科學速報 【科學速報 No.002 釷元素的逆襲】從照明塗層到核熔鹽爐，釷為我國能源安全立下大功

2025年甘肅民情,紅沙港戈壁的梁驛裏,一座銀白色的圓柱形建築卻在陽光下透着暖意,這裏的兩兆瓦土基溶鹽堆剛完成滿功率運行測試,中科院的公告裏寫着全球首個實現土油燃料穩定轉換的實驗堆,消息傳到美國橡樹嶺國家實驗室,有老研究員翻出1976年的檔案,泛黃的紙上寫着土基溶鹽堆技術複雜,不具備軍用價值,建議終止,半個世紀過去, 當年被美國放棄的冷門技術,如今在中國的戈壁上點亮了第一處核火苗,要弄明白這處火苗背後的故事,得從200年前一顆被命名爲雷神的元素說起。 1828年,瑞典化學家貝採利烏斯在斯德哥爾摩的實驗室裏,對着一堆從挪威運來的硅皮礦粉末反覆琢磨,這位已經發現錫、硅、碳三種元素的元素獵人,總覺得這礦石裏藏着沒被察覺的東西。 他先用硝酸溶解礦石,再加入氨水讓雜質沉澱,經過十幾次提純,終於得到了一種銀白色的金屬粉末,看着室館裏反光的粉末,貝採利烏斯想起北歐神話裏揮舞錘子的雷神托爾,便給這新元素取名圖,只是當時的人類還沒解鎖核能的祕密。 這顆以雷神命名的元素,最初只用來給煤氣燈殺竈塗一層,加熱後會發出明亮的白光,成了19世紀歐洲街頭最常見的照明材料,誰也沒料到它骨子裏藏着能驅動一座城市的能量。 直到1898年,居里夫人發現雷的放射性後,科學家們才突然意識到,土居然也有放射性。 1900年,英國物理學家盧瑟福在實驗室裏觀測到,土會緩慢釋放出一種無色無味的氣體,他把這種氣體叫做土射器,後來這玩意證明是東的同位素。 這是人類第一次親眼看到元素的自發衰變,就像看到一塊石頭自己慢慢變成另一塊石頭,土這顆照明材料終於露出了它核元素的真面目。 20世紀中葉,隨着芝加哥大學在1942年建成世界首個核反應堆芝加哥一號堆,人類第一次掌控了核裂變的能量,土也被推到了核能研究的聚光燈下。 當時科學家們手裏攥着兩張能源牌,一張是油,油235能直接裂變,是天然的核燃料,另一張就是土,土232雖然不能直接裂變,卻能在中子轟擊下變成可裂變的油233。 1946年,參與過曼哈頓計劃的物理學家恩里科費米就提醒美國政府,土在地球上的儲量是油的三倍,而且幾乎隨處可見,不該只盯着油礦。 核冷戰的陰雲很快蓋過了科學的理性,美國軍方更關心造核彈的速度,油235提純後能直接用來製造核武器,而土變出來的油233裏總會混着一點油232,油232的衰變產物有極強的伽馬輻射。 想把油233提純出來造核彈,不僅技術複雜,還得冒着被輻射灼傷的風險,在武器優先的思路下,土成了雞肋。 1965年,橡樹嶺國家實驗室還是不甘心,花了1.3億美元建成了一個熔岩實驗堆,把土燃料溶解在熔岩裏,真真切切讓它燒了四年,證明這技術完全能發電。 可到了1976年,美國能源部還是以不符合國家安全需求爲由,砍掉了這個項目,堆體被拆除,設計圖紙塞進了倉庫,一放就是幾十年。 另一邊的蘇聯也沒繞開這個坑。 1955年,蘇聯在徹里亞賓斯克的核基地裏,建了一座小型土基熔岩堆,想試試用土來生產製造核彈的布,可試了兩年,科研人員發現土在反應過程中會產生太多副產物。 要從這些副產物裏提取純布,成本比用油堆高三倍還多。 當時蘇聯正忙着擴大油堆規模,這座小熔岩堆很快就被廢棄,成了核基地裏的工業遺蹟,冷戰時期,能不能造核彈成了衡量核能技術的唯一標準。 土這顆本可以改變能源格局的寶石,就這樣在兩個超級大國的博弈裏,被冷落了半個世紀。 中國與土的緣分,要從50年代原子能事業起步時說起,1956年,中科院近代物理研究所在中關村成立。 28歲的王幹昌帶着一群年輕科研人員,在簡陋的實驗室裏擺弄着核物理儀器,當時國內沒有進口設備,他們就用自制的電離式測量核素的衰變曲線。 