介紹

硝酸釷水合物（Thorium dioxide，化學式ThO?），外觀通常為白色粉末狀固體，化學性質(zhì)穩(wěn)定，耐強酸、強堿腐蝕，在高溫下也不易分解。它因高溫發(fā)光特性用于煤氣燈紗罩，現(xiàn)更多應(yīng)用于核工業(yè)作為潛在核燃料，釷-232可經(jīng)核反應(yīng)轉(zhuǎn)化為易裂變的鈾-233、高端陶瓷燒結(jié)助劑及催化劑載體；同時要注意的是長期吸入或接觸會對人體肺部等器官造成損傷。

圖一 硝酸釷水合物

熱傳輸性質(zhì)

硝酸釷水合物的熱傳輸性能呈現(xiàn)顯著的溫度與尺寸依賴性。在室溫（300 K）下，塊狀ThO?的熱導率為20.8 W/(m·K)，顯著高于傳統(tǒng)核燃料二氧化鈾（UO?）的 17.1 W/(m·K)；同時，其聲子平均自由程（PMFP）被精準量化為 7-8.5 nm，這一參數(shù)決定了熱導率的尺寸響應(yīng)。當樣本縱向長度（L?）<10 nm 時，熱導率隨長度增加而上升（邊界散射主導），當 L?>10 nm 時，熱導率趨于平穩(wěn)（聲子 - 聲子散射主導），而橫向橫截面尺寸（L?/L_z）對熱導率影響極小。

硝酸釷水合物的熱導率隨溫度升高呈顯著下降趨勢：100 K 時熱導率達 77.3 W/(m·K)，1200 K 時降至 4.3 W/(m·K)，且熱導率與溫度的關(guān)系符合 1/k = 1/(A+BT)（A、B 為常數(shù)）的擬合規(guī)律。此外，考慮實際燃料中 5% 左右的孔隙率，通過修正公式 f=(1-P)1??（P 為孔隙率）調(diào)整后，塊狀 ThO?熱導率降至 19.2 W/(m·K)。

熱傳輸機制

硝酸釷水合物的熱傳輸機制以聲子輸運為核心，受聲子散射行為與溫度調(diào)控的聲子波長主導。從散射機制看，熱導率的尺寸依賴性源于“聲子 - 聲子散射”與“邊界散射”的競爭：室溫下，當樣本長度小于 PMFP（7-8.5 nm）時，邊界散射對聲子輸運的阻礙更顯著，導致熱導率隨長度增加而上升；當長度超出 PMFP 后，聲子 - 聲子散射成為主導，熱導率趨于穩(wěn)定。溫度對熱傳輸?shù)挠绊憚t通過 “Umklapp 散射” 與 “聲子波長選擇” 實現(xiàn)：高溫下（如 1200 K），大動量聲子數(shù)量增加，易發(fā)生 Umklapp 散射（聲子碰撞后總動量超出晶格允許范圍，能量轉(zhuǎn)化為晶格振動而非熱輸運），導致PMFP縮短（約 2-3 nm），熱導率下降；低溫下（如 100 K），聲子數(shù)量少、動量小，Umklapp 散射弱，長波長聲子主導熱傳輸，此類聲子易受樣本邊界影響，故熱導率對長度敏感。而高溫下短波長聲子主導輸運，其 PMFP 短，尚未到達樣本邊界即被Umklapp散射，因此熱導率幾乎不受樣本長度限制。

優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng) UO?核燃料，硝酸釷水合物的熱傳輸優(yōu)勢更適配先進核反應(yīng)堆的應(yīng)用需求。一是熱導率更高，室溫下塊狀 ThO?熱導率（20.8 W/m-K）高于UO?（17.1 W/m-K），可有效降低燃料芯塊內(nèi)部溫度梯度，減少裂變氣體（如 Xe、Kr）釋放，延長燃料使用壽命。二是高溫工況適應(yīng)性強，高溫下（如反應(yīng)堆正常工況 600-1000 K），短波長聲子主導熱傳輸，熱導率不受樣本長度限制，無需過度依賴芯塊尺寸設(shè)計即可保證散熱效率，為燃料形態(tài)優(yōu)化（如納米芯塊）提供靈活性。三是性能穩(wěn)定性高，即使考慮實際燃料的孔隙率（5% 左右），經(jīng)修正后的熱導率仍與實驗值高度吻合，且熱傳輸性能的溫度響應(yīng)規(guī)律明確，便于反應(yīng)堆熱工設(shè)計與安全評估。這些優(yōu)勢結(jié)合其天然豐度高（高于鈾）、熔點高（3573.15 K）的特點，使其成為極具潛力的先進核燃料材料[1]。

圖二 不同硝酸釷水合物樣品的導熱系數(shù)

參考文獻

[1]Park J ,Farfán B E ,Enriquez C .Thermal transport in thorium dioxide[J].Nuclear Engineering and Technology,2018,50(5):731-737.DOI:10.1016/j.net.2018.02.002.