除非你很喜歡關于煤氣燈和使其光線明亮的燈罩的瑣事，否則你可能從未聽說過釷，但你在未來可能會聽到更多關于它的消息。這種不起眼的金屬將有朝一日可以跟鈾相媲美，進而成為核燃料的首選。
釷是什么？
釷由瑞典化學家Jons Jakob Berzelius于1828年發(fā)現，以北歐的雷神Thor命名。它是一種略帶放射性的金屬，在世界各地的巖石和土壤中都有微量存在，其中在印度和愛達荷州尤其豐富。
釷只有一種主要的同位素--232Th，它的其他同位素則只以微小的痕跡存在。這種同位素最終會衰變?yōu)殂U同位素208Pb。不過使釷變得有趣的是，232Th可以很容易地吸收經過的中子然后將其變成233Th。這種新同位素會在幾分鐘內發(fā)出一個電子和一個反中子進而成為233Pa--一種鈀的同位素。它的半衰期為27天，隨后會轉化為一種叫做233U的鈾同位素。換言之，核燃料。
然而挑戰(zhàn)在于對燃料和反應堆的設計，進而使其產生的233U比反應堆消耗的多。如果能做到這一點，那么釷就比鈾有優(yōu)勢，因為鈾不能產生更多的燃料或在傳統(tǒng)反應堆中“繁殖”。另外，也有可能將釷和钚混合成一種混合燃料，然后在钚被消耗的同時產生鈾。
這當中的訣竅是找到燃料的最佳混合和安排，進而可以處理中子和它們的吸收。另外，釷也會吸收快中子，所以它們也可以用于快速熔鹽反應堆和其他現在正在出現的第四代反應堆，通過鈾或钚燃料來啟動裂變--盡管它不像238U那樣好用。
釷反應堆
自1960年以來，從橡樹嶺國家實驗室的釷基核反應堆開始已經建造了一些釷反應堆，目前還有一些研究反應堆在運行?，F在，雖然釷被一些人視為能源和環(huán)境問題的千年解決方案，但因為高額的啟動成本和一些技術障礙，這種方案也就無法啟動。
據了及誒，發(fā)展如此緩慢的部分原因是，鈾基反應堆和支持它們的基礎設施在第二次世界大戰(zhàn)后有一個長期的起步。20世紀70年代，液態(tài)金屬快中子反應堆(LMFBR)的發(fā)展似乎比釷的商業(yè)應用更有發(fā)展前景，美國政府在1973年后基本上放棄了釷的研究。
等到21世紀初，該領域的許多工程師甚至不知道釷反應堆?，F在，有許多不同的釷反應堆設計正在開發(fā)，特別是在印度和中國。以下是一些正在運行、正在建造或仍在繪圖板上有關釷反應堆的情況：
先進重水反應堆(AHWR)
這些反應堆的中子被重水減緩或緩和，重水在化學上跟普通輕水相同，但氫原子被氘取代，氘是帶有一個額外中子的氫(2H)。冷卻則是通過輕水在重力驅動的水池中自然循環(huán)進行的。
由于釷會吸收中子，所以它是AHWR的一個非常好的燃料。此外，該技術已經在CANDU等重水反應堆中使用了幾十年。當驅動燃料被回收的233U取代，所產生的能量就有80%來自釷循環(huán)。
印度最新的設計--AHWR-300反應堆將在孟買的巴哈原子研究中心(BARC)投產時使用釷芯。
水均勻反應堆(AHR)
水均勻反應堆(AHR)跟其他反應堆不同，它們的核鹽如硫酸鈾或硝酸鈾溶解在輕水或重水中作為燃料源、冷卻劑和慢化劑。通過使用重水，其有可能將可溶性釷鹽引入其中。
沸水反應堆(BWR)
顧名思義，沸水反應堆通過煮沸冷卻劑水來產生蒸汽進而使渦輪機旋轉。它們的優(yōu)點是設計靈活、不同長度和成分的燃料棒可以在堆芯中排列以適應釷钚燃料。在這些反應堆中，可以通過配置釷元素的方式將BWR變成一個增殖反應堆，其產生的燃料比它消耗的多，而這在熱中子堆芯中通常是不可能的。
壓水式反應堆(PWR)
壓水式反應堆(PWR)是最常見的核反應堆之一，其使用一個設置在壓力容器中的堆芯來提高水溫。雖然有可能為這些反應堆生產釷燃料元件，但它們的設計不是很靈活且無法生產出大量的233U。
熔鹽反應堆(MSR)
熔鹽反應堆(MSR)使用加熱到700°C的鹽的混合物作為冷卻劑和核燃料的容器。在這種情況下，氟化釷和氟化鈾的混合物混合在鹽中，而不是包含在燃料棒中。因為它在大氣壓力下運行并允許在關閉時使用被動安全系統(tǒng)，所以不僅使反應堆更有效率，而且還消除了對容納反應堆的重型結構的需要。此外，該反應堆可以定期補充燃料并通過化學循環(huán)清洗副產品，而且它還有可能成為增殖反應堆。