雖然公開史料裏沒有記載他們直接研究土的放射性,但這位後來發現反希格馬賦超子的科學家,在1957年的日記裏寫過一句話, 中國油礦儲量有限,未來的核能發展,或許要在其他核素上找突破口。 只是那時候,兩彈一星是全國上下的核心任務,所有資源都向核武器研發傾斜,否則研究只能暫時被擱置,就像一顆被放進抽屜裏的種子,等着合適的土壤和雨水。 第一次讓這顆種子發芽的,是70年代的能源困境。 1970年12月,中國第一艘核潛艇長征一號下水,它用的是壓水堆技術,靠有二三五裂變提供動力,可當時國內已探明的油礦儲量, 只夠支撐有限的核潛艇和核電站需求,而且進口油礦的渠道被西方國家封鎖,缺油成了制約中國核能發展的大難題。 1971年,負責728工程的科研團隊裏,有人提出了一個大膽的想法,能不能用土來當補充燃料。 這個想法很快被提上日程,核工業專家歐陽宇被任命爲熔岩堆實驗項目的技術負責人,團隊在上海敏航區的一片荒地上搭建了幾間臨時廠房,建成了一座零功率冷態熔岩實驗裝置, 簡單說,就是一個直徑1米的金屬罐子,裏面裝着模擬的熔岩和土粉末,用來測試熔岩的流動和反應的可行性。 可實驗剛一開始,問題就接二連三地冒出來,首先是熔岩的腐蝕難題,土燃料要在600攝氏度以上的高溫下才能參與反應,普通的不鏽鋼管道放進高溫熔岩裏,不到一個星期就被石穿,漏得滿地都是。 當時唯一能扛住高溫熔岩腐蝕的,是美國哈氏合金公司生產的哈氏C276合金,可這種合金被西方國家列爲禁運物資,有錢也買不到,團隊只能試着用國產的涅格合金代替,結果剛通上加熱電源,管道就開始冒黑煙,拆開一看,內壁已經被熔岩啃出了密密麻麻的小坑。 其次是控溫難題,熔岩的溫度必須穩定在650攝氏度左右,高了會加劇腐蝕,低了又會凝固堵塞管道,可當時國內最好的溫控儀,不差能達到正負5攝氏度,就像用一把刻度不準的溫度計煮粥,要麼煮糊,要麼煮不熟,更麻煩的是中子測量,沒有進口的中子探測器,只能用自制的硫化鉛閃爍體來檢測中子通量。 測量精度比專業設備差了一個數量級,根本沒法準確判斷反應是否穩定,1973年,核動力專家彭世璐在一次技術論證會上,看着實驗數據皺起了眉頭,以我們現在的工業水平,連合格的管道和儀器都造不出來,強行搞熔岩堆就是蠻幹,他建議團隊把重心轉回技術更成熟的壓水堆,先把壓水堆搞成,解決有問題。 將來工業水平上去了,再回頭啃熔岩堆這塊硬骨頭。1975年,經過反覆討論,728工程的熔岩堆實驗正式終止,那些臨時搭建的廠房被拆除,實驗數據被整理成冊,鎖進了原子能研究所的檔案櫃。這是中國土基熔岩堆研究的第一次剎車,雖然沒成功,卻爲後來的研發攢下了寶貴的經驗,至少搞清楚了哪些坑不能再踩。 這一停,就是20年。1996年,中國簽署全面禁止核試驗條約,核能研究的重心從武器轉向核平利用,土堆再次被提上了議事日程。 時任原子能研究所所長的張煥橋院士,在一次全國核能學術會議上,拿着一張白雲鄂博礦區的礦產分佈圖,聲音哄亮地說,我們的土儲量不是不夠,而是沒用好,白雲鄂博礦區已探明的土就有100萬噸,夠全國用6萬年。 爲什麼還要盯着進口油礦?張煥橋團隊重啓土研究時,條件已經比70年代好了太多,他們從德國引進了一臺中子飛行時間譜儀,能精準測量土232吸收中子的截面,也就是土原子抓住中子的概率,這個數據是設計反應堆的關鍵。 測試結果顯示,熱中子轟擊土232時,吸收截面是7.4把N,這個數據和橡樹嶺實驗室1965年的實驗結果完全一致,證明土的反應特性是可靠的。 