核能“傳奇”與稀土“神話”

霍知節(jié)

當(dāng)前，人類面臨著全球性的常規(guī)能源危機。煤炭、石油、天然氣資源后備儲量不足；風(fēng)能、太陽能的開發(fā)受限于客觀自然條件，尚未在全球應(yīng)用；水電的開發(fā)能力依舊薄弱，工業(yè)生產(chǎn)和日常生活用電嚴(yán)重短缺。鑒于此，相對安全且高效的核能，成為世界許多強國選擇發(fā)展的戰(zhàn)略重點。核能自問世以來，就以其無可匹敵的高效和高風(fēng)險演繹了人類發(fā)展史上能源利用的一段傳奇。稀土則以其“無所不能”“無孔不入”的超強能力，盡顯了材料史上的神話。無疑，核能與稀土的聯(lián)手將是想象力與創(chuàng)造力的新挑戰(zhàn)。那么，就讓我們進入這些“傳奇”與“神話”之中，揭開它們背后的面紗。

1 核能開天辟地的“傳奇”

1.1 核能“身世”之謎

核能（nuclear energy）是20世紀(jì)的一項偉大發(fā)現(xiàn)，不到百年已取得了舉世矚目的輝煌成就。它是非常重要的新型清潔能源，無煙塵排放，無硫、氮等氧化物的化學(xué)污染，尤其是不會產(chǎn)生造成地球溫室效應(yīng)的二氧化碳氣體。核能的整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的有害氣體很少，就污染度而言，使其他燃料和能源望塵不及。此外，核能因其燃料能量密度大，為化石燃料的好幾百萬倍，故極便于運輸和儲存。當(dāng)然，核能也有致命的缺點，會有放射性物質(zhì)產(chǎn)生，但是通常因為防護工作和措施的到位，還是相對安全的。核能的“傳奇”就在于其“巨能”，讓同質(zhì)量的能源望而生畏。據(jù)計算1kg鈾（U）—235裂變釋放的能量相當(dāng)于2 500t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的能量。為什么會有如此大的能量呢？化學(xué)能是通過化學(xué)反應(yīng)中原子間的電子交換，獲得能量。以煤或石油燃燒為例，每個碳或氫原子在其氧化過程中，僅僅釋放出幾個電子伏的能量，核能則不然，它仰仗原子核里的中子或質(zhì)子，進行能量的重新分配可形成“巨能”。

“巨能”從哪里來？核能到底為何物？核能就是原子能，通過轉(zhuǎn)化其質(zhì)量從原子核釋放的能量，符合愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2 （E：能量；m：質(zhì)量；c：光速常量）。由其核反應(yīng)釋放能量的方式，核能可劃分為3大類：第一類為裂變能，通過核裂變反應(yīng)方式，即“鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)”打開原子核的結(jié)合力獲得能量，如鈾、钚（Pu）等重元素的原子核發(fā)生分裂時，均可釋放能量，迄今只有核裂變能實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用。

第二類為聚變能，通過核聚變反應(yīng)方式，即“熱核反應(yīng)”將原子的粒子熔合在一起獲得能量，如氘 （2H） 和氚 （3H） 等氫元素的原子核發(fā)生聚合反應(yīng)時，所釋放的能量，核聚變釋放的能量遠大于核裂變。為什么會有如此“神奇威力”呢？“氘”，核聚變的主要材料，以重水的“身份”定居于海水中。換言之，它就是重氫，氫的同位素，質(zhì)量數(shù)為2，氘的量約占氫的0.015%。以1L海水中的氘為例，通過核聚變可以釋放出多少能量呢？相當(dāng)于燃燒300L汽油所釋放出的能量。經(jīng)測算將全球海水中氘所蘊含核聚變能，可供我們高消費50億年。于是各國競相打造“核聚變的傳奇”，2002年12月2日，中國的第一代受控核聚變裝置——“中國環(huán)流器二號A裝置”橫空出世，進一步推進了該領(lǐng)域的研究發(fā)展，并為國際合作奠定了基礎(chǔ)。

