钍是一种更安全的铀替代品，为什么不用于核反应堆？

在最近疯狂观看切尔诺贝利核电站的节目后，我发现自己深陷谷歌的兔子洞里，深挖核反应堆的奥秘以及它们是如何工作的。我很快发现，现代人类历史充满了核事故。自1954年第一座核电站建成以来，已经发生了100多起严重的核事故，每起事故都影响到成千上万甚至数百万人的生命！

乌克兰切尔若贝利核电站

这些事故的症结在于铀，铀是迄今为止建造的所有核反应堆的主要核燃料。然而，令我惊讶的是，我发现实际上钍(Th)是一种更好、更安全的核燃料，完全可以替代铀。

这让我想知道，用钍而不是铀能避免核事故及其后果吗？钍在元素周期表中位于铀的左边两个位置，具有类似的性质。

钍(Th)在元素周期表中位于铀的左边两个位置

核反应堆是如何工作的？

在我们开始指责早期的核科学家使用铀而不是钍之前，让我们先来看看核反应堆是如何运行的。

核反应堆的工作原理是利用核裂变过程中释放的能量，核裂变是一种化学反应，一个较大的核分裂成两个或三个较小的核，释放出大量的热量和中子。在裂变过程中释放出的热能被用来将水蒸发成蒸汽，然后蒸汽被用来运行涡轮机，并将热能转换成电能或机械能。很简单，对吧？嗯，整个过程实际上比看起来复杂得多，需要大量的关注和专业知识才能安全管理。

核电站核反应堆发电原理

浓缩铀是大多数反应堆中发生裂变的物质（核燃料）（一些核反应堆使用钚铀混合氧化物作为核燃料）。在地球上发现的铀（U）中，约99%是非裂变同位素铀-238，而不到1%是裂变同位素铀-235，因此更具价值。通过同位素分离等技术的实施，浓缩铀在整个混合物中含有铀-235的百分比增加了。

当浓缩铀被中子轰击时，裂变反应开始。在撞击后，铀-235开始分裂成更小的核并释放出高能中子。高能中子被其他铀-235原子吸收，在核反应堆内引发连锁反应。在这个过程中释放出大量热能，同时释放出伽玛辐射和附加中子。

核裂变过程

产生的热能数量取决于这些链式裂变反应的速率。包含了这些连锁反应的速度和程度，也划出了核反应堆和核武器之间的界限。

核能的主要用途

早在第一座核电站开发之前，核能最初就被用于破坏性目的。曼哈顿计划是由美国政府委托的一项武器研发计划，通过公布第一批核武器，开创了核能利用的先河。曼哈顿计划成立于1939年，1945年第一次核武器爆炸（一次被称为三位一体试验的示威）震惊了世界。一个月后，这个国家通过臭名昭著的轰炸广岛和长崎，进一步验证了核武器的巨大破坏潜力，有效地结束了日本在第二次世界大战中的角色。

核爆炸

其他国家看到核武器的强大破坏力后，为了增强了国家核威胁，争相开始了核领域的研究。随之而来的是核武器生产的激增，而不是商业核能的发展。

前苏联、英国、法国和中国，其次是印度和巴基斯坦，多年来发展出了核武器。据信，包括朝鲜和以色列在内的其他几个国家也发展了核武器。另一个发展核武器的国家是南非，但他们在1990年代自愿销毁了所有核武器库存并停止进一步生产。

为什么用铀而不用钍？

浓缩铀中铀-235的含量有所增加，但也保留了大量的铀-238。铀-238在吸收了漂浮在反应堆中的一个高能中子后，在衰变为其他放射性化合物（如镎-239和钚-239）之前转化为铀-239。这两款核裂变产品中的钚-239吸引了所有致力于核能发展的人。

在长崎投下的原子弹是一枚叫做“胖男人”的钚-239炸弹

在第二次世界大战的交战方胶着期间，科学家们很快就掌握了钚-239的破坏潜力。在长崎投下的原子弹是一枚叫做“胖男人”的钚-239炸弹，而在广岛投下的原子弹是一枚铀-235炸弹。钚-239的临界质量是所有核燃料中最小的，这意味着钚可以用最少的物质维持连锁反应。

然而，几乎所有的钚都是人造的，从地壳中开采出来的钚量微乎其微。唯一发现大量钚-239的地方是在核反应堆内，来自铀-238与中子相互作用。在美国，已建成的萨凡纳河核电站和汉福德核电站的反应堆用于生产钚-239。

钍燃料循环

另一方面，钍的裂变不会作为副产品产生钚-239。钍燃料循环（如上所示）从钍-232通过一系列衰变转变为铀-233开始。铀-233继续在这些反应堆中扮演核燃料的角色。钍燃料循环也产生镤-233，但非武器同位素。

总而言之，钍不能被武器化，这意味着二战后几个国家鼓励（也资助）研究和开发两用铀反应堆，目的是为了军事用途。那些发表意见和鼓励研究钍反应堆的研究人员要么被逐出各自的组织，要么被驳回。

铀与钍作为核燃料

除了作为一种不可武器化的核燃料外，钍在其他几个方面也胜过铀！

钍的含量是铀的三倍，不需要像铀-235那样再加工或浓缩。据估计，仅在美国就有足够的钍来为美国提供1000年的电力（以目前的能源水平）。此外，钍矿石中钍的含量高于其各自矿石中铀的含量，这使得钍开采更具成本效益和环境友好性。

核废料

在安全方面，钍反应堆产生的核废料将少于铀当量。钍的核废料的放射性预计在几百年后也会降低到安全水平，而目前反应堆产生的核废料在数千年内仍保持着放射性。这降低了管理乏燃料和核废物的成本。

更重要的是，钍是一种地球上富有的物质，且不易裂变。钍元素本身不会发生裂变反应，但在核反应堆中辐照后，它们可以转化为裂变材料。这意味着只要关闭中子源，钍反应堆几乎可以立即关闭。

​总结

与传统的铀反应堆相比，钍反应堆有许多已知和预测的好处，为什么世界上还没有看到钍反应堆占据主导地位？

在改用钍之前，还需要进行大量的研究、实际工作和测试。此外，“核”一词已成为铀的同义词，因此，甚至一些核领域当局都没有听说过一种更安全的替代品的可能性。

绿色核反应堆核电厂

然而，由于许多国家已经开始研究和开发钍基核反应堆，因此，安全使用核能我们看到了希望。目前，在这方面领先的是印度，该国计划分三个阶段，到2050年使用钍反应堆满足该国30%的电力需求，而世界最早可能在2025年看到其第一个商用钍反应堆。加拿大、中国、挪威、英国和美国等其他国家也在朝着利用钍的清洁和安全核能迈出一步。

至于早些时候提出的问题，这些核灾难的后果和损害能否避免？也许能避免，也许不能避免，因为其中可变因素很多，但选择一个被证明更安全的核燃料替代品肯定会有帮助！