同時,團隊還和寶鋼合作,嘗試研發國產的耐石合金,雖然初期研發的合金性能不如哈氏Z276,但至少打破了完全依賴進口的局面,可就在研究順利推進時,1998年國家科研經費調整, 土堆項目的預算被砍了一大半,最棘手的是,實驗需要的10克3個9純度的土粉,市場價要8萬元,當時團隊根本拿不出這筆錢。 張煥橋後來在《核工業訪談錄》裏回憶,那段時間他天天跑研究所財務處,跑高校合作單位,最後通過產學研合作的方式,才從一家稀土企業協調到了土粉。 當時就怕項目斷檔,一旦停下來,再想撿起來就難了,就是用這來之不易的土粉,團隊成功完成了小型的土油轉換實驗,測出土232轉化爲油233的效率能達到85%,爲後來的大型實驗打下了基礎。 真正讓中國土基熔岩堆研究一飛沖天的是2011年的福島核事故,2011年3月11日,日本東北部海域發生9.0級地震, 引發的海嘯沖垮了福島核電站的冷卻系統,反應堆堆星融毀,大量放射性物質泄漏到海洋和大氣中。 這起事故讓全球重新審視核電安全,中國也不例外,當時國內已建成的13座核電站,全是和福島類似的壓水堆,一旦發生類似事故,後果不堪設想。 時任中科院近代物理研究所所長的徐洪傑院士,在事故發生後不到一個月,就帶領團隊完成了一份土基熔岩堆安全特性分析報告,報告裏明確寫着,土基熔岩堆採用長壓運行,熔岩沸點高達1400攝氏度,即使冷卻系統失效,溫度也不會超過熔點,而且反應堆底部裝有熔岩塞,溫度過高會自動融化,讓熔岩帶着燃料流進地下安全罐, 從根本上避免堆芯熔燬。這份報告很快送到了國家相關部門,引起了高度重視。2011年10月,土基熔岩堆核能系統先導專項正式獲批,總投資220億元,由中科院近代物理研究所牽頭,聯合近百家科研單位和企業,組成了一個龐大的公關聯盟。 這次公關,中國不再受卡脖子的困擾,寶鋼經過三年研發,成功生產出厚度0.5毫米的哈士奇276寶板,誤差控制在正負0.02毫米,性能和進口產品幾乎一致,每噸價格雖然還是高達50萬元,但至少實現了自主可控。 中核集團研發的在線熔岩取樣系統,能在強輻射環境下,用一根細管從反應堆裏抽出少量熔岩樣品,分析裏面的燃料成分,精度比進口設備還高20%,中科院自主研發的質子加速器,能產生穩定的熱中子流,中子通量比90年代提高了100倍,相當於給反應堆裝上了精準的點火器。 2017年,甘肅民情的土堆工地正式開工,戈壁灘上的條件比想象中更艱苦,夏天最高溫度能到40攝氏度,沙子能把設備外殼曬得發燙,冬天最低溫度能到零下25攝氏度,混凝土澆築都得用熱水拌,防止凍住。 負責工地建設的工程師回憶,2020年冬天主體建成時,爲了趕在春節前完成設備安裝,他們在工棚裏支起了火爐,24小時輪班幹。 當時就想,一定要讓這堆子早點亮起來,不辜負這麼多錢,這麼多人的投入。 2020年底,實驗堆主體工程完工,2023年10月,反應堆首次達到臨界狀態,也就是核反應實現了穩定的鏈式反應,這是所有核電站建設中最關鍵的一步。 2024年6月,反應堆實現滿功率運行,持續發電72小時,各項參數都達到設計指標。 2025年4月,正式投入運行,每天能發4.8萬度電,足夠給附近的紅沙港鎮1.2萬居民供電。 要搞懂這核火堆裏的土到底怎麼燒起來,得先拆解開它的能量轉換密碼,土油循環。 其實土232自己不會燃燒,它得經過三步變身,才能變成能釋放能量的核燃料,這個過程就像把一塊生麪糰一步步做成能吃的麪包。 第一步是中子點火,科學家把土232粉末溶解在油浮化裏,浮化皮組成的熔岩裏,就像把麪粉放進水裏調成麪糊, 然後用質子加速器產生的熱中子烘積這碗核麪糊,熱中子的速度不快不慢,剛好能被土232的原子核抓住。 土232吸收一箇中子後,原子核裏的質子數量不變,中子數量多了一個,就變成了土233。 這一步就像給麪糰發酵,得用合適的溫度,溫度太高,麪糰發不起來,溫度太低,麪糰也不會有變化。 