第3類為衰變能，通過原子核衰變所發(fā)出的放射能。以上述釋放出能量的原理為基礎(chǔ)，世界各國先后開發(fā)出了能源、動力裝置和戰(zhàn)略武器，主要將其應(yīng)用于核發(fā)電站 （圖1），更多應(yīng)用于武器裝備，如耳熟能詳?shù)暮藵撏?、原子彈，以及氫彈（圖2） 和中子彈 （圖3） 等。就目前發(fā)展趨勢看，核聚變能和太陽能將是人類未來的主要能源，核裂變能則是當(dāng)下化石能向未來能源過渡的替代者。

1.2 硬“核傳奇”

核能的早期發(fā)現(xiàn)者和探索者主要為西方科學(xué)家，他們的貢獻與成就奠定了核能的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。尤其是19世紀(jì)末20世紀(jì)初，核能呈現(xiàn)井噴式的發(fā)展，眾人拾柴成就了硬“核傳奇”。英國物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆遜（Thomson Joseph John，1856—1940）發(fā)現(xiàn)了電子，德國物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴（德語：Wilhelm R ntgen，1845—1923）則發(fā)現(xiàn)了X射線，法國物理學(xué)家安東尼·亨利·貝克勒爾（法文：Antoine Henri Becquerel，1852—1908）發(fā)現(xiàn)其具有放射性，居里夫婦則發(fā)現(xiàn)了新的放射性元素釙（Po）。進入20世紀(jì)后，1902年居里夫人歷經(jīng)4年艱苦探索，終于發(fā)現(xiàn)了另一放射性元素鐳（Ra）。3年后，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）研究得出質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式。1914年英國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）在艱辛的實驗下，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，即帶一個單元正電荷的氫原子核，而且他還“神”預(yù)言了中子的存在。然而中子，則是在1932年的卡文迪許實驗室里，由英國物理學(xué)家詹姆士·查德威克（James Chadwick，1891—1974）經(jīng)多次實驗研究后發(fā)現(xiàn)的。此后6年，德國科學(xué)家奧托·哈恩（圖4）及其助手在實驗中使用中子轟擊U原子核，他們發(fā)現(xiàn)了神奇的“核裂變現(xiàn)象”。

什么是“核裂變現(xiàn)象”？它的“神奇”又在哪里呢？某些放射性元素，可以自發(fā)地放出3種不可見的射線：α射線即氦原子核，β射線即高速電子，以及具有最強穿透能力的高能光線，即γ射線。當(dāng)中子撞擊重的原子核，通常主要是指U或Pu的原子核，以一個U核為例，其吸收了一個中子后，就會分裂為2個或多個質(zhì)量較輕的原子核，同時發(fā)生質(zhì)能轉(zhuǎn)換，并釋放出大量的能量，伴隨產(chǎn)生2個或多個中子。在特定的條件下，新生的中子就會繼續(xù)引發(fā)更多的U原子核裂變，如此“子子孫孫無窮匱也”，這樣代代傳遞，就如環(huán)環(huán)相扣的鏈條，這就是傳說中“鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)”（圖5）。

1942年12月2日，以恩利克·費米（圖6）為代表的幾十位科學(xué)家，在美國芝加哥大學(xué)建成并啟動了全球第一座核反應(yīng)堆（圖7），當(dāng)時的功率僅為0.5W，人類由從此進入了新能源時代——核能時代。此前，人類對能源的利用主要是化石能源和電能等，而核能進入我們的生產(chǎn)和生活后，掀起了一場亙古未有的能源結(jié)構(gòu)劇變和革命。

1.3 亙古未有的“核劇變”

