核能“传奇”与稀土“神话”

霍知节

当前，人类面临着全球性的常规能源危机。煤炭、石油、天然气资源后备储量不足；风能、太阳能的开发受限于客观自然条件，尚未在全球应用；水电的开发能力依旧薄弱，工业生产和日常生活用电严重短缺。鉴于此，相对安全且高效的核能，成为世界许多强国选择发展的战略重点。核能自问世以来，就以其无可匹敌的高效和高风险演绎了人类发展史上能源利用的一段传奇。稀土则以其“无所不能”“无孔不入”的超强能力，尽显了材料史上的神话。无疑，核能与稀土的联手将是想象力与创造力的新挑战。那么，就让我们进入这些“传奇”与“神话”之中，揭开它们背后的面纱。

1 核能开天辟地的“传奇”

1.1 核能“身世”之谜

核能（nuclear energy）是20世纪的一项伟大发现，不到百年已取得了举世瞩目的辉煌成就。它是非常重要的新型清洁能源，无烟尘排放，无硫、氮等氧化物的化学污染，尤其是不会产生造成地球温室效应的二氧化碳气体。核能的整个生产环节所产生的有害气体很少，就污染度而言，使其他燃料和能源望尘不及。此外，核能因其燃料能量密度大，为化石燃料的好几百万倍，故极便于运输和储存。当然，核能也有致命的缺点，会有放射性物质产生，但是通常因为防护工作和措施的到位，还是相对安全的。核能的“传奇”就在于其“巨能”，让同质量的能源望而生畏。据计算1kg铀（U）—235裂变释放的能量相当于2 500t标准煤燃烧释放的能量。为什么会有如此大的能量呢？化学能是通过化学反应中原子间的电子交换，获得能量。以煤或石油燃烧为例，每个碳或氢原子在其氧化过程中，仅仅释放出几个电子伏的能量，核能则不然，它仰仗原子核里的中子或质子，进行能量的重新分配可形成“巨能”。

“巨能”从哪里来？核能到底为何物？核能就是原子能，通过转化其质量从原子核释放的能量，符合爱因斯坦的质能方程E=mc2 （E：能量；m：质量；c：光速常量）。由其核反应释放能量的方式，核能可划分为3大类：第一类为裂变能，通过核裂变反应方式，即“链式裂变反应”打开原子核的结合力获得能量，如铀、钚（Pu）等重元素的原子核发生分裂时，均可释放能量，迄今只有核裂变能实现了工业应用。

第二类为聚变能，通过核聚变反应方式，即“热核反应”将原子的粒子熔合在一起获得能量，如氘 （2H） 和氚 （3H） 等氢元素的原子核发生聚合反应时，所释放的能量，核聚变释放的能量远大于核裂变。为什么会有如此“神奇威力”呢？“氘”，核聚变的主要材料，以重水的“身份”定居于海水中。换言之，它就是重氢，氢的同位素，质量数为2，氘的量约占氢的0.015%。以1L海水中的氘为例，通过核聚变可以释放出多少能量呢？相当于燃烧300L汽油所释放出的能量。经测算将全球海水中氘所蕴含核聚变能，可供我们高消费50亿年。于是各国竞相打造“核聚变的传奇”，2002年12月2日，中国的第一代受控核聚变装置——“中国环流器二号A装置”横空出世，进一步推进了该领域的研究发展，并为国际合作奠定了基础。

第3类为衰变能，通过原子核衰变所发出的放射能。以上述释放出能量的原理为基础，世界各国先后开发出了能源、动力装置和战略武器，主要将其应用于核发电站 （图1），更多应用于武器装备，如耳熟能详的核潜艇、原子弹，以及氢弹（图2） 和中子弹 （图3） 等。就目前发展趋势看，核聚变能和太阳能将是人类未来的主要能源，核裂变能则是当下化石能向未来能源过渡的替代者。

