“釷”可一點也不土
◎? 呂漢秦 孫濤編
釷,，這個略帶“土味”的金屬元素往往不為人知，釷（Thorium）原子序數(shù)90,，其元素符號是Th,。它是一種放射性金屬，屬于錒系元素,。天然釷幾乎全由Th232組成,，此外，還含有1.35×10-8%的Th228,，以及小量含量不定的Th234,，Th230、Th231和Th229,，目前發(fā)現(xiàn)釷同位素共有25種,。
釷的原子量為232.03806，密度11.7g/cm3,，熔點1842攝氏度,，沸點4788攝氏度，外觀呈鋼灰色光澤,，質(zhì)地柔軟,。在地球上,，釷的豐度為10.5×10-6，約為鈾的4倍,，它并不以單質(zhì)形式存在,，多數(shù)以氧化物的形式，與稀土金屬和鉿等金屬的氧化物共生,，存在于獨居石等礦物內(nèi),。由于釷是親氧(石)元素，因此釷具有明顯的上地殼富集的特征,。
釷的發(fā)現(xiàn)
1815年,，被譽為現(xiàn)代化學(xué)創(chuàng)始人之一的瑞典化學(xué)家貝齊里烏斯，分析一種瑞典出產(chǎn)的礦石時,，發(fā)現(xiàn)了一種和鋯的氧化物很相似,，新的未知金屬的氧化物。他用古代北歐雷神托爾（Thor）命名這一新金屬為Thorine（釷）,，并給出了它的拉丁名稱Thorium和元素符號Th,。由于貝齊里烏斯是化學(xué)界的權(quán)威，所以當(dāng)時的化學(xué)家們都承認(rèn)了這一發(fā)現(xiàn),?？墒牵慅R里烏斯在10年后發(fā)表文章說,，通過研究更多的相同礦物發(fā)現(xiàn),，那些并不是被稱為Thorine的氧化物，而只是磷酸釔,，他撤銷了自己對釷的發(fā)現(xiàn),。到了1828年，貝齊里烏斯在分析一種來自挪威南部勒峰島上所產(chǎn)的礦石時,，發(fā)現(xiàn)其中有一種當(dāng)時未知的元素，于是再次以Thorine命名它?，F(xiàn)在已經(jīng)明確,，這種礦石的主要成分是硅酸釷（ThSiO4）。
1897年,，居里夫人發(fā)現(xiàn),，釷發(fā)出的射線與鈾相同，而且射線的強度不取決于化學(xué)成分,，只取決于樣品中鈾或釷的含量,。她得出結(jié)論，輻射并不取決于分子中原子的排列,，而是與原子本身的內(nèi)部有關(guān),。這是一個革命性的發(fā)現(xiàn),，完全改變了物理學(xué)的領(lǐng)域。
釷的秘密
由于釷在自然界中與稀土元素和鈾緊密結(jié)合,，非常難以分離,，直到1914年，才通過電解法首次分離出比較純的金屬釷?，F(xiàn)在制備釷最常用的方法,，是在氬氣或真空環(huán)境下，用金屬鈣高溫還原氧化釷,。
100多年前,，英國人發(fā)明了煤氣燈，使人類的照明方法向前邁進了一大步,。最初,，這種燈很不安全，在室內(nèi)容易發(fā)生危險,，因此只當(dāng)作路燈使用,，但煤氣燃燒時發(fā)出的光并不明亮，后來,，馮·韋爾塞巴赫發(fā)明并改進了一種用于煤氣燈的燈罩,，解決了這一問題。
他用99%的硝酸釷和1%的硝酸鈰溶液,，浸泡被織成網(wǎng)狀的布料,，制成了燈罩。在高溫下,，硝酸釷會分解成氧化釷,，氧化釷的高熔點，有助于化合物在火焰中保持固態(tài),。而釷在高溫下發(fā)出的光,，幾乎全部都在可見光譜中，因此能顯著地提高火焰的亮度,。
