介绍
硝酸钍水合物（Thorium dioxide，化学式ThO₂），外观通常为白色粉末状固体，化学性质稳定，耐强酸、强碱腐蚀，在高温下也不易分解。它因高温发光特性用于煤气灯纱罩，现更多应用于核工业作为潜在核燃料，钍-232可经核反应转化为易裂变的铀-233、高端陶瓷烧结助剂及催化剂载体；同时要注意的是长期吸入或接触会对人体肺部等器官造成损伤。
图一 硝酸钍水合物
热传输性质
硝酸钍水合物的热传输性能呈现显著的温度与尺寸依赖性。在室温（300 K）下，块状ThO₂的热导率为20.8 W/(m·K)，显著高于传统核燃料二氧化铀（UO₂）的 17.1 W/(m·K)；同时，其声子平均自由程（PMFP）被精准量化为 7-8.5 nm，这一参数决定了热导率的尺寸响应。当样本纵向长度（Lₓ）<10 nm 时，热导率随长度增加而上升（边界散射主导），当 Lₓ>10 nm 时，热导率趋于平稳（声子 - 声子散射主导），而横向横截面尺寸（Lᵧ/L_z）对热导率影响极小。
硝酸钍水合物的热导率随温度升高呈显著下降趋势：100 K 时热导率达 77.3 W/(m·K)，1200 K 时降至 4.3 W/(m·K)，且热导率与温度的关系符合 1/k = 1/(A+BT)（A、B 为常数）的拟合规律。此外，考虑实际燃料中 5% 左右的孔隙率，通过修正公式 f=(1-P)¹・⁵（P 为孔隙率）调整后，块状 ThO₂热导率降至 19.2 W/(m·K)。
热传输机制
硝酸钍水合物的热传输机制以声子输运为核心，受声子散射行为与温度调控的声子波长主导。从散射机制看，热导率的尺寸依赖性源于“声子 - 声子散射”与“边界散射”的竞争：室温下，当样本长度小于 PMFP（7-8.5 nm）时，边界散射对声子输运的阻碍更显著，导致热导率随长度增加而上升；当长度超出 PMFP 后，声子 - 声子散射成为主导，热导率趋于稳定。温度对热传输的影响则通过 “Umklapp 散射” 与 “声子波长选择” 实现：高温下（如 1200 K），大动量声子数量增加，易发生 Umklapp 散射（声子碰撞后总动量超出晶格允许范围，能量转化为晶格振动而非热输运），导致PMFP缩短（约 2-3 nm），热导率下降；低温下（如 100 K），声子数量少、动量小，Umklapp 散射弱，长波长声子主导热传输，此类声子易受样本边界影响，故热导率对长度敏感。而高温下短波长声子主导输运，其 PMFP 短，尚未到达样本边界即被Umklapp散射，因此热导率几乎不受样本长度限制。
优势
相较于传统 UO₂核燃料，硝酸钍水合物的热传输优势更适配先进核反应堆的应用需求。一是热导率更高，室温下块状 ThO₂热导率（20.8 W/m-K）高于UO₂（17.1 W/m-K），可有效降低燃料芯块内部温度梯度，减少裂变气体（如 Xe、Kr）释放，延长燃料使用寿命。二是高温工况适应性强，高温下（如反应堆正常工况 600-1000 K），短波长声子主导热传输，热导率不受样本长度限制，无需过度依赖芯块尺寸设计即可保证散热效率，为燃料形态优化（如纳米芯块）提供灵活性。三是性能稳定性高，即使考虑实际燃料的孔隙率（5% 左右），经修正后的热导率仍与实验值高度吻合，且热传输性能的温度响应规律明确，便于反应堆热工设计与安全评估。这些优势结合其天然丰度高（高于铀）、熔点高（3573.15 K）的特点，使其成为极具潜力的先进核燃料材料[1]。
图二 不同硝酸钍水合物样品的导热系数
参考文献
[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.