秦山核電站建成，由“以軍為主”拓展為“軍民結合”“保軍轉民” ，從而開啟了中國核能的新紀元。

3 稀土與核能的“傳奇”

3.1 核能的“神秘裝置”

產生核能最重要的大型神秘裝置，也是安全利用核能最主要的設備，即“核反應堆”。主要分為2大類：“裂變反應堆”和“聚變反應堆”。前者使用較廣，原子核裂變的鏈式反應就在該裝置中，受控地、可操作地持續進行。“裂變反應堆”的種類很多，若以引起燃料核裂變的中子能量劃分，有快堆、中能堆、熱堆3類。若以慢化中子的材料劃分，分為輕水堆（LWR）、重水堆（HWR）、石墨堆、有機介質堆4類。若以用途可分為3類：①動力堆，以核裂變釋放能量，可為發電、供熱、驅動船艦等提供動力。動力堆又細分為2類：一是如核電站的固定式動力堆，二是如船艦、飛機、火箭所用的移動式動力堆。②生產堆，生產放射性同位素，利用中子生產新的核燃料。③研究堆，利用中子進行基礎科學和應用科學的研究。

現今，世界各國的核科學家都在絞盡腦汁研發先進的核反應堆，以推進核能的快速發展和高效利用，并使其安全性和經濟性更上一層樓。中國的核反應堆已取得了長足的進步和發展，主要有2種先進反應堆：其一是“10MW高溫氣冷實驗堆”，2003年已達到滿功率并網發電，由清華大學核能技術設計研究院設計和研發，優點頗多，如超強的安全性、高發電率，以及較廣的用途。其二是“中國實驗快堆”，由中國原子能科學研究院研發，主要優點能大幅提高鈾的資源利用率。

“裂變反應堆”的基本構成大同小異，都由堆芯和輔助系統組成，即主要有核燃料組件（圖13）、慢化層、反射層、控制棒、冷卻劑和屏蔽層6個基本部分構成。核燃料組件是一個可拆、可換的獨立單元，堆芯內裝有易裂變核素的金屬或陶瓷核燃料，外部常覆以防裂變產物逸出的金屬“燃料包殼”，用以維持鏈式裂變反應，所產生熱能通過冷卻劑向外傳遞。慢化層，就是借助慢化劑與高能中子的多次散射，使裂變反應釋放的高能量中子慢化至其熱能范圍。反射層，設于堆芯周圍，用以減少中子的泄漏量，降低易裂變核素的臨界質量。控制棒（安全棒），由吸收中子的材料所制，通過調節控制棒在堆芯的位置，用以控制鏈式反應的速率保護核系統。冷卻劑，常使用輕水、重水、氦和液態金屬鈉等，將裂變的熱能導出。屏蔽層，設于反應堆周圍，減弱中子及γ劑量。以上諸多裝置構成一個龐雜的冷卻系統、輻射屏蔽系統和安全保護系統，一起為核反應堆保駕護航。由于反應堆的各部件特殊的工作要求，均由性能各異的材料制成。

3.2 稀土核材料的“傳奇”

核材料（nuclear materials）是指用于核科學和核工程的材料總稱。包括反應堆結構材料、功能材料，前者又包括堆芯結構材料和堆外結構材料；后者包含種類較多，如核燃料元件材料、控制材料、慢化材料、反射材料、屏蔽材料、絕緣材料等。稀土金屬以其熱中子俘獲截面的特性，縱橫于核工業的“江湖”。稀土元素家族憑借各自的獨門絕技，在反應堆的結構材料、控制材料及制作慢化劑和核燃料稀釋劑等領域獨當一面。

3.2.1 稀土結構材料

反應堆的特殊功用直接決定了結構材料的性能：強度和熱穩定性較高，耐腐蝕性強，且可防止裂變產物進入冷卻劑。稀土元素釔（Y）可堪“反應堆熱強性結構材料”的大任，Y不僅熱中子俘獲截面小，且熔點高、密度小，還與液體U和Pu“老死不相往來”，更難能可貴的是有強吸氫力。實踐經驗證明，Y還可用于快速增殖反應堆。應用于結構材料還有多種稀土氧化物，如氧化釤（Sm2O3）、氧化銪（Eu2O3）、氧化釓（Gd2O3）等，均為用于熔煉金屬鈾的耐火坩堝的絕佳材料。再如將含有氧化鈰（CeO2）的稀土玻璃材料制作成隔板，不僅有高強的防輻射性能力，而且對于β輻射有很大的穩定性，使玻璃能夠保持高透明度。