1.2 硬“核传奇”

核能的早期发现者和探索者主要为西方科学家，他们的贡献与成就奠定了核能的理论和应用基础。尤其是19世纪末20世纪初，核能呈现井喷式的发展，众人拾柴成就了硬“核传奇”。英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Thomson Joseph John，1856—1940）发现了电子，德国物理学家威廉·康拉德·伦琴（德语：Wilhelm R ntgen，1845—1923）则发现了X射线，法国物理学家安东尼·亨利·贝克勒尔（法文：Antoine Henri Becquerel，1852—1908）发现其具有放射性，居里夫妇则发现了新的放射性元素钋（Po）。进入20世纪后，1902年居里夫人历经4年艰苦探索，终于发现了另一放射性元素镭（Ra）。3年后，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）研究得出质能转换公式。1914年英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）在艰辛的实验下，发现了质子，即带一个单元正电荷的氢原子核，而且他还“神”预言了中子的存在。然而中子，则是在1932年的卡文迪许实验室里，由英国物理学家詹姆士·查德威克（James Chadwick，1891—1974）经多次实验研究后发现的。此后6年，德国科学家奥托·哈恩（图4）及其助手在实验中使用中子轰击U原子核，他们发现了神奇的“核裂变现象”。

什么是“核裂變现象”？它的“神奇”又在哪里呢？某些放射性元素，可以自发地放出3种不可见的射线：α射线即氦原子核，β射线即高速电子，以及具有最强穿透能力的高能光线，即γ射线。当中子撞击重的原子核，通常主要是指U或Pu的原子核，以一个U核为例，其吸收了一个中子后，就会分裂为2个或多个质量较轻的原子核，同时发生质能转换，并释放出大量的能量，伴随产生2个或多个中子。在特定的条件下，新生的中子就会继续引发更多的U原子核裂变，如此“子子孙孙无穷匮也”，这样代代传递，就如环环相扣的链条，这就是传说中“链式核裂变反应”（图5）。

1942年12月2日，以恩利克·费米（图6）为代表的几十位科学家，在美国芝加哥大学建成并启动了全球第一座核反应堆（图7），当时的功率仅为0.5W，人类由从此进入了新能源时代——核能时代。此前，人类对能源的利用主要是化石能源和电能等，而核能进入我们的生产和生活后，掀起了一场亘古未有的能源结构剧变和革命。

1.3 亘古未有的“核剧变”

1945年8月6日和9日，美国在日本的广岛和长崎先后投放了2颗原子弹，造成了惨烈的伤亡和前所未有的破坏，这就是在“二战”中人类首次使用的原子弹。之后，世界各国疯狂地掀了“核竞赛”的热潮，开始将核能应用于军事及相关的诸多领域，如工业、航空航天等。除美国之外，俄罗斯、日本、英国、法国，以及中国、朝鲜、以色列等多个国家竞相开展核能的理论和应用研究。1946年，中国科学家钱三强（图8）、何泽慧夫妇，在法国居里实验室发现了U原子核的“三裂变”和“四裂变”现象。链式裂变反应释放出巨大的核能，于是人类将其应用于发电站。1954年，前苏联建成了奥布灵斯克核电站，这是世界上的第1座核电站，由此世界各国你追我赶地兴建核电站。

当今世界，核武器家族早已“三世同堂”，第1代为裂变武器即原子弹，第2代为氢弹，第3代中子弹，它们无疑是活跃在国际核武器舞台上的“三剑客”。1962年美国试验成功世界第一颗中子弹，经政府批准后，1978年正式生产中子弹。此后，法国和前苏联迅速跟风，竞相研发成功中子弹。这个家伙的“神奇”就在于最大的看家本领“对人不对物”，换言之，中子弹只攻击和杀伤“有生命目标”，对建筑物、技术装备设施等“无生命目标”的伤害却很小。此外，中子弹爆炸时可释放大量的致命中子，所产生的能量约为同等量原子弹的10余倍，且冲击波等作用锐减。面对全球亘古未有的“核剧变”，中国是如何探索自己的核能之路的？