1945年8月6日和9日，美國在日本的廣島和長崎先后投放了2顆原子彈，造成了慘烈的傷亡和前所未有的破壞，這就是在“二戰(zhàn)”中人類首次使用的原子彈。之后，世界各國瘋狂地掀了“核競賽”的熱潮，開始將核能應(yīng)用于軍事及相關(guān)的諸多領(lǐng)域，如工業(yè)、航空航天等。除美國之外，俄羅斯、日本、英國、法國，以及中國、朝鮮、以色列等多個國家競相開展核能的理論和應(yīng)用研究。1946年，中國科學(xué)家錢三強（圖8）、何澤慧夫婦，在法國居里實驗室發(fā)現(xiàn)了U原子核的“三裂變”和“四裂變”現(xiàn)象。鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)釋放出巨大的核能，于是人類將其應(yīng)用于發(fā)電站。1954年，前蘇聯(lián)建成了奧布靈斯克核電站，這是世界上的第1座核電站，由此世界各國你追我趕地興建核電站。

當(dāng)今世界，核武器家族早已“三世同堂”，第1代為裂變武器即原子彈，第2代為氫彈，第3代中子彈，它們無疑是活躍在國際核武器舞臺上的“三劍客”。1962年美國試驗成功世界第一顆中子彈，經(jīng)政府批準(zhǔn)后，1978年正式生產(chǎn)中子彈。此后，法國和前蘇聯(lián)迅速跟風(fēng)，競相研發(fā)成功中子彈。這個家伙的“神奇”就在于最大的看家本領(lǐng)“對人不對物”，換言之，中子彈只攻擊和殺傷“有生命目標(biāo)”，對建筑物、技術(shù)裝備設(shè)施等“無生命目標(biāo)”的傷害卻很小。此外，中子彈爆炸時可釋放大量的致命中子，所產(chǎn)生的能量約為同等量原子彈的10余倍，且沖擊波等作用銳減。面對全球亙古未有的“核劇變”，中國是如何探索自己的核能之路的？

2 中國核能“震天撼地”

2.1 舊中國的“核無力”

彼時，美國的原子彈在日本炸出了無與倫比的威力后，內(nèi)戰(zhàn)中的國民黨政府也蠢蠢欲動，在美方參謀長的“你們要不要派人到美國學(xué)習(xí)制造原子彈？”的慫恿蠱惑下，立即響應(yīng)并密謀籌劃“中國的原子計劃”，為此聯(lián)系了西南聯(lián)大的華羅庚和吳大猷2位教授，還快速籌建了科研機構(gòu)，遴選了李政道（圖9）、朱光亞（圖10）和唐敖慶等核科研人才，赴美國取造原子彈的“真經(jīng)”?？墒牵苹拿绹瞬]有讓他們直接進入原子彈的核心研究機構(gòu)，而是分別進入一些大學(xué)進修。當(dāng)時，中國原子核科學(xué)高級研究人員也就10余人，還“散作滿天星”，科研設(shè)備和器材更是“一無所有”。因為蔣介石正在“聚精會神”地發(fā)動內(nèi)戰(zhàn)，錢物全部用以對共產(chǎn)黨的圍剿，撥款洽購美國核科研設(shè)備的政府批文淪為一張廢紙。1946年，我國著名原子物理學(xué)家趙忠堯（圖11），留美期間輾轉(zhuǎn)使用12萬元美金購買了電子靜電加速器，后歷經(jīng)千難萬險秘密地運回國內(nèi)。此時已是新中國的1950年，該設(shè)備一躍成為原子科研初創(chuàng)期的重要裝備。

2.2 新中國“長纓在手”

