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钍元素综述李能强 20091842摘要；钍可以用来制作铀同位素233U：通过中子射击钍232Th可以变成233Th，后者通过镤233Pa衰变为铀233U。铀的这个同位素可以裂变，当作核电站的燃料使用。而在地壳里平均每千克物质含7至13毫克钍，也就是说钍是铀的含量的两至三倍。同时，在提取，使用过程中，钍相对铀有更多优势，是潜在的新型核燃料。关键词；钍，钍资源分布，新型核能，钍的应用钍（Thorium）是原子序数为90的元素，其元素符号为Th，属锕系元素，具有放射性。【1】密度11.72克/厘米3。熔点约1750，沸点约4790。在1400以下原子排列成面心立方晶体；当加热达到此温度时，便改为体心立方晶体。银白色金属，长期暴露在大气中渐变为灰色。质较软，可锻造。不溶于稀酸和氢氟酸，但溶于发烟的盐酸、硫酸和王水中。其拉丁文名称来自北欧神话的战神索尔（Thor），钍-232会通过吸收慢中子而变成可作核燃料之用的铀-233。钍、铀两种元素是核能发电厂最重要的燃料。1828年，瑞典化学家永斯贝采利乌斯（Jns Berzelius）在来自一个挪威岛屿的钍石矿中发现了新一种元素，此后由Thor而定名。1898年，玛丽亚居里（Marie Curie）和格哈特施密特（Gerhard Schmidt）分别并同时发现了钍的放射性。发现90年后，化学家才首次得以分离纯的钍。其主要化合物有一下几种；二氧化钍（ThO2）是所有金属氧化物中熔点最高的，达3300摄氏度。只有少数金属如钨和少数化合物如碳化钽的熔点比它高。 硝酸钍（Th(NO3)4）是一种无色的、容易在水和酒精中溶解的化合物。硝酸钍是制造二氧化钍和金属钍过程中的一个重要环节，在制造白炽罩的过程中也有应用。 氮化钍（Th3N4）由炽热的钍与空气中的氮反应而成，有青铜光泽。在空气中它与水汽反应在数小时内分解。碳化钍（ThC2）是黄色的晶体，其熔点为2655摄氏度。碳化钍在约9凯尔温时超导。碳化铀和碳化钍的混合物在高温反应堆中作为燃料。这种燃料是将钍和铀的氧化物与碳混合加热到1600至2000摄氏度制成的。 资源分布情况；钍化物往往可以在独居石的沙里找到（(Ce,La,Nd,Th)PO4，包含4-12%的二氧化钍，ThO2），其它矿物包括与锆石同晶型的方钍石（(Th,U)O2）和钍石（ThSiO4）。榍石和锆石也含少量钍。在地壳里平均每千克物质含7至13毫克钍，也就是说钍是铀的含量的两至三倍。由于钍亲土，因此在所有硅酸盐中均含少量钍。由于目前对于钍的需求不是很大，因此对于其矿藏分布的勘探也很少，因此钍资源的分布不是很清楚,一般认为澳大利亚和印度有尤其多的钍矿以下数据是美国地质调查局1997年至2006年调查报告中的数据：国家钍储藏（吨）钍储藏基础（吨）澳大利亚300,000340,000印度290,000300,000挪威170,000180,000美国160,000300,000加拿大100,000100,000南非35,00039,000巴西16,00018,000马来西亚4,5004,500其它国家95,000100,000全世界总和1,200,0001,400,000 应用情况；【1】1、钍的氧化物被用来制作白炽罩。由于钍的放射性现在已经不再使用钍来做白炽罩了 2、由于二氧化钍的折射率比较高，因此在高质量的光学透镜中也掺有钍。 3、钍造影剂；从1931年至1940年代末一种稳定的、胶质的二氧化钍混悬剂在血管摄影被作为放射性对比剂使用。但是这个用剂会聚集在微血管中，导致局部放射性过高和癌症。胆癌明显与钍造影剂有关，钍造影剂还能引发一般非常少见的恶性肝脏癌症肝血管肉瘤。此外还有钍造影剂导致鼻腔癌的纪录。一般病发发生在使用30至35年后。今天人们使用硫酸钡和改善的、有香味的碘化合物取代钍造影剂。 4、钍也可以作为汽车的替代能源使用。美国的Laser Power Systems公司发明了利用激光加热钍使其释放能量用以加热微型涡轮机中的水，从而产生蒸汽发电驱动汽车的驱动系统。1克钍释放出的能量相当于7500加仑汽油，而八克钍足以保证汽车永远不用加燃料。 新型核能；【2】在球床反应堆中钍可以用来制作铀同位素233U：通过中子射击钍232Th可以变成233Th，后者通过镤233Pa衰变为铀233U。