2 中国核能“震天撼地”

2.1 旧中国的“核无力”

彼时，美国的原子弹在日本炸出了无与伦比的威力后，内战中的国民党政府也蠢蠢欲动，在美方参谋长的“你们要不要派人到美国学习制造原子弹？”的怂恿蛊惑下，立即响应并密谋筹划“中国的原子计划”，为此联系了西南联大的华罗庚和吴大猷2位教授，还快速筹建了科研机构，遴选了李政道（图9）、朱光亚（图10）和唐敖庆等核科研人才，赴美国取造原子弹的“真经”。可是，狡猾的美国人并没有让他们直接进入原子弹的核心研究机构，而是分别进入一些大学进修。当时，中国原子核科学高级研究人员也就10余人，还“散作满天星”，科研设备和器材更是“一无所有”。因为蒋介石正在“聚精会神”地发动内战，钱物全部用以对共产党的围剿，拨款洽购美国核科研设备的政府批文沦为一张废纸。1946年，我国著名原子物理学家赵忠尧（图11），留美期间辗转使用12万元美金购买了电子静电加速器，后历经千难万险秘密地运回国内。此时已是新中国的1950年，该设备一跃成为原子科研初创期的重要装备。

2.2 新中国“长缨在手”

可以说，原子弹促进了二战的结束进程，对世界和平作出了的历史性的贡献。但在当时，谁拥有原子弹，谁基本就掌握了对别国的“生杀大权”。中华人民共和国成立后，为了遏止当时有核国家的“核讹诈”，我国高层领导下定决心要研发成功核武器。1951年，法国著名科学家约里奥·居里大力支持中国发展原子弹，除了托回国的科学家带话给领导人，原子弹并不可怕，但既要反对原子弹，又必须要拥有原子弹。约里奥·居里夫人还将10g含微量镭盐的标准源赠予中国，以实际行动支持我国的核科学研究，中国地质部门也迅速开展铀矿的勘探工作。

新中国高层领导非常重视核工业的建设和发展，将其提到了重要议事日程。1955年1月14日，周恩来总理与地质学家李四光、核物理学家钱三强座谈，主要讨论核科学研究的具体情况和存在的问题及困难。紧接着第2天，毛泽东主席亲自主持召开了“中共中央书记处扩大会议”，他强调中国核工业“只要排上日程，认真抓一下，一定可以搞起来”。这次会议作出了大力发展核工业的战略决策，中国核工业由此正式起步，开启了波澜壮阔的核征程。

我国在《1956—1967年科学技术发展远景规划》中，将核工业定为第一重点任务。中共“八大”将其列入第2个五年计划，并成立“原子能事业部”，1958年更名为“第二机械工业部”，即核工业部（1982年更名）。初创期，以“自力更生为主，争取外援为辅”为核发展方针。首先研发原子弹，并积极争取前苏联的技术援助。于是1957年2国签订了国防新技术协定，苏承诺提供原子弹的教学模型和图纸资料给中国，还帮助援建研究性重水反应堆和回旋加速器。确实，与前苏联的合作对中国核工业的发展起了重要作用。但是，中国人自立自强的天性，注定永远不会坐等“免费午餐”。1958年中国科学院原子能研究所正式成立，不过两三年就成长为全国第一个较完整的综合性核科学技术研究基地。