第二步是浮的過度,土233這東西很活潑,就像發好的麪糰放不了太久,它的半衰期只有22分鐘,很快就會發生衰變。 原子核裏的一箇中子變成質子,釋放出一個電子,這樣一來,質子數量從90變成91,中子數量從143變成142。 元素也從土變成了浮,具體來說是浮233。 浮233的半衰期比土233長得多,有27天,它需要在反應堆裏燜夠時間,才能繼續衰變成油233。 這一步就像麪糰發酵後要餳面,餳面時間不夠,麪包就不好吃,浮233燜的時間不夠,油233就生成的少,反應堆的火力就不足。 而且,如果浮233在反應堆裏待太久,還會繼續衰變變成油232,而油232的衰變產物有強輻射,會影響後續的燃料使用。 所以科學家們會用特殊的裝置,在浮233生成後27天左右,把它從熔岩裏提取出來,讓它在專門的容器裏衰變,這樣就能得到純度更高的油233。 第三步是油的裂變狂歡,當油233生成後,真正的能量釋放就開始了,油233的原子核會像被踩碎的玻璃一樣,分裂成兩個較小的原子核,比如氪92和貝141,這個過程就是核裂變,在裂變的同時,會釋放出巨大的能量。 相當於2.3噸標準煤燃燒產生的能量,換算成具體數值就是8.2乘以10的十次方焦耳,足夠讓一盞100瓦的燈泡亮26萬年,更重要的是,油233裂變時還會拋出2.29箇中子,這些中子又會去轟擊新的土232,就像多米諾骨牌一樣,形成鏈式反應。 只要控制好中子的數量,這股能量就能持續不斷地釋放出來,爲反應堆提供穩定的動力,而讓這整個過程順暢進行的關鍵助手,就是熔岩,很多人會問,爲什麼一定要用熔岩,用水不行嗎?答案很簡單,水在高溫下會變成高壓蒸汽,而熔岩不會。 傳統的壓水堆,爲了讓水在高溫下不沸騰,必須給反應堆加上厚重的壓力容器,壓力能達到大氣壓的150倍,就像一個隨時可能爆炸的高壓鍋,一旦出現泄漏,後果不堪設想。 而土基熔岩堆用的熔岩,主要成分是氟化鋰和氟化銖,這種熔岩的沸點高達1430攝氏度,在反應堆運行的650攝氏度左右,完全是液態,而且是長壓運行,根本不需要厚重的壓力容器,安全性大大提高。 更妙的是,熔岩還能當核燃料的運輸車,核燃料直接溶解在熔岩裏,就像核粥一樣在管道里流動,一邊把核反應產生的熱量帶到換熱器,就像家裏的暖氣片,用這些熱量加熱水,產生蒸汽推動氣輪機發電,一邊還能隨時把用過的燃料抽出來提純,實現再現後處理。 2023年,科研團隊在甘肅堆上做過一次再現提取實驗,他們用一根直徑5毫米的萃取管,插入650攝氏度的熔岩中,管內通入特製的含磷有機萃取劑,油233會自動跑進萃取劑裏,而土232和其他雜質則留在熔岩中,整個過程只用了20分鐘,提取出來的油233純度達到99.97%,比傳統壓水堆換燃料棒的效率高10倍還多。 傳統壓水堆換燃料時,得停機半個月,用重型機械把燃料棒吊出來,而土堆換燃料就像給病人打點滴,不用停機,不影響發電。 當然,土基熔岩堆也不是完美無缺的,它還有不少讓人頭疼的難題,最突出的就是熔岩腐蝕,650攝氏度的高溫熔岩,就像液態砂紙,對金屬管道的腐蝕力極強,雖然哈士基276能扛住腐蝕,但每噸50萬元的價格實在太高,而且合金裏的泥元素,國內的提純技術還不夠成熟,吸塵得從巴西進口。 2022年,寶鋼團隊研發出了一種國產替代合金,用繁元素代替部分泥,成本降低了三成,但腐蝕率比進口合金高5%,雖然在安全範圍內,但如果建大型電站,管道得用幾十年,這5%的腐蝕率還是讓人有些擔心,就像給房子刷油漆,進口期能管10年,國產期能管7年,雖然能用,但還得繼續改進。 