金屬釷

釷為銀白色金屬，熔點高，可與鋁、鈹、鉍等製成合金，合金可用於核反應堆。金屬釷或與其他金屬組成的合金可用於核反應堆。

基本介紹

• 中文名：金屬釷
• 外文名：thorium metal Th
• 熔點：約1800℃
• 物性：銀白色金屬

性質

銀白色金屬，熔點很高，約1800℃。

金屬釷能與多種金屬如鋁、鈹、鉍、鋯等形成合金。

金屬釷或與其他金屬組成的合金可用於核反應堆。

金屬釷在接近500℃的溫度下也不與金屬鈉反應，可將它用作鈉冷堆的燃料。

金屬釷(232Th)

金屬釷通常由其鹵化物(如ThF4)經金屬熱還原法或熔鹽電解法來製備。從釷化合物製取純金屬釷的過程。主要包括粗釷金屬製取和精煉兩大步驟。

金屬釷的化學性質極活潑，其生產方法經歷了較長的發展過程。1828年貝采利烏斯(J.J.Berzelius)用鉀還原釷鹽製得不純的金屬釷。40年代初，由於發現釷在核能中的用途，美國、英國、前蘇聯都曾研究過金屬釷的生產方法，並進行工業生產。中國於1957年制出金屬釷，1973年生產出核純金屬釷。

粗金屬釷製取

工業製取方法有金屬熱還原法和熔鹽電解法兩種。還原所得粗釷純度一般為99.5%，可用於製取合金等。

金屬熱還原法

主要有二氧化釷鈣熱還原法和四氟化釷鈣熱還原法，後者套用較廣。表1列出了ThO₂和ThF4鈣熱還原反應的吉布斯自由能變化數據。由表看出，金屬鈣在一定溫度下都可把ThO₂和ThF₄還原為金屬。表1 釷化合物還原反應的吉布斯自由能變化

反 應△GT/kJ·mol-1298K1000K2500KThO2+2Ca=Th+2CaO　　ThF4+2Ca=Th+2CaF2-33.47　　-426.8-46.02　　-405.8+117.2　　-171.5

(1)二氧化釷鈣熱還原。化學純的無水氧化鈣助熔劑、經二次蒸餾的鈣和純二氧化釷按質量比1.00：0.40：0.45混合，裝入內襯鉬的因康鎳合金反應彈中，在氬氣氣氛中於1223～1273K溫度下還原1～3h。反應產物冷卻分離後即得釷粉。釷的直接回收率為85%，產品純度為99.2%～99.8%。英國原子能局(UKAEA) 曾用此法進行百公斤級生產。

(2)四氟化釷鈣熱還原。過程分兩步進行。第一步為還原熔煉製取釷鋅合金。爐料由四氟化釷、無水氯化鋅及二次蒸餾鈣屑組成。金屬鈣用量為化學計量的125%，氯化鋅用量為四氟化釷量的16%。爐料混合均勻後，裝入充氬的鋼製反應彈內密封，抽真空至66.661Pa，再充氬至98066Pa，放入還原爐中加熱。反應開始溫度為923～973K，在1473K溫度下還原15min。還原反應按下式進行：

xThF₄+yZnCl₂+(2x+y)Ca→Th_xZn_y+2xCaF₂+yCaCl₂

反應完成後，可獲得Th-Zn合金。第二步為真空蒸餾脫鋅。即將Th-Zn合金裝入石墨坩堝爐內加熱，在0.98Pa的真空度中、於1543K溫度下蒸餾脫鋅4h，得到的海綿釷純度達99.7%，其典型雜質含量如下：

雜質元素CaCdBaZnNiFe含量(質量分數ω)/%>1×　　10-1<6×　　10-65×　　10-49×　　10-35×　　10-41.05>　　10-2雜質元素MnAlMgNbTi　含量(質量分數ω)/%1×　　10-3>1×　　10-2<6×　　10-4<5×　　10-4<5×　　10-4　

釷回收率為94%～96%。前蘇聯和美國用此法進行小規模生產。

熔鹽電解法

工業生產採用ThF₄-NaCl-KCl體系電解質，以裝載電解質的石墨槽體作陽極，以鉬或鋼棒作為陰極。電解槽充氬氣後進行電解。當電解溫度為1023～1073K、陰極電流密度為20A/dm2時，電流效率為70%～80%。陰極產物經破碎、水洗、磁選除鐵，再經酸洗、清洗、乾燥得金屬釷粉。釷粉的堆密度為4500kg/m3，純度為99.5%，其典型雜質含量如表2。金屬釷精煉常採用碘化物熱離解法精煉。這種方法是使粗釷與碘蒸氣在密封容器中於728～753K溫度下起作用，生成易揮發的ThI4，然後ThI4蒸氣在1173～1973K的熾熱釷絲上離解成釷和碘，釷沉積在熾熱釷絲上。

實踐證明，四碘化釷熱離解法除能有效地淨化除去鋁、鈹、鈷、鐵和鋰等金屬雜質外，還能大大降低金屬釷中碳、氧、氮等非金屬雜質的含量，產品純度高達99.96%，硬度低，具可鍛性。