中苏两国关系恶化后，1960年8月，苏联不仅将援助核工业建设的233名专家全部撤回，全面切断核援助，而且与英、美等西方国家联手遏制中国核工业的发展。中国只能自力更生发展核工业，目标是：争取在1960—1964年内，自己造出原子弹进行爆炸试验，并在8年内有储备。1961年7月，中央出台了《关于加强原子能工业建设若干问题的决定》。第2年成立了由15人组成的中央专门委员会，其中有7位是副总理和部长，周恩来总理任主任，来加强对核工业的领导。换言之，这个委员会就是我国当时核工业、核武器研发的总指挥部，规格之高、责任之大前所未有，旨在发动全国力量，确保核研究规划顺利实施。核攻关是一项系统工程，覆盖面广，涉及子系统多，全国先后有26个部 （院），20个省、市、自治区，900多家单位加入了攻关会战。1964年10月16日，中国自主研发的第1颗原子弹装置爆炸成功，标志着核工业基础的初步建立。尤其是原子弹的“596”代号，更彰显了中国人的志气和决心，它就是当时前苏联拒绝提供核技术资料的时间“1959年6月”。我國在原子弹爆炸试验成功的同时向世界做出郑重宣布，“中国在任何时候、任何情况下，都不会首先使用核武器”。

2.3 续写“核能”新篇章

此后，中国核工业主要目标调整为加速原子弹武器化，研发氢弹技术，尽快建成新核基地和完善核工业新布局，以及建造潜艇核动力装置。1967年6月17日，中国第1颗氢弹爆炸成功，不仅被公认核技术达到世界先进水平，而且研发速度震惊了全世界。因核潜艇已是现代海军强大的标配，所以中国1958年就着手研制核潜艇。因其动力堆技术难度大且工程复杂，又没有技术资料、实验器材和设备，所以进展很缓慢。但是，全国同心，其利断金。1971年9月，自主研发的第1艘核潜艇（图12）试航成功，这是我国核领域的又一重大突破。1981年提出了“核工业应在保证军用的前提下，把重点转移到为国民经济利用上来”的新方针。1991年12月15日，浙江秦山核电站建成，由“以军为主”拓展为“军民结合”“保军转民” ，从而开启了中国核能的新纪元。

3 稀土与核能的“传奇”

3.1 核能的“神秘装置”

产生核能最重要的大型神秘装置，也是安全利用核能最主要的设备，即“核反应堆”。主要分为2大类：“裂变反应堆”和“聚变反应堆”。前者使用较广，原子核裂变的链式反应就在该装置中，受控地、可操作地持续进行。“裂变反应堆”的种类很多，若以引起燃料核裂变的中子能量划分，有快堆、中能堆、热堆3类。若以慢化中子的材料划分，分为轻水堆（LWR）、重水堆（HWR）、石墨堆、有机介质堆4类。若以用途可分为3类：①动力堆，以核裂变释放能量，可为发电、供热、驱动船舰等提供动力。动力堆又细分为2类：一是如核电站的固定式动力堆，二是如船舰、飞机、火箭所用的移动式动力堆。②生产堆，生产放射性同位素，利用中子生产新的核燃料。③研究堆，利用中子进行基础科学和应用科学的研究。

现今，世界各国的核科学家都在绞尽脑汁研发先进的核反应堆，以推进核能的快速发展和高效利用，并使其安全性和经济性更上一层楼。中国的核反应堆已取得了长足的进步和发展，主要有2种先进反应堆：其一是“10MW高温气冷实验堆”，2003年已达到满功率并网发电，由清华大学核能技术设计研究院设计和研发，优点颇多，如超强的安全性、高发电率，以及较广的用途。其二是“中国实验快堆”，由中国原子能科学研究院研发，主要优点能大幅提高铀的资源利用率。