可以說，原子彈促進了二戰(zhàn)的結(jié)束進程，對世界和平作出了的歷史性的貢獻。但在當(dāng)時，誰擁有原子彈，誰基本就掌握了對別國的“生殺大權(quán)”。中華人民共和國成立后，為了遏止當(dāng)時有核國家的“核訛詐”，我國高層領(lǐng)導(dǎo)下定決心要研發(fā)成功核武器。1951年，法國著名科學(xué)家約里奧·居里大力支持中國發(fā)展原子彈，除了托回國的科學(xué)家?guī)г捊o領(lǐng)導(dǎo)人，原子彈并不可怕，但既要反對原子彈，又必須要擁有原子彈。約里奧·居里夫人還將10g含微量鐳鹽的標(biāo)準(zhǔn)源贈予中國，以實際行動支持我國的核科學(xué)研究，中國地質(zhì)部門也迅速開展鈾礦的勘探工作。

新中國高層領(lǐng)導(dǎo)非常重視核工業(yè)的建設(shè)和發(fā)展，將其提到了重要議事日程。1955年1月14日，周恩來總理與地質(zhì)學(xué)家李四光、核物理學(xué)家錢三強座談，主要討論核科學(xué)研究的具體情況和存在的問題及困難。緊接著第2天，毛澤東主席親自主持召開了“中共中央書記處擴大會議”，他強調(diào)中國核工業(yè)“只要排上日程，認(rèn)真抓一下，一定可以搞起來”。這次會議作出了大力發(fā)展核工業(yè)的戰(zhàn)略決策，中國核工業(yè)由此正式起步，開啟了波瀾壯闊的核征程。

我國在《1956—1967年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠景規(guī)劃》中，將核工業(yè)定為第一重點任務(wù)。中共“八大”將其列入第2個五年計劃，并成立“原子能事業(yè)部”，1958年更名為“第二機械工業(yè)部”，即核工業(yè)部（1982年更名）。初創(chuàng)期，以“自力更生為主，爭取外援為輔”為核發(fā)展方針。首先研發(fā)原子彈，并積極爭取前蘇聯(lián)的技術(shù)援助。于是1957年2國簽訂了國防新技術(shù)協(xié)定，蘇承諾提供原子彈的教學(xué)模型和圖紙資料給中國，還幫助援建研究性重水反應(yīng)堆和回旋加速器。確實，與前蘇聯(lián)的合作對中國核工業(yè)的發(fā)展起了重要作用。但是，中國人自立自強的天性，注定永遠不會坐等“免費午餐”。1958年中國科學(xué)院原子能研究所正式成立，不過兩三年就成長為全國第一個較完整的綜合性核科學(xué)技術(shù)研究基地。

中蘇兩國關(guān)系惡化后，1960年8月，蘇聯(lián)不僅將援助核工業(yè)建設(shè)的233名專家全部撤回，全面切斷核援助，而且與英、美等西方國家聯(lián)手遏制中國核工業(yè)的發(fā)展。中國只能自力更生發(fā)展核工業(yè)，目標(biāo)是：爭取在1960—1964年內(nèi)，自己造出原子彈進行爆炸試驗，并在8年內(nèi)有儲備。1961年7月，中央出臺了《關(guān)于加強原子能工業(yè)建設(shè)若干問題的決定》。第2年成立了由15人組成的中央專門委員會，其中有7位是副總理和部長，周恩來總理任主任，來加強對核工業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)。換言之，這個委員會就是我國當(dāng)時核工業(yè)、核武器研發(fā)的總指揮部，規(guī)格之高、責(zé)任之大前所未有，旨在發(fā)動全國力量，確保核研究規(guī)劃順利實施。核攻關(guān)是一項系統(tǒng)工程，覆蓋面廣，涉及子系統(tǒng)多，全國先后有26個部 （院），20個省、市、自治區(qū)，900多家單位加入了攻關(guān)會戰(zhàn)。1964年10月16日，中國自主研發(fā)的第1顆原子彈裝置爆炸成功，標(biāo)志著核工業(yè)基礎(chǔ)的初步建立。尤其是原子彈的“596”代號，更彰顯了中國人的志氣和決心，它就是當(dāng)時前蘇聯(lián)拒絕提供核技術(shù)資料的時間“1959年6月”。我國在原子彈爆炸試驗成功的同時向世界做出鄭重宣布，“中國在任何時候、任何情況下，都不會首先使用核武器”。

