高效清潔安全廉價(jià)的新能源—釷

車長(zhǎng)波?高煖

作為未來(lái)的一種新能源，釷相對(duì)鈾具有高效、清潔、安全、廉價(jià)等特點(diǎn)，其發(fā)展前景已引起世界各國(guó)及科學(xué)家們的高度重視和普遍看好。許多國(guó)家不惜斥巨資，對(duì)應(yīng)用釷及建設(shè)釷基反應(yīng)堆進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，以期早日為本國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供長(zhǎng)久穩(wěn)定的能源保障。

基本概況

釷是由瑞典化學(xué)家J.J.Berzelius于1828年在挪威的黑色花崗巖中發(fā)現(xiàn)的，化學(xué)元素符號(hào)是Th，原子序數(shù)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(dú)立礦物、類質(zhì)同像及分散三種賦存狀態(tài)。在天然化合物中，僅以四價(jià)態(tài)存在，地球化學(xué)習(xí)性穩(wěn)定。實(shí)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(zhì)）中，以絡(luò)合物形式進(jìn)行遷移，在花崗巖、堿性巖等侵入體內(nèi)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(wěn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，沉積巖中，陸源沉積建造具有相對(duì)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(lái)源于含釷副礦物。我國(guó)釷資源主要賦存在幾類釷礦床：1.正長(zhǎng)巖、堿性巖和過(guò)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(dú)居石。曾進(jìn)行過(guò)釷礦勘查和有過(guò)釷礦記載的國(guó)家有40多個(gè)，分布在歐洲、美洲、非洲、亞洲及大洋洲。

釷資源較多的國(guó)家有巴西、土耳其、美國(guó)、印度、澳大利亞。2008年，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）與核能源署（NEA）共同發(fā)布一篇報(bào)告，美國(guó)的釷探明儲(chǔ)量約40萬(wàn)噸、土耳其為34.4萬(wàn)噸、印度為31.9萬(wàn)噸。到2009年，澳大利亞宣布其達(dá)到48.9萬(wàn)噸。

我國(guó)釷資源比較豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，20多個(gè)省份已發(fā)現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的釷資源。2005年中國(guó)科學(xué)院的資料顯示，內(nèi)蒙古白云鄂博礦區(qū)釷儲(chǔ)量約為22萬(wàn)噸，約占全國(guó)釷礦產(chǎn)儲(chǔ)量28.6萬(wàn)噸的77.3%。

釷能源的優(yōu)勢(shì)

釷經(jīng)過(guò)中子轟擊可轉(zhuǎn)化為原子燃料鈾233，因此它是潛在的核燃料。20世紀(jì)50年代，科學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到釷是開發(fā)核能源最好的材料，但由于處在特殊的歷史時(shí)期，商業(yè)利益高、軍事用途大的鈾得到了大力發(fā)展，釷則被束之高閣。當(dāng)前在綠色環(huán)保主題和核危機(jī)恐慌的背景下，釷順理成章地出現(xiàn)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(yōu)勢(shì)再次被人們所認(rèn)識(shí)。釷的儲(chǔ)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(jià)格較鈾要低，更加經(jīng)濟(jì)。釷在能源利用與廢料處理方面，亦有著過(guò)人之處。釷在核反應(yīng)中能更充分地釋放能量，一噸釷裂變產(chǎn)生的能量抵得上200噸鈾，相當(dāng)于350萬(wàn)噸煤炭。釷雖同為放射性元素，但它的放射性遠(yuǎn)低于鈾。釷在裂變過(guò)程中產(chǎn)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(tǒng)只會(huì)產(chǎn)生極少量的钚。釷產(chǎn)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(yīng)堆在大氣壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，分解過(guò)程不產(chǎn)生氫，發(fā)生事故不會(huì)造成廠區(qū)爆炸。釷裂變實(shí)驗(yàn)證明，釷的核反應(yīng)過(guò)程具有很高的可控性，釷元素一旦脫離核反應(yīng)的高溫或富中子環(huán)境，核反應(yīng)就會(huì)立即停止，釷能源使用的安全性是其他核能無(wú)法比擬的?！稗D(zhuǎn)化率高、增殖力強(qiáng)、高毒性放射性核素量少、防止核擴(kuò)散、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定”是釷-鈾燃料循環(huán)所具有的優(yōu)勢(shì)。

國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)際上釷核能利用研究大體分為三個(gè)階段：上世紀(jì)60-70年代，由于石油危機(jī)，促進(jìn)了核能的發(fā)展，也帶動(dòng)了對(duì)釷利用的研究，美國(guó)、日本、印度、英國(guó)、加拿大等國(guó)在不同程度上，在各種實(shí)驗(yàn)堆和動(dòng)力堆中使用過(guò)釷燃料。80-90年代，由于鈾的大量發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致價(jià)格下降，以及核事故對(duì)核能利用的負(fù)面影響，多數(shù)國(guó)家中止了釷燃料利用的研究。唯有印度始終堅(jiān)持釷燃料循環(huán)的研究開發(fā)。90年代以后，一些發(fā)達(dá)國(guó)家又重新對(duì)釷燃料產(chǎn)生了興趣。他們重視釷鈾燃料循環(huán)研究的主要目的有四點(diǎn)：一是充分利用釷資源保障核燃料可靠供應(yīng)；二是利用釷燃料反應(yīng)堆焚燒大量庫(kù)存的軍用和民用钚；三是利用釷基燃料循環(huán)顯著降低核電站廢物毒性；四是利用釷基燃料循環(huán)顯著提升防核擴(kuò)散能力?；谏鲜鲆c(diǎn)，各國(guó)均針對(duì)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(huán)，開展了大量不同程度試驗(yàn)規(guī)模的研究工作，并制造出燃料進(jìn)行了入堆考驗(yàn)。

