鈾(you)(Uranium)是原子(zi)序數為92的(de)元素(su),其元素(su)符號是U,是自然界中能(neng)夠找到的(de)最(zui)重原生(sheng)元素(su)。在(zai)自然界中存在(zai)三種同位(wei)素(su),均帶有(you)放射性,擁有(you)非常長(chang)的(de)半衰期(qi)(數十萬(wan)年~45億(yi)年)。此外還有(you)12種人工同位(wei)素(su)(226U~240U)。鈾(you)在(zai)1789年由馬(ma)丁·海(hai)因里希·克(ke)拉普(pu)羅特(Martin Heinrich Klaproth)發(fa)現(xian)。鈾(you)化(hua)合物早期(qi)用于瓷器的(de)著(zhu)色,在(zai)核裂變現(xian)象被發(fa)現(xian)后用作為核燃(ran)料。
2023年4月(yue),日本與(yu)韓國(guo)科學家發現了一種以(yi)前(qian)未知的(de)鈾(you)(you)同位素——鈾(you)(you)-241。11月(yue)21日,鈾(you)(you)的(de)價格15年來(lai)首次(ci)突破80美元(yuan)/磅。
自然產生的(de)最重的(de)金屬。呈銀白色,具有(you)硬度強、密(mi)度高、可延展、有(you)放射性等特征。一般在鈾(you)與氧、氧化物或硅酸鹽的(de)結合中(zhong)發(fa)現(xian)鈾(you)。鈾(you)原(yuan)子能發(fa)生裂變反應,釋放大量能量從(cong)而可以應用于發(fa)電,核武(wu)(wu)器(qi)制(zhi)造等領域(yu)。第二(er)次世界大戰中(zhong)盟軍(jun)的(de)核武(wu)(wu)器(qi)計(ji)劃引發(fa)對(dui)鈾(you)的(de)需(xu)求,鈾(you)的(de)生產應運而生。到20世紀(ji)70年代,鈾(you)的(de)生產工業已穩固地建立起來。
鈾是(shi)Ⅲb族錒系放射性化學元(yuan)(yuan)素(su),符(fu)號U,原子序(xu)數92,相(xiang)對(dui)原子質(zhi)量238.03,是(shi)原子序(xu)數和(he)相(xiang)對(dui)原子質(zhi)量最大的(de)天然元(yuan)(yuan)素(su)。鈾在(zai)常溫(wen)下是(shi)銀白色(se)的(de)致密金屬,鈾的(de)新切面呈發亮的(de)鋼灰色(se),但在(zai)室溫(wen)空氣(qi)中(zhong)逐漸生成黑色(se)氧化膜。
鈾(you)原子的外電子層構(gou)型為(wei)[Rn]5f36d17s2,5f36d17s2殼層為(wei)價電子。鈾(you)有+3、+4、+5、+6四種價態,以(yi)+4和(he)+6價態為(wei)主(zhu)。
鈾(you)(you)是(shi)正(zheng)電(dian)性很強的(de)(de)活潑元(yuan)素,與幾(ji)乎所有非(fei)金(jin)屬(shu)元(yuan)素(惰性氣體除外)反(fan)應(ying)生成(cheng)化(hua)合物(wu),常(chang)以(yi)U3+、U4+、UO2+和(he)(he)UO22+離子形式存在(zai)。鈾(you)(you)與氫在(zai)523K時(shi)發(fa)生可逆反(fan)應(ying),生成(cheng)UH3。鈾(you)(you)-氧系比(bi)較復(fu)雜,在(zai)UO2~UO3間存在(zai)多種相,重要的(de)(de)氧化(hua)物(wu)有UO2、U3O8和(he)(he)UO3。其中UO2是(shi)當(dang)前(qian)應(ying)用最廣泛的(de)(de)核燃(ran)料(liao)。鈾(you)(you)與鹵(lu)素生成(cheng)核燃(ran)料(liao)制備(bei)工藝(yi)中重要的(de)(de)化(hua)合物(wu)。如UF4是(shi)生產金(jin)屬(shu)鈾(you)(you)和(he)(he)UF6的(de)(de)中間產物(wu)。UF6的(de)(de)三相點(dian)為337K,是(shi)氣態鈾(you)(you)同位(wei)素分離的(de)(de)原(yuan)料(liao)。碳(tan)化(hua)鈾(you)(you)、氮化(hua)鈾(you)(you)和(he)(he)硅化(hua)鈾(you)(you)都是(shi)性能優越的(de)(de)被(bei)認為有希望的(de)(de)核燃(ran)料(liao)。