2.3 續(xù)寫“核能”新篇章

此后，中國核工業(yè)主要目標(biāo)調(diào)整為加速原子彈武器化，研發(fā)氫彈技術(shù)，盡快建成新核基地和完善核工業(yè)新布局，以及建造潛艇核動力裝置。1967年6月17日，中國第1顆氫彈爆炸成功，不僅被公認(rèn)核技術(shù)達到世界先進水平，而且研發(fā)速度震驚了全世界。因核潛艇已是現(xiàn)代海軍強大的標(biāo)配，所以中國1958年就著手研制核潛艇。因其動力堆技術(shù)難度大且工程復(fù)雜，又沒有技術(shù)資料、實驗器材和設(shè)備，所以進展很緩慢。但是，全國同心，其利斷金。1971年9月，自主研發(fā)的第1艘核潛艇（圖12）試航成功，這是我國核領(lǐng)域的又一重大突破。1981年提出了“核工業(yè)應(yīng)在保證軍用的前提下，把重點轉(zhuǎn)移到為國民經(jīng)濟利用上來”的新方針。1991年12月15日，浙江秦山核電站建成，由“以軍為主”拓展為“軍民結(jié)合”“保軍轉(zhuǎn)民” ，從而開啟了中國核能的新紀(jì)元。

3 稀土與核能的“傳奇”

3.1 核能的“神秘裝置”

產(chǎn)生核能最重要的大型神秘裝置，也是安全利用核能最主要的設(shè)備，即“核反應(yīng)堆”。主要分為2大類：“裂變反應(yīng)堆”和“聚變反應(yīng)堆”。前者使用較廣，原子核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就在該裝置中，受控地、可操作地持續(xù)進行。“裂變反應(yīng)堆”的種類很多，若以引起燃料核裂變的中子能量劃分，有快堆、中能堆、熱堆3類。若以慢化中子的材料劃分，分為輕水堆（LWR）、重水堆（HWR）、石墨堆、有機介質(zhì)堆4類。若以用途可分為3類：①動力堆，以核裂變釋放能量，可為發(fā)電、供熱、驅(qū)動船艦等提供動力。動力堆又細分為2類：一是如核電站的固定式動力堆，二是如船艦、飛機、火箭所用的移動式動力堆。②生產(chǎn)堆，生產(chǎn)放射性同位素，利用中子生產(chǎn)新的核燃料。③研究堆，利用中子進行基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)的研究。

現(xiàn)今，世界各國的核科學(xué)家都在絞盡腦汁研發(fā)先進的核反應(yīng)堆，以推進核能的快速發(fā)展和高效利用，并使其安全性和經(jīng)濟性更上一層樓。中國的核反應(yīng)堆已取得了長足的進步和發(fā)展，主要有2種先進反應(yīng)堆：其一是“10MW高溫氣冷實驗堆”，2003年已達到滿功率并網(wǎng)發(fā)電，由清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計研究院設(shè)計和研發(fā)，優(yōu)點頗多，如超強的安全性、高發(fā)電率，以及較廣的用途。其二是“中國實驗快堆”，由中國原子能科學(xué)研究院研發(fā)，主要優(yōu)點能大幅提高鈾的資源利用率。