“裂变反应堆”的基本构成大同小异，都由堆芯和辅助系统组成，即主要有核燃料组件（图13）、慢化层、反射层、控制棒、冷却剂和屏蔽层6个基本部分构成。核燃料组件是一个可拆、可换的独立单元，堆芯内装有易裂变核素的金属或陶瓷核燃料，外部常覆以防裂变产物逸出的金属“燃料包壳”，用以维持链式裂变反应，所产生热能通过冷却剂向外传递。慢化层，就是借助慢化剂与高能中子的多次散射，使裂变反应释放的高能量中子慢化至其热能范围。反射层，设于堆芯周围，用以减少中子的泄漏量，降低易裂变核素的临界质量。控制棒（安全棒），由吸收中子的材料所制，通过调节控制棒在堆芯的位置，用以控制链式反应的速率保护核系统。冷却剂，常使用轻水、重水、氦和液态金属钠等，将裂变的热能导出。屏蔽层，设于反应堆周围，减弱中子及γ剂量。以上诸多装置构成一个庞杂的冷却系统、辐射屏蔽系统和安全保护系统，一起为核反应堆保驾护航。由于反应堆的各部件特殊的工作要求，均由性能各异的材料制成。

3.2 稀土核材料的“传奇”

核材料（nuclear materials）是指用于核科学和核工程的材料总称。包括反应堆结构材料、功能材料，前者又包括堆芯结构材料和堆外结构材料；后者包含种类较多，如核燃料元件材料、控制材料、慢化材料、反射材料、屏蔽材料、绝缘材料等。稀土金属以其热中子俘获截面的特性，纵横于核工业的“江湖”。稀土元素家族凭借各自的独门绝技，在反应堆的结构材料、控制材料及制作慢化剂和核燃料稀释剂等领域独当一面。

3.2.1 稀土结构材料

反应堆的特殊功用直接决定了结构材料的性能：强度和热稳定性较高，耐腐蚀性强，且可防止裂变产物进入冷却剂。稀土元素钇（Y）可堪“反应堆热强性结构材料”的大任，Y不仅热中子俘获截面小，且熔点高、密度小，还与液体U和Pu“老死不相往来”，更难能可贵的是有强吸氢力。实践经验证明，Y还可用于快速增殖反应堆。应用于结构材料还有多种稀土氧化物，如氧化钐（Sm2O3）、氧化铕（Eu2O3）、氧化钆（Gd2O3）等，均为用于熔炼金属铀的耐火坩埚的绝佳材料。再如将含有氧化铈（CeO2）的稀土玻璃材料制作成隔板，不仅有高强的防辐射性能力，而且对于β辐射有很大的稳定性，使玻璃能够保持高透明度。

3.2.2 稀土控制材料

控制材料，特指用于控制核反應堆反应性的材料。核反应堆是通过核燃料俘获中子后发生裂变反应，在裂变中，中子会增殖而引起链式反应继续推进。对于反应堆的精准控制尤为重要和关键，开启运转和停止关闭，以及在一定电功率或热功率下安全工作的掌控，核心机要就是控制中子数量。换言之，因为通常反应堆固有的中子倍增因子要大于1，所以要通过改变反应堆的中子倍增因子，也就是通过改变中子泄漏或非裂变吸收份额，来实现这一目的。核反应堆最常用的控制方法就是改变“非裂变吸收份额”，这又是如何做到的？简言之，就是控制棒的“神奇魔力”，通过加插或移走控制棒来实现，即调节热中子吸收数量以控制分裂速度。无疑对其材料要求较高，不仅要求中子吸收截面大，而且使用期间变化尽可能要小。此外，还要求控制材料与冷却剂和燃料包壳材料有极好的相容性，优良的辐照稳定性和经济性，感生放射性要小，且易于加工。

控制材料面对核反应堆严苛的要求，堪此大任者非“稀土家族”莫属。金属Gd、Sm、Eu、镝 （Dy）、Er的核吸收中子能力都很强，热中子吸收截面很大，都是制作反应堆控制棒的优良材料，也是可燃毒物、中子通量抑制剂以及防护层的中子吸收剂。不仅对热中子的数量有很强的操控性，而且是防护中子辐射的超强防护材料，以上稀土元素常以金属、氧化物、硼化物碳化物和氮化物的形式投入使用。