金屬鈾在空(kong)氣(qi)中會變暗,可(ke)為(wei)(wei)蒸汽和(he)酸(suan)腐蝕(shi)(shi),但(dan)耐堿腐蝕(shi)(shi)。其原子半徑(jing)為(wei)(wei)138.5pm;U3+、U4+、U5+、U6+的(de)離(li)子半徑(jing)分別(bie)為(wei)(wei)103、97、89及80pm。鈾的(de)電負性據鮑(bao)林(Pauling)測定為(wei)(wei)1.38;阿爾勒德(Allred)和(he)羅切夫(Rochow)測定為(wei)(wei)1.22。
鈾能(neng)與(yu)大多數非(fei)金屬元素及(ji)其化合物(wu)發(fa)生(sheng)(sheng)反(fan)應,反(fan)應的溫(wen)度(du)和反(fan)應速度(du)隨鈾的粒度(du)而異。鈾在室溫(wen)的空氣(qi)或氧(yang)氣(qi)中能(neng)自(zi)燃,細粒鈾在水中亦(yi)能(neng)自(zi)燃。在一定條件下,鈾氧(yang)化放出的能(neng)量可(ke)引(yin)起爆炸。鈾粉塵的爆炸濃度(du)下限(xian)為55mg/dm3。鈾能(neng)與(yu)許多金屬反(fan)應生(sheng)(sheng)成金屬間化合物(wu)。鈾可(ke)與(yu)鈮(ni)、鉿、鋯、鉬及(ji)鈦生(sheng)(sheng)成固(gu)溶體。
鈾(you)及其化(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)(wu)均有(you)較大(da)的(de)化(hua)(hua)學毒性,空氣(qi)中可溶性鈾(you)化(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)(wu)的(de)允許(xu)濃度為0.05mg/m3,不(bu)溶性鈾(you)化(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)(wu)的(de)允許(xu)濃度為0.25mg/m3,人體對天(tian)然鈾(you)的(de)放射性允許(xu)劑量,可溶性鈾(you)化(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)(wu)是7400Bq,不(bu)溶性鈾(you)化(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)(wu)是333Bq。
鈾(you)(you)是放射(she)性金屬元素(su),可(ke)作為核(he)反應(ying)的燃(ran)料。鈾(you)(you)是銀白色(se)金屬,幾(ji)乎與鋼(gang)一(yi)樣(yang)硬,密度高(gao)(gao)(相對密度約18.95),熔(rong)點1135℃,沸點4134℃。在(zai)核(he)能量發展(zhan)之前,它被用作制造(zao)黃色(se)玻(bo)璃(li)。鈾(you)(you)是自(zi)然界(jie)存在(zai)的原子序數最(zui)高(gao)(gao)的元素(su)。1841年E.佩利(1811-1890)離析(xi)出金屬鈾(you)(you),雖然在(zai)此之前鈾(you)(you)已在(zai)瀝青鈾(you)(you)礦中(zhong)被認(ren)知。它也藏于云母鈾(you)(you)礦、釩(fan)鉀鈾(you)(you)礦和獨居(ju)石中(zhong);主要分布于加拿大(da)、澳大(da)利亞、南非。可(ke)通過氣體(ti)擴散技(ji)術從易揮發氣體(ti)六(liu)氟化鈾(you)(you)(UF6)中(zhong)分離各同位素(su)鈾(you)(you)。