“裂變反應(yīng)堆”的基本構(gòu)成大同小異，都由堆芯和輔助系統(tǒng)組成，即主要有核燃料組件（圖13）、慢化層、反射層、控制棒、冷卻劑和屏蔽層6個基本部分構(gòu)成。核燃料組件是一個可拆、可換的獨立單元，堆芯內(nèi)裝有易裂變核素的金屬或陶瓷核燃料，外部常覆以防裂變產(chǎn)物逸出的金屬“燃料包殼”，用以維持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，所產(chǎn)生熱能通過冷卻劑向外傳遞。慢化層，就是借助慢化劑與高能中子的多次散射，使裂變反應(yīng)釋放的高能量中子慢化至其熱能范圍。反射層，設(shè)于堆芯周圍，用以減少中子的泄漏量，降低易裂變核素的臨界質(zhì)量?？刂瓢簦ò踩簦?，由吸收中子的材料所制，通過調(diào)節(jié)控制棒在堆芯的位置，用以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率保護核系統(tǒng)。冷卻劑，常使用輕水、重水、氦和液態(tài)金屬鈉等，將裂變的熱能導(dǎo)出。屏蔽層，設(shè)于反應(yīng)堆周圍，減弱中子及γ劑量。以上諸多裝置構(gòu)成一個龐雜的冷卻系統(tǒng)、輻射屏蔽系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)，一起為核反應(yīng)堆保駕護航。由于反應(yīng)堆的各部件特殊的工作要求，均由性能各異的材料制成。

3.2 稀土核材料的“傳奇”

核材料（nuclear materials）是指用于核科學(xué)和核工程的材料總稱。包括反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料、功能材料，前者又包括堆芯結(jié)構(gòu)材料和堆外結(jié)構(gòu)材料；后者包含種類較多，如核燃料元件材料、控制材料、慢化材料、反射材料、屏蔽材料、絕緣材料等。稀土金屬以其熱中子俘獲截面的特性，縱橫于核工業(yè)的“江湖”。稀土元素家族憑借各自的獨門絕技，在反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料、控制材料及制作慢化劑和核燃料稀釋劑等領(lǐng)域獨當(dāng)一面。

3.2.1 稀土結(jié)構(gòu)材料

反應(yīng)堆的特殊功用直接決定了結(jié)構(gòu)材料的性能：強度和熱穩(wěn)定性較高，耐腐蝕性強，且可防止裂變產(chǎn)物進入冷卻劑。稀土元素釔（Y）可堪“反應(yīng)堆熱強性結(jié)構(gòu)材料”的大任，Y不僅熱中子俘獲截面小，且熔點高、密度小，還與液體U和Pu“老死不相往來”，更難能可貴的是有強吸氫力。實踐經(jīng)驗證明，Y還可用于快速增殖反應(yīng)堆。應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料還有多種稀土氧化物，如氧化釤（Sm2O3）、氧化銪（Eu2O3）、氧化釓（Gd2O3）等，均為用于熔煉金屬鈾的耐火坩堝的絕佳材料。再如將含有氧化鈰（CeO2）的稀土玻璃材料制作成隔板，不僅有高強的防輻射性能力，而且對于β輻射有很大的穩(wěn)定性，使玻璃能夠保持高透明度。

3.2.2 稀土控制材料

控制材料，特指用于控制核反應(yīng)堆反應(yīng)性的材料。核反應(yīng)堆是通過核燃料俘獲中子后發(fā)生裂變反應(yīng)，在裂變中，中子會增殖而引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)繼續(xù)推進。對于反應(yīng)堆的精準(zhǔn)控制尤為重要和關(guān)鍵，開啟運轉(zhuǎn)和停止關(guān)閉，以及在一定電功率或熱功率下安全工作的掌控，核心機要就是控制中子數(shù)量。換言之，因為通常反應(yīng)堆固有的中子倍增因子要大于1，所以要通過改變反應(yīng)堆的中子倍增因子，也就是通過改變中子泄漏或非裂變吸收份額，來實現(xiàn)這一目的。核反應(yīng)堆最常用的控制方法就是改變“非裂變吸收份額”，這又是如何做到的？簡言之，就是控制棒的“神奇魔力”，通過加插或移走控制棒來實現(xiàn)，即調(diào)節(jié)熱中子吸收數(shù)量以控制分裂速度。無疑對其材料要求較高，不僅要求中子吸收截面大，而且使用期間變化盡可能要小。此外，還要求控制材料與冷卻劑和燃料包殼材料有極好的相容性，優(yōu)良的輻照穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，感生放射性要小，且易于加工。