稀土控制材料，出没于核工业江湖的主要形式：①金属陶瓷控制棒，将Gd、Sm、Eu等稀土金属氧化物弥散于基体金属（不锈钢和钛合金）中，采用粉末治金法，挤压成型所制。稀土陶瓷棒性能优越，如含有钯（Pd）、Gd或Sm的金属陶瓷棒的热稳定性好，而且在高温水中还具有良好的抗蚀性。②金属控制棒， 由稀土金属和基体金属熔制而成的合金控制棒。③陶瓷材料，采用稀土氧化物或者稀土盐类，与钼、钨、钛等元素的氧化物相混合压制烧结而。④稀土盐的固溶体，Gd、Sm、Eu等稀土金属具有强吸收中子的能力，俘获截面最大者钆作为吸收剂，因寿命短、燃耗快，只适合制作停堆棒，或者短时间反应堆的控制棒。较便宜的Gd2O3和铝酸钆的弥散体，也是很好的控制材料。稀土中子吸收材料，Gd2O3在沸水堆U燃料中作为吸收中子材料使用，因为Gd比其他任何元素吸收中子的能力都强。不仅能够控制铀裂变速度，而且可以得到均匀的中子通量。将其投入沸水堆的核燃料中，作为可燃毒物使用，不仅可有效解决反应堆反应性下降的问题，还可调整堆芯中子的分布通量而改善核运行。此外，稀土六硼化物及稀土硼酸盐玻璃，也是前途无量的控制材料。

3.2.3 稀土慢化剂和核燃料稀释剂

稀土慢化剂，由于Y、Ce、La等元素的热中子俘获截面较小，关键是吸氢后，都可形成相应的氢化物，将其作为氢的载体，应用于反应堆芯的固体减缓剂。既可慢化中子的速度，又能增加核反应的机率，且热稳定性极好，是很有前途的高温堆减速材料。稀土稀释剂，同样因为Y、Ce、La的氧化物特性，将其作为燃料原体的稀释剂，降低蒸气压，还可增加导热性，现常用的有氧化铀—氧化铈（CeO2）陶瓷燃料。CeO2可大幅改善核燃料的抗腐蝕性和抗热裂性，金属Ce制造的低熔点合金，在钚系统中作为燃料，用于快中子反应堆；氧化镧、氧化钇除了降低基体蒸气压，还可防止核燃料变质；氧化钆则能改进二氧化铀燃料的导热性，减少中子损失量。此外，稀土家族还可为核反应堆中反射层材料、屏蔽材料、稀土陶瓷绝缘材料等建功立业，使核能工业更上一层楼。

4 结语

现今，能源危机、环境污染是全球面临的头等大事，科学合理利用核能，大力挖掘稀土家族的潜能，它们将会为人类演绎无尽的“传奇”与“神话”。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.018

参考文献

[1] 刘光华.稀土材料学[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2] 核能基本原理和知识-豆丁网[EB/OL].（2021—08—14）[2017—10—25].https：//www.docin.com/p-2038522402.html.

[3] 【学党史，知党恩，跟党走】（十五）_毛泽东[EB/OL].（2021—08—14）[2021—4—23].https：//www.sohu.com/ a/462558399_99956643.

[4] 专家：中国始终奉行不首先使用核武器国防政策-搜狐新闻中心[EB/OL].（2021—08—14）[2005—7—18].http：//news. sohu.com/20050718/n226343319.shtml.

[5] 新中国电力60年与电力工业60年大事记-豆丁网[EB/OL].（2021—08—14）[2012—11—02].https：//www.docin.com/ p-514893992.html.

[6] 刘光华.稀土材料与应用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[7] 吴春山.稀土材料在高技术领域中的推广应用[J].世界产品与技术，1998（3）：24.

[8] 刘光华.稀土材料与应用技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

[9] 刘云秀.无限风光新能源——核能利用[M].天津：天津科学技术出版社，2013.