鈾存(cun)在(zai)(zai)(zai)三種同素異形體(ti),其存(cun)在(zai)(zai)(zai)溫(wen)(wen)度(du)和(he)主要結構特征列于表(biao)中(zhong)。α-U在(zai)(zai)(zai)室(shi)溫(wen)(wen)時的密度(du)為19.02t/m3。α-U和(he)β-U呈明(ming)顯(xian)的各向異性(xing),如(ru)在(zai)(zai)(zai)298~523K之(zhi)間(jian),α-U單晶(jing)沿a、b、c軸熱(re)膨(peng)脹系數(shu)分別(bie)為αa=+33.24×10-6/K、αb=-6.49×10-6/K、αc=+30.36×10-6/K。γ-U有各向同性(xing)結構。無序排(pai)列的多晶(jing)鈾在(zai)(zai)(zai)293~373K范圍的熱(re)膨(peng)脹系數(shu)等于16.3×10-6/K。在(zai)(zai)(zai)5~350K之(zhi)間(jian)的比(bi)熱(re)為27.66J/(mol·K)。α-U的熱(re)導率隨溫(wen)(wen)度(du)提高而增加,室(shi)溫(wen)(wen)下(xia)為25.1W/(m·K),1033K時為37.7W/(m·K)。
鈾(you)的力學性質隨試(shi)樣爐(lu)號(hao)和熱處理的不(bu)同而異。對(dui)(dui)α軋制α退火的試(shi)樣,得到室溫(wen)最大屈服強度(du)為206.8-275.8 MPa,對(dui)(dui)小變形(xing)量擠壓鈾(you),室溫(wen)抗(kang)拉(la)強度(du)極限為586.1~861.8MPa。鈾(you)有三種(zhong)晶格結構(gou)(gou):α-U為斜(xie)方結構(gou)(gou),a=284.785pm,b=585.801pm,c=494.553pm;β-U為正方結構(gou)(gou),a=1076.0pm,c=565.2pm;γ-U為體心立方結構(gou)(gou),a=352.4pm。它們(men)的轉換溫(wen)度(du)為941K(α→β)和1047K(β→γ)。
鈾的同(tong)素(su)異形體(ti) α-U β-U γ-U
存在溫(wen)度范圍 (K) <941 941-1048 1048(熔點)
晶體結(jie)構 斜方 四方 體心立方
晶胞(bao)中(zhong)原子數 (個) 4 30 2
晶(jing)格(ge)常數 (nm) a0 0. 28541 1. 0579 0. 3524
b0 0. 58692 - -
c0 0. 49563 0. 5656 -
鈾的重要物理性質列于下表。
性 質 數 據
熔點T/K 1405.5
沸點T/K 4018
熔(rong)化熱(re)Q/kJ·mol-1 15.5
氣化熱Q/kJ·mol-1 417.1
密度ρ/kg·m-3 18950(293K),17907(熔點液體)
熱導率λ/W·m-1·K-1 27.6(300K)
電阻率ρ/Ω·m 30.8×10-8(273K)
摩爾體(ti)積Vm/cm3 12.56
線脹系數αl/K-1 12.6×10-6
天(tian)然鈾含有三種(zhong)同位素(su):238U、235U和(he)234U,它們(men)的含量(liang)(liang)(liang)分(fen)別為(wei)99.28%(238U)、0.71%(235U)和(he)0.006%(234U),半衰期分(fen)別為(wei)(238U)4.51×109、(235U)7.09×108和(he)(234U)2.35×105年。其中(zhong)以(yi)235U為(wei)最重(zhong)要,是(shi)目前(qian)核動力的燃(ran)料。一個235U核吸收(shou)一個熱(re)中(zhong)子(zi)(zi)發生裂變時(shi)放(fang)出(chu)約2.5個中(zhong)子(zi)(zi),并釋放(fang)出(chu)207MeV能(neng)量(liang)(liang)(liang)。1kg235U核裂變放(fang)出(chu)的能(neng)量(liang)(liang)(liang)相當于燃(ran)燒2700t煤所產生的能(neng)量(liang)(liang)(liang)。根據(ju)反應堆堆型及(ji)其工作條件,核燃(ran)料可(ke)采用天(tian)然鈾或(huo)提高了(le)U含量(liang)(liang)(liang)的富(fu)(fu)集(ji)鈾。用氣體擴散法、離心(xin)法或(huo)激光(guang)法等分(fen)離鈾同位素(su),可(ke)使U的富(fu)(fu)集(ji)度達到90%以(yi)上。U俘獲中(zhong)子(zi)(zi)后轉變成(cheng)易裂變的Pu(钚)。Pu和(he)U也是(shi)制造核武器的主(zhu)要原料。
