化学元素控钍Th宇宙中最原始的核素之

今天将介绍的是一种前景十分可观的能源材料,钍元素。

钍是锕系元素,原子序数90,在元素周期表中,位于锕和镤之间。钍是目前宇宙中,仍然大量存在的三种原始放射性元素之一(另外两种是铀和铋)。它有6种天然存在的同位素,但其大部分并不稳定,现在自然界中存在的钍,几乎全是钍-。钍是在垂死恒星的核心中,通过快中子俘获过程形成,并通过超新星爆发和中子星合并,分散在整个宇宙中。

在地球上,平均每千克地壳物质中,含有7至13毫克钍,这个含量是铀的两到三倍。它并不以单质形式存在,多数以氧化物的形式,与稀土金属和铪等金属的氧化物共生,存在于独居石等矿物内。由于钍是亲土元素,因此在所有的硅酸盐中也均含少量钍。

钍-通过非常缓慢的衰变过程,会变成稳定的铅-。这条衰变链也被称为钍系列衰变,来自钍-放射性衰变产生的热量,是地球内部热量最主要的来源。

由于一个乌龙事件,钍是先被命名,然后才被发现的元素。

年,被誉为现代化学创始人之一的瑞典化学家贝齐里乌斯,分析一种瑞典出产的矿石时,发现了一种和锆的氧化物很相似,新的未知金属的氧化物。他用古代北欧雷神托尔(Thor)命名这一新金属为Thorine(钍),并给出了它的拉丁名称Thorium和元素符号Th。由于贝齐里乌斯是化学界的权威,所以当时的化学家们都承认了这一发现。

可是,贝齐里乌斯在10年后发表文章说,通过研究更多的相同矿物发现,那些并不是被称为Thorine新金属的氧化物,而只是磷酸钇,他撤销了自己对钍的发现。

到了年,贝齐里乌斯在分析一种来自挪威南部勒峰岛上所产的矿石时,发现其中有一种当时未知的元素,于是再次以Thorine命名它。现在已经明确,这种矿石的主要成分是硅酸钍(ThSiO4)。

由于钍在自然界中与稀土元素和铀紧密结合,非常难以分离,直到年,才通过电解法首次分离出比较纯的金属钍。现在制备钍最常用的方法,是在氩气或真空环境下,用金属钙高温还原氧化钍。

纯钍是银白色的金属,暴露在空气中,它会逐渐氧化为灰色,最后变为黑色。它的物理特性与其中氧化物的含量有关,极纯的钍,质地柔软,延展性能很好,适合冷压和锻造,它的熔点℃,沸点℃,密度11.72克/立方厘米。

粉末状的金属钍有自燃性,在砂轮上摩擦钍,能看到它发出白色明亮的火花。

钍的化学性质比较活泼。在标准温度和压力下,会被水缓慢的腐蚀,在大多数的稀酸和浓盐酸、磷酸中,它的溶解速度很慢,但会被发烟硝酸和王水迅速溶解。除惰性气体外,钍能与几乎所有的非金属元素作用,生成二元化合物。钍在它的化合物中一般以正四价出现,正三价和正二价比较少见,而盐溶液中,只存在正四价的钍离子。

人们对于钍的利用,最早是通过氧化钍,氧化钍(也叫二氧化钍)是一种白色粉末,熔点达℃,是所有金属氧化物中熔点最高的。

多年前,英国人发明了煤气灯,使人类的照明方法向前迈进了一大步。最初,这种灯很不安全,在室内容易发生危险,因此只当做路灯使用

但煤气燃烧时发出的光并不明亮,后来,冯·韦尔塞巴赫发明并改进了一种用于煤气灯的灯罩,解决了这一问题。

他用99%的硝酸钍和1%的硝酸铈溶液,浸泡被织成网状的布料,制成了灯罩。在高温下,硝酸钍会分解成氧化钍,氧化钍的高熔点,有助于化合物在火焰中保持固态。而钍在高温下发出的光,几乎全部都在可见光谱中,因此能显著的提高火焰的亮度。

在年商业化引入这种新的灯罩之后,它迅速蔓延到整个欧洲,在20世纪初广泛引入电气照明之前,煤气灯罩仍然是欧洲街道照明的最主要方式。不过在煤气灯燃烧的过程中,产生的氧化钍颗粒会不可避免的飘散到空气中,通过呼吸进入人体,引起内照射,引发多种疾病和癌症,危害人体健康。在20世纪后,人们对放射性的危害越发重视,这种煤气灯也逐渐被淘汰。

年至年代末,人们曾用一种稳定的胶质氧化钍悬浮液,作为血管造影中的放射性对比剂,但这种造影剂会聚集在微血管中,导致局部放射性过高,引发各种癌症,后来,钍造影剂也逐渐被硫酸钡和碘化合物所取代。

氧化钍也曾被添加在玻璃中,提高折射率并降低色散,用于制造高质量的光学透镜,运用在相机和科学仪器的镜头中。不过现在同样被具有类似效果而不具备放射性的稀土氧化物取代。

氧化钍的高熔点性质,也当做主要成分或者作为二氧化锆的添加剂,用于耐热陶瓷中,制造实验室使用的高温坩埚。

氧化钍还被用在电弧焊中。在钨电极中掺入1-4%的氧化钍,能增加钨电极的高温强度和提高电弧稳定性。不过这种功能,现在也被更安全的锆、铈和镧的氧化物所替代。只有少数厂家因为价格原因,还在制造这种含钍的钨电极。

自20世纪50年代以来,考虑到放射性危害,许多钍的用途,都被人们用更安全的途径所取代。但正如之前所说,钍在地球上广泛存在,即使不特意开采,钍也会作为稀土金属生产的副产品存在。近年来对稀土金属的开发利用,也让钍的产量随之增加。如何利用这些钍资源,变废为宝,也是近年来人们在研究的课题。

把钍当做核燃料开发,是目前钍资源最有前景的利用途径。

现在人们对核能的利用,通常是通过铀-的裂变反应。按照目前估计的核能发展趋势,地球上的铀-储量,将与化石能源几乎同时枯竭,人类正在面临核燃料铀-缺乏的危机。

而同为放射性元素的钍,在地壳中的储量大约是铀的3倍。但自然界中存在的钍-并不会自发裂变。不过人们研究发现,钍-能吸收中子,转变成钍-,钍-的半衰期仅为21.83分钟,会通过β衰变成镤-。镤-的半衰期为27天,会再次通过β衰变为铀-。铀-是易裂变的,可以像铀-或者钚-一样用作核燃料。当铀-经历核裂变时

发射的中子可以进一步撞击钍-原子核,继续循环这一过程。

和传统的铀-裂变相比,钍在地壳中的含量更高,更廉价。其次,使用钍作为核燃料更安全。与传统铀反应堆产生的核废料中含有大量易于生产核武器的核燃料钚-相比,钍-铀核燃料不适于生产武器级核燃料,只能用于产生核能,避免了核能利用过程中的核武器扩散风险。而且,它反应过程中产生的危险废料也相对较少,仅为铀的万分之一,并且可以在年内衰变为没有放射性的物质,对现有的核废料也能够再利用,实现新一代绿色、和平的核利用。

基于以上的优点,各国近年来都在大力研究基于钍的核能系统。我国的钍基熔盐堆核能系统(TMSR)也取得了重要突破,但离这项技术商业化利用还需要时间。

不过我们相信,这项难关终将能够被克服,在未来,钍核能技术一定会蓬勃发展,给我们带来扬眉“钍”气的生活!

表象的本质

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