另一個難題是P233的分離,P233是突變油的關鍵中間產物,如果不及時分離出來,它會繼續衰變變成油232,影響油233的純度,現在科研團隊用的是離心萃取法,靠高速離心機把溶鹽和萃取劑分開,離心機的轉速能達到每分鐘1.5萬轉,相當於每秒鐘轉250圈,可在強輻射環境下,離心機的軸承很容易磨損, 2024年,中科院研發出了無軸承電磁離心機,用電磁懸浮代替機械軸承,壽命提高到了1萬小時,但設備成本比原來高了40%,又陷入了成本和性能的兩難選擇。 還有石墨的更換問題,土堆的堆芯裏需要用石墨來慢化中子,也就是把裂變產生的快中子減速成能被土232吸收的熱中子,就像用沙子來減速奔跑的小球,可石墨在中子的轟擊下會慢慢老化,原子結構發生變化,強度下降,大概10年就得換一次。 一座百萬千瓦級的土堆,堆芯石墨的重量有500噸,換一次石墨需要停機三個月,還得用遙控機器人在強輻射環境下操作,成本高達2億元,而且換下來的廢石墨有放射性,不能隨便扔,得用水泥包裹固化後,深埋在地下500米深的地方。 現在科研團隊正在研發碳化硅複合材料來代替石墨,這種材料的中子慢化效果和石墨差不多,壽命能達到30年,但生產成本是石墨的10倍,什麼時候能把成本降下來,還是個未知數。 不過這些難題並沒有擋住中國發展土基熔岩堆的步伐,根據國家能源局十四五核能發展規劃附件裏的土堆專項規劃,中國已經制定了清晰的路線圖,2035年建成百兆瓦級的土基熔岩堆示範電站,2040年實現商業化運營,2050年在全國建成50座土堆電站,總裝機容量達到5000萬千瓦, 這相當於三個三峽水電站的總裝機容量,能滿足中國10%的用電需求。這個規劃背後藏着中國能源安全的大戰略,中國的土儲量佔全球的70%,僅白雲鄂博礦區就有100萬噸,夠全國用6萬年,而油礦75%得靠進口,馬六甲海峽一旦出現問題,能源供應就會緊張。 如果未來50%的火電換成土堆,中國每年能少進口3億噸石油,相當於擺脫了馬六甲困局,而且土堆不用大量水,能建在沙漠裏。中科院已經在新疆塔克拉瑪干沙漠邊緣,規劃了一座10兆瓦的沙漠土堆電站,預計2030年建成,到時候沙漠裏的光伏電站白天發電,土堆晚上發電,能徹底解決西部乾旱地區的用電難題。 更重要的是,土基熔岩堆還能帶動一批高端產業的發展,比如熔岩的製備,以前國內只能生產3個9純度的氟化鋰、氟化銖,現在已經能生產5個9純度的產品,達到了國際領先水平。 中科院還研發出了陶瓷基複合材料,能在1000攝氏度的高溫下不被腐蝕,這種材料將來還能用於航空發動機。在線檢測設備裏的高溫熔岩傳感器,能在650攝氏度的環境下精準測量熔岩的成分,精度比進口設備高20%。 2025年已經出口到法國、印度等國家,成了中國製造的一張新名片。 2025年深秋,甘肅民情的土堆基地,遠處的光伏板陣列在戈壁上鋪開,像一片藍色的海洋,與銀白色的反應堆廠房相應成趣。 負責運營的工程師指着控制室裏的屏幕,上面顯示着反應堆的各項參數,中子通量穩定在1.2×10的15次方個每平方釐米秒,熔岩溫度650攝氏度,發電功率2兆瓦,這些數據已經穩定運行了半年,比預期的還要好。 從貝採利烏斯在瑞典實驗室發現圖,到橡樹嶺實驗室的廢棄圖紙,再到中國戈壁上運行的土堆,這顆以雷神命名的元素,用了近200年時間,才真正發揮出它的能量。 它的故事告訴我們,科學研究從來不是一蹴而就的,有時候需要等待,需要堅持,需要在別人放棄的時候,依然相信它的價值。 或許未來某天,當我們在沙漠裏的土堆電站看到源源不斷的電流輸向遠方,在南海的島嶼上用土堆產生的熱量淡化海水,在千家萬戶的廚房裏用土堆發的電做飯時,我們會想起這一切的起點是一群中國科學家在戈壁灘上點燃的那處小小的核火苗。 這處火苗不僅照亮了中國的能源未來,也爲全球核能發展提供了一條更安全、更可持續的新路徑。