在1892年商業(yè)化引入這種新的燈罩之后,，它迅速蔓延到整個歐洲，在20世紀(jì)初廣泛引入電氣照明之前,，煤氣燈罩仍然是歐洲街道照明的最主要方式,。不過在煤氣燈燃燒的過程中，產(chǎn)生的氧化釷顆粒會不可避免地飄散到空氣中,，通過呼吸進入人體,，引起內(nèi)照射，引發(fā)多種疾病和癌癥,，危害人體健康,。進入20世紀(jì)后,，人們對放射性的危害越發(fā)重視，這種煤氣燈也逐漸被淘汰,。
1931年至1940年末,，人們曾用一種穩(wěn)定的膠質(zhì)氧化釷懸浮液，作為血管造影中的放射性對比劑,，但這種造影劑會聚集在微血管中,，導(dǎo)致局部放射性過高，引發(fā)各種癌癥,，后來,，釷造影劑也逐漸被硫酸鋇和碘化合物所取代。
釷的未來
自20世紀(jì)50年代以來,，考慮到放射性危害,，許多釷的用途，都被人們用更安全的途徑所取代,。但正如之前所說,，釷在地球上廣泛存在，即使不特意開采,，釷也會作為稀土金屬生產(chǎn)的副產(chǎn)品存在,。近年來對稀土金屬的開發(fā)利用，也讓釷的產(chǎn)量隨之增加,。如何利用這些釷資源,，變廢為寶，也是近年來人們在研究的課題,。自上世紀(jì)50年代以來,，伴隨著和平利用核能的快速發(fā)展，把釷當(dāng)作核燃料開發(fā),，逐漸成為釷資源最有前景的利用途徑,。
現(xiàn)在人們對核能的利用，通常是通過U235的裂變反應(yīng),。按照目前估計的核能發(fā)展趨勢,，地球上的U235儲量，將與化石能源幾乎同時枯竭,，人類正在面臨核燃料U235缺乏的危機。
而同為放射性元素的釷,，在地殼中的儲量大約是鈾的4倍,。但自然界中存在的Th232并不會自發(fā)裂變。不過人們研究發(fā)現(xiàn),，Th232能吸收中子,，轉(zhuǎn)變成Th233,，Th233的半衰期僅為21.83分鐘，會通過β衰變成Pa233,。Pa233的半衰期為27天,，會再次通過β衰變?yōu)閁233。U233是易裂變的,，可以像U235或者Pu239一樣用作核燃料,。當(dāng)U233經(jīng)歷核裂變時發(fā)射的中子可以進一步撞擊Th232原子核，繼續(xù)循環(huán)這一過程,。
和傳統(tǒng)的U235裂變相比,，釷在地殼中的含量更高，更廉價,。其次,，使用釷作為核燃料更安全。與傳統(tǒng)鈾反應(yīng)堆產(chǎn)生的核廢料中含有大量易于生產(chǎn)核武器的核燃料Pu239相比,，釷-鈾核燃料不適于生產(chǎn)武器級核燃料,，只能用于產(chǎn)生核能，避免了核能利用過程中的核武器擴散風(fēng)險,。而且,，它反應(yīng)過程中產(chǎn)生的危險廢料也相對較少，僅為鈾的萬分之一,，并且可以在100年內(nèi)衰變?yōu)闆]有放射性的物質(zhì),，對現(xiàn)有的核廢料也能夠再利用，實現(xiàn)新一代綠色,、和平的核利用,。
正是基于以上的優(yōu)點，各國近年來都在大力研究基于釷的核能系統(tǒng),。我國的釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）也取得了重要突破,，預(yù)計于2030年后在全球率先實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，相信在不遠的將來,，“釷”會真正脫離土的“本色”,，以嶄新的面貌為人類提供源源不斷的綠色清潔能源。
?。ㄗ髡邌挝唬褐袊刭|(zhì)調(diào)查局呼和浩特自然資源綜合調(diào)查中心）
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