3.2.2 稀土控制材料

控制材料，特指用于控制核反應堆反應性的材料。核反應堆是通過核燃料俘獲中子后發生裂變反應，在裂變中，中子會增殖而引起鏈式反應繼續推進。對于反應堆的精準控制尤為重要和關鍵，開啟運轉和停止關閉，以及在一定電功率或熱功率下安全工作的掌控，核心機要就是控制中子數量。換言之，因為通常反應堆固有的中子倍增因子要大于1，所以要通過改變反應堆的中子倍增因子，也就是通過改變中子泄漏或非裂變吸收份額，來實現這一目的。核反應堆最常用的控制方法就是改變“非裂變吸收份額”，這又是如何做到的？簡言之，就是控制棒的“神奇魔力”，通過加插或移走控制棒來實現，即調節熱中子吸收數量以控制分裂速度。無疑對其材料要求較高，不僅要求中子吸收截面大，而且使用期間變化盡可能要小。此外，還要求控制材料與冷卻劑和燃料包殼材料有極好的相容性，優良的輻照穩定性和經濟性，感生放射性要小，且易于加工。

控制材料面對核反應堆嚴苛的要求，堪此大任者非“稀土家族”莫屬。金屬Gd、Sm、Eu、鏑 （Dy）、Er的核吸收中子能力都很強，熱中子吸收截面很大，都是制作反應堆控制棒的優良材料，也是可燃毒物、中子通量抑制劑以及防護層的中子吸收劑。不僅對熱中子的數量有很強的操控性，而且是防護中子輻射的超強防護材料，以上稀土元素常以金屬、氧化物、硼化物碳化物和氮化物的形式投入使用。

稀土控制材料，出沒于核工業江湖的主要形式：①金屬陶瓷控制棒，將Gd、Sm、Eu等稀土金屬氧化物彌散于基體金屬（不銹鋼和鈦合金）中，采用粉末治金法，擠壓成型所制。稀土陶瓷棒性能優越，如含有鈀（Pd）、Gd或Sm的金屬陶瓷棒的熱穩定性好，而且在高溫水中還具有良好的抗蝕性。②金屬控制棒， 由稀土金屬和基體金屬熔制而成的合金控制棒。③陶瓷材料，采用稀土氧化物或者稀土鹽類，與鉬、鎢、鈦等元素的氧化物相混合壓制燒結而。④稀土鹽的固溶體，Gd、Sm、Eu等稀土金屬具有強吸收中子的能力，俘獲截面最大者釓作為吸收劑，因壽命短、燃耗快，只適合制作停堆棒，或者短時間反應堆的控制棒。較便宜的Gd2O3和鋁酸釓的彌散體，也是很好的控制材料。稀土中子吸收材料，Gd2O3在沸水堆U燃料中作為吸收中子材料使用，因為Gd比其他任何元素吸收中子的能力都強。不僅能夠控制鈾裂變速度，而且可以得到均勻的中子通量。將其投入沸水堆的核燃料中，作為可燃毒物使用，不僅可有效解決反應堆反應性下降的問題，還可調整堆芯中子的分布通量而改善核運行。此外，稀土六硼化物及稀土硼酸鹽玻璃，也是前途無量的控制材料。

3.2.3 稀土慢化劑和核燃料稀釋劑

稀土慢化劑，由于Y、Ce、La等元素的熱中子俘獲截面較小，關鍵是吸氫后，都可形成相應的氫化物，將其作為氫的載體，應用于反應堆芯的固體減緩劑。既可慢化中子的速度，又能增加核反應的機率，且熱穩定性極好，是很有前途的高溫堆減速材料。稀土稀釋劑，同樣因為Y、Ce、La的氧化物特性，將其作為燃料原體的稀釋劑，降低蒸氣壓，還可增加導熱性，現常用的有氧化鈾—氧化鈰（CeO2）陶瓷燃料。CeO2可大幅改善核燃料的抗腐蝕性和抗熱裂性，金屬Ce制造的低熔點合金，在钚系統中作為燃料，用于快中子反應堆；氧化鑭、氧化釔除了降低基體蒸氣壓，還可防止核燃料變質；氧化釓則能改進二氧化鈾燃料的導熱性，減少中子損失量。此外，稀土家族還可為核反應堆中反射層材料、屏蔽材料、稀土陶瓷絕緣材料等建功立業，使核能工業更上一層樓。

4 結語

現今，能源危機、環境污染是全球面臨的頭等大事，科學合理利用核能，大力挖掘稀土家族的潛能，它們將會為人類演繹無盡的“傳奇”與“神話”。

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