高溫氣冷式反應堆(HTR)
高溫氣冷式反應堆(HTR)是第四代反應堆，它使用的釷基燃料是涂有熱解碳和碳化硅層的鵝卵石形式，它們可以保留裂變氣體，之后涂上石墨作為慢化劑，進而保護燃料免受高溫影響。這些卵石床反應堆在頂部輸入燃料，廢卵石則從底部取出。冷卻通過惰性氦氣的循環(huán)發(fā)生。
快中子反應堆(FNR)
快中子反應堆(FNR)使用快中子，而非傳統(tǒng)類型反應堆中使用的慢中子或熱中子。這種類型的反應堆不需要慢化劑來運作，它可以燃燒釷，但它也可以使用貧化鈾，貧化鈾供應量大且相對便宜。
加速器驅動反應堆(ADS)
加速器驅動反應堆(ADS)是一個概念反應堆，可以使用跟钚混合的釷。在這種設計中，燃料被保持在一個比維持核反應所需的更低的密度。反之，燃料被一個粒子加速器產生的中子轟擊。這使得它非常安全并產生非常短命的核廢料，但為這樣的反應堆建造一個足夠可靠的加速器仍是一個主要障礙。
優(yōu)勢與劣勢
釷作為未來的核燃料，跟鈾相比有著許多優(yōu)勢和劣勢。其中最重要的是，另一種燃料來源將極大地增加可用的能源資源。釷在地殼中像鉛一樣豐富，美國的供應可以滿足該國一千年的能源需求，而無需像鈾燃料那樣進行廣泛的濃縮。此外，一些釷反應堆的設計可以比目前的加壓反應堆產生更少的核廢料，且產生的廢料比傳統(tǒng)燃料的同位素衰減得更快。
而在硬幣的另一面，開發(fā)釷核電系統(tǒng)將需要昂貴的開發(fā)和測試，這是很難證明的，因為鈾相對便宜且建造反應堆的成本很少在燃料上。此外，仍需要鈾基燃料作為啟動核反應的驅動力，這意味著釷和鈾的基礎設施都需要被保留下來。
然后是233U的問題，由于輻射問題，233U很難被處理，因為它含有微量的232U，這是一個非?；钴S的伽馬射線發(fā)射器。
誤解
使用釷來生產能源的想法已經吸來了一些誤解，甚至是徹底的陰謀論。部分原因是許多釷反應堆的設計是先進的第四代和增殖反應堆。
這似乎混淆了一些人，讓他們以為所有釷反應堆都比鈾反應堆更先進且釷和增殖反應堆是同義詞。在一些圈子里，這將釷提升為一種神奇的技術，據說它被黑暗勢力壓制得一無是處。
一個持續(xù)存在的誤解是，釷無法用于制造核武器，這就是該技術被放棄的原因。如果我們談論的是釷本身，這是真的，但它產生的233U可以且已經被用于制造炸彈，盡管它的放射性太強，除了專家之外任何人都不能處理，而且如果設計不恰當還會讓233U預先引爆，進而使得武器無法正常運作。
有些人則認為，釷被尼克松政府壓制是因為它無法用于生產钚，而钚可用于核武器。這并不成立，因為美國一直將民用和軍用核項目嚴格分開。并且無論如何，民用反應堆并不適合生產武器級钚。
事實上，釷在很大程度上是由于經濟原因而被放棄的--燃料的制造成本非常高，而鈾在組合中仍需要。
另一個誤解是，釷比鈾多。雖然地殼中的釷確實是鈾的三倍，但釷不溶于水，而鈾可以。這意味著海洋中約有50億噸鈾，而地殼中的釷只有640萬噸，而且在開采過程中會有更多的鈾從地殼中浸出到海中。
簡而言之，雖然釷可以為我們的文明提供數千年的動力，但如果海洋提取變得實用鈾可以為人類提供動力--一直到我們不得不搬到另一顆星上，因為那個時候，太陽已經變得太老了。
然而在印度等地，釷資源豐富且容易獲得，印度正在利用其本土供應來建造釷反應堆。無論如何，由于大多數先進的核反應堆都是增殖器，燃料問題可能很快就變得沒有意義。
最后這一點特別重要，因為雖然釷反應堆產生的長期超鈾核廢料比鈾反應堆少得多，但快中子增殖反應堆跟后處理相結合也有帶來同樣的前景。
未來
目前，釷正在復興，眼下在荷蘭進行熔鹽釷技術的實驗，不僅在印度而且在中國和其他地方也都有在建造著相關的反應堆。在一個越來越關注碳排放的世界里，擴大零碳核電在世界市場上的份額的呼聲也變得越來越強烈。很可能隨著第四代反應堆技術的投入使用，未來的能源將可能來自混合使用了鈾和釷的電網。
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