目前，印度開發(fā)的釷基燃料循環(huán)已接近工業(yè)應(yīng)用水平。鈾資源的匱乏，使印度將釷燃料確定為核電發(fā)展戰(zhàn)略的核心內(nèi)容，并且在釷技術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用方面取得了突破性進(jìn)展，其擁有世界上唯一的U233實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，釷鈾核電站研究開發(fā)已有重大突破。印度制定了三階段核能發(fā)展計(jì)劃，預(yù)定于2050年左右實(shí)現(xiàn)釷基燃料反應(yīng)堆大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。

2013年，挪威油服公司斥資18億美元進(jìn)行小型化和系列化的開發(fā)，將含90%的釷和10%钚的燃料棒在反應(yīng)堆中試用，項(xiàng)目預(yù)期時(shí)間5年，目前一切順利。英國(guó)科學(xué)家在曼徹斯特建起了釷能源研究機(jī)構(gòu)，用以設(shè)計(jì)制造釷能源反應(yīng)堆的小型加速器（EMMA）。以色列科學(xué)家發(fā)明的“釷反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)”已通過(guò)在美國(guó)賓夕法尼亞的習(xí)平波特的一系列堆芯中試驗(yàn)，獲得美國(guó)專利。美國(guó)激光能源系統(tǒng)（LPS）公司宣布已經(jīng)研發(fā)出了釷能源汽車，將在2014年向市場(chǎng)提供。此外，加拿大、德國(guó)等十幾個(gè)國(guó)家也針對(duì)釷燃料進(jìn)行了研究。研究的主要目的是對(duì)現(xiàn)行的反應(yīng)堆稍加改動(dòng)，有效利用钚，以防止钚的累積且可節(jié)約天然鈾資源。

我國(guó)研究歷程

1965年，我國(guó)就曾召開全國(guó)釷利用會(huì)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(huán)的基礎(chǔ)三個(gè)部分。清華大學(xué)自2001年始與加拿大原子能公司合作開發(fā)釷基先進(jìn)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(guān)于保護(hù)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(yáng)予正牽頭撰寫《釷的核能利用研究》報(bào)告，將我國(guó)關(guān)于釷的核能利用研究正在提上日程。2008年12月，國(guó)家能源局組織召開 “釷資源核能利用專家研討會(huì)”，對(duì)我國(guó)當(dāng)前釷資源核能利用的重要性和迫切性、現(xiàn)存問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了探討。2009年9月，我國(guó)在包頭召開 “2009釷資源核能利用國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)”，包頭市已成為我國(guó)釷資源核能利用研發(fā)生產(chǎn)基地。2011年1月，中國(guó)科學(xué)院首批啟動(dòng)的戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)之一，“未來(lái)先進(jìn)核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”正式啟動(dòng)。科學(xué)目標(biāo)是用20年時(shí)間，研發(fā)出新一代核能系統(tǒng)，所有技術(shù)均達(dá)到中試水平并擁有全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)。3年來(lái)，明確了總體發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)路線，在熔鹽堆概念設(shè)計(jì)、驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)架搭建、理論方法研究等方面取得了具有國(guó)際影響的重要進(jìn)展，在熔鹽材料研究方向取得了國(guó)際領(lǐng)先的成果，在結(jié)構(gòu)材料研制方面取得了突破性進(jìn)展。2013年9月，長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)所在核純釷的分離純化方面取得重要進(jìn)展，發(fā)明了一種釷的純化方法，并獲得了國(guó)家專利授權(quán)，為核純釷的制備打下了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，該技術(shù)鏈條的實(shí)施也有利于實(shí)現(xiàn)釷資源的高值化，促進(jìn)釷的回收，從源頭消除釷對(duì)環(huán)境的放射性污染。2014年1月，“中國(guó)科學(xué)院釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)卓越創(chuàng)新中心”在上海成立。

中科院制定的“核能中長(zhǎng)期發(fā)展路線圖”顯示：到2015年集中力量加強(qiáng)釷—鈾循環(huán)和熔鹽反應(yīng)堆技術(shù)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)攻關(guān)，在此后的2020年和2030年前后，力爭(zhēng)完成10兆瓦的釷基熔鹽原型堆和100兆瓦的示范堆。我國(guó)結(jié)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(yīng)堆堆型，秦山核電站興建的加壓重水反應(yīng)堆，是利用釷燃料比較成熟的技術(shù)，建成后將為我國(guó)工業(yè)化應(yīng)用釷燃料提供條件。

（作者車長(zhǎng)波為國(guó)土資源部地質(zhì)勘查司副司長(zhǎng)研究員；高煖為中國(guó)石油大學(xué)碩士研究生）