铀的这个同位素可以裂变，当作核电站的燃料使用。 该过程中一克钍-233衰变到镤-233释放1.2104*109 J的能量，镤-233到铀-233衰变释放5.5517*109 J的能量。在三种易裂燃料233U、235U、239Pu中，只有235U是天然存在，且在一般的轻水式反应炉（light water reactor，LWR）须使用低浓缩铀（25%），而233U、239Pu则分别由232Th、238U吸收一中子后转化而来。比起铀235U和钚239Pu，钍有一个重要的优 点：它每吸收一个中子的产量高。它的生产效率比目前使用的238U和239Pu还要高。 钍循环较铀、钚循环有如下优点；在热中子反应器中有较大的值（= 2.287），使滋生可能。有较高的转化比（conversion ratio）及较长的燃料寿命。燃料价格较低，比浓缩铀或循环回收钚的便宜 。有足够的滋生燃料来维持反应炉中燃料的链反应，而不需另添加可裂燃料 。除可降低燃料循环的价格外，另可更有效的利用低价位的铀燃料 可耐较高的辐射剂量，且易于加工 缺点；最主要的不利在于由232Th转化成233U的过程中，产生了232U。因为由232U再衰变成稳定同位素208Pb的过程中，会产生放射高强度-射线的212Bi及208Tl。处理钍燃料时，需更多的强力熔剂，即更浓的硝酸，且以氟化物当触媒，而使用这些熔剂后，将使萃取、废料处理、酸碱调整更复杂。钍燃料溶液须另加一些溶液，来去除过量的酸 。在萃取时，会形成第三相的相平衡，使得其在相同的设备下，其萃取速率较铀燃料溶液（仅有机相与无机相两相）为慢 。钍的提炼【3】从钍化合物制取纯金属钍的过程主要包括粗钍金属制取和精炼两大步骤。粗金属钍制取工业制取方法有金属热还原法和熔盐电解法两种 1）金属热还原法1）二氧化钍钙热还原。化学纯的无水氧化钙助熔剂、经二次蒸馏的钙和纯二氧化钍按质量比1.00：0.40：0.45混合，装入内衬钼的因康镍合金反应弹中，在氩气气氛中于12231273K温度下还原13h。反应产物冷却分离后即得钍粉，产品纯度为99.299.8。 2）四氟化钍钙热还原。过程分两步进行。第一步为还原熔炼制取钍锌合金。炉料由四氟化钍、无水氯化锌及二次蒸馏钙屑组成。金属钙用量为化学计量的125，氯化锌用量为四氟化钍量的16。炉料混合均匀后，装入充氩的钢制反应弹内密封，抽真空至66.661Pa，再充氩至98066Pa，放入还原炉中加热。反应开始温度为923973K，在1473K温度下还原15min。xThF4+yZnCl2+(2z+y)CaThxZny+2xCaF2+yCaCl2 反应完成后，可获得ThZn合金。第二步为真空蒸馏脱锌。即将ThZn合金装入石墨坩埚炉内加热，在0.98Pa的真空度中、于1543K温度下蒸馏脱锌4h，得到的海绵钍纯度达997。2）熔盐电解法 工业生产采用ThF4一NaClKCl体系电解质，以装载电解质的石墨槽体作阳极，以钼或钢棒作为阴极。电解槽充氩气后进行电解。当电解温度为10231073K、阴极电流密度为20Adm2时，电流效率为7080。阴极产物经破碎、水洗、磁选除铁，再经酸洗、清洗、干燥得金属钍粉。钍粉的堆密度为4500kgm3，纯度为99.5 。粗金属钍精炼；常采用碘化物热离解法精炼。这种方法是使粗钍与碘蒸气在密封容器中于728753K温度下起作用，生成易挥发的ThI4，然后ThI4蒸气在11731973K的炽热钍丝上离解成钍和碘，钍沉积在炽热钍丝上。独居石提取钍【4】硫酸法分解。粉碎到粒级在0.15mm以下的独居石精矿用约两倍量的浓硫酸，在473488K温度下加热得到糊状物。独居石精矿中的稀土和钍与硫酸作用生成可溶性的 硫酸盐，反应为： 2(RE)PO4+3H2SO4(RE)2(SO4)3+2H3PO4 Th3(PO4)4+6H2SO43Th(SO4)2+4H3PO4 糊状反应产物用约10倍的水稀释后，大部分钍和稀土的硫酸盐一起溶于水溶液中。经过滤或倾析所得的溶液用氨水调至pH1.0，钍便沉淀为磷酸钍，而与留在溶液中的稀土分离。所得钍浓缩物纯度一般为90，钍的总回收率达98.5。 结束语；钍作为潜在新型核能，且在地球上较铀有更丰富的储量，了解钍的资源分布情况，优化改进钍的提取工艺，尽量减少污染，让清洁核能更清洁！参