控制材料面對核反應(yīng)堆嚴(yán)苛的要求，堪此大任者非“稀土家族”莫屬。金屬Gd、Sm、Eu、鏑 （Dy）、Er的核吸收中子能力都很強，熱中子吸收截面很大，都是制作反應(yīng)堆控制棒的優(yōu)良材料，也是可燃毒物、中子通量抑制劑以及防護層的中子吸收劑。不僅對熱中子的數(shù)量有很強的操控性，而且是防護中子輻射的超強防護材料，以上稀土元素常以金屬、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，出沒于核工業(yè)江湖的主要形式：①金屬陶瓷控制棒，將Gd、Sm、Eu等稀土金屬氧化物彌散于基體金屬（不銹鋼和鈦合金）中，采用粉末治金法，擠壓成型所制。稀土陶瓷棒性能優(yōu)越，如含有鈀（Pd）、Gd或Sm的金屬陶瓷棒的熱穩(wěn)定性好，而且在高溫水中還具有良好的抗蝕性。②金屬控制棒， 由稀土金屬和基體金屬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鹽類，與鉬、鎢、鈦等元素的氧化物相混合壓制燒結(jié)而。④稀土鹽的固溶體，Gd、Sm、Eu等稀土金屬具有強吸收中子的能力，俘獲截面最大者釓作為吸收劑，因壽命短、燃耗快，只適合制作停堆棒，或者短時間反應(yīng)堆的控制棒。較便宜的Gd2O3和鋁酸釓的彌散體，也是很好的控制材料。稀土中子吸收材料，Gd2O3在沸水堆U燃料中作為吸收中子材料使用，因為Gd比其他任何元素吸收中子的能力都強。不僅能夠控制鈾裂變速度，而且可以得到均勻的中子通量。將其投入沸水堆的核燃料中，作為可燃毒物使用，不僅可有效解決反應(yīng)堆反應(yīng)性下降的問題，還可調(diào)整堆芯中子的分布通量而改善核運行。此外，稀土六硼化物及稀土硼酸鹽玻璃，也是前途無量的控制材料。

3.2.3 稀土慢化劑和核燃料稀釋劑

稀土慢化劑，由于Y、Ce、La等元素的熱中子俘獲截面較小，關(guān)鍵是吸氫后，都可形成相應(yīng)的氫化物，將其作為氫的載體，應(yīng)用于反應(yīng)堆芯的固體減緩劑。既可慢化中子的速度，又能增加核反應(yīng)的機率，且熱穩(wěn)定性極好，是很有前途的高溫堆減速材料。稀土稀釋劑，同樣因為Y、Ce、La的氧化物特性，將其作為燃料原體的稀釋劑，降低蒸氣壓，還可增加導(dǎo)熱性，現(xiàn)常用的有氧化鈾—氧化鈰（CeO2）陶瓷燃料。CeO2可大幅改善核燃料的抗腐蝕性和抗熱裂性，金屬Ce制造的低熔點合金，在钚系統(tǒng)中作為燃料，用于快中子反應(yīng)堆；氧化鑭、氧化釔除了降低基體蒸氣壓，還可防止核燃料變質(zhì)；氧化釓則能改進二氧化鈾燃料的導(dǎo)熱性，減少中子損失量。此外，稀土家族還可為核反應(yīng)堆中反射層材料、屏蔽材料、稀土陶瓷絕緣材料等建功立業(yè)，使核能工業(yè)更上一層樓。

4 結(jié)語

現(xiàn)今，能源危機、環(huán)境污染是全球面臨的頭等大事，科學(xué)合理利用核能，大力挖掘稀土家族的潛能，它們將會為人類演繹無盡的“傳奇”與“神話”。

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

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