在25km地殼內(nei)含1014t鈾(you)(you),其中海(hai)水(shui)含1010t,每噸(dun)海(hai)水(shui)平均(jun)含鈾(you)(you)3.3mg。自然界存在幾(ji)百(bai)種含鈾(you)(you)的礦(kuang)物(wu),但大(da)多(duo)是貧礦(kuang),所以(yi)經(jing)濟(ji)地大(da)量開(kai)(kai)采很困(kun)難。目前,經(jing)濟(ji)上(shang)有開(kai)(kai)采價值的鈾(you)(you)礦(kuang)含U3O8量為0.1%左右。如果(guo)發展快中子增(zeng)殖堆,則鈾(you)(you)資源利用率可比壓水(shui)堆提高60~70倍。
鈾同位素(su)中存量最多(duo)的是(shi)238U,再者是(shi)可(ke)用作(zuo)核能發電的燃料的235U,豐(feng)度最少的是(shi)234U。此外還(huan)有12種人工同位素(su)。
同位素 豐度 半衰期 衰變模式 衰變能量(MeV)衰變產物(wu)
232U 人造(zao) 68.9年(nian) 自發分裂 - -
α衰(shuai)變 5.414 Th-228
233U 人造 159200年 自發分(fen)裂(lie) 197.93 -
α衰變 4.909 Th-229
234U 0.01% 245500年(nian) 自發分裂 197.78 -
α衰變 4.859 Th-230
235U 0.72% 7.038×108年 自發分(fen)裂 202.48 -
α衰變 4.679 Th-231
236U 人造 2.342×107年 自發分裂 201.82 -
α衰(shuai)變(bian) 4.572 Th-232
237U 人造 6.75日 β衰變 0.519 Np-237
238U 99.28% 4.468×109年(nian) 自發分裂 205.87 -
α衰(shuai)變 4.27 Th-234
鈾(you)的(de)熱(re)中子吸收截面(mian)為(wei)7.60b±0.07b。鈾(you)的(de)同位(wei)(wei)素(su)(包(bao)括同核異能(neng)素(su))有15種,其質量(liang)數從(cong)227至240。鈾(you)的(de)天然同位(wei)(wei)素(su)組(zu)成(cheng)列于下表。
核 素 相對原子質量 自(zi)然豐度/% 半衰(shuai)期T1/2/a 衰(shuai)變模式及衰(shuai)變能
α/MeV
234U 234.0409 0.005 2.47×105 α(4.856);γ
235U 235.0439 0.72 7.00×108 α(4.681);SF; γ
238U 238.0508 99.275 4.51×109α(4.268);SF;γ
235U為錒鈾(you)衰變(bian)系(xi)的(de)(de)始(shi)祖核(he)素(su),238U為鈾(you)鐳系(xi)的(de)(de)始(shi)祖核(he)素(su),234U是(shi)238U的(de)(de)衰變(bian)系(xi)產物。235U是(shi)惟一天然的(de)(de)可(ke)裂(lie)變(bian)核(he)素(su)。235U核(he)素(su)受熱中子(zi)(zi)轟擊,吸收一個(ge)(ge)(ge)中子(zi)(zi)后(hou)發生裂(lie)變(bian)(誘(you)發裂(lie)變(bian))。一個(ge)(ge)(ge)235U核(he)在裂(lie)變(bian)時放出(chu)的(de)(de)總能量為195MeV,同時放出(chu)2~3(平均2.5)個(ge)(ge)(ge)中子(zi)(zi)。只要其中一個(ge)(ge)(ge)中子(zi)(zi)引起另一個(ge)(ge)(ge)235U核(he)發生裂(lie)變(bian),鏈式核(he)裂(lie)變(bian)就會持續進行(xing)下去。238U不是(shi)裂(lie)變(bian)核(he)素(su),但(dan)238U在反(fan)應堆活(huo)性區吸收中子(zi)(zi)后(hou)生成239U,239U再(zai)經兩次β衰變(bian)生成能裂(lie)變(bian)的(de)(de)Pu。因此(ci),可(ke)以利(li)用快中子(zi)(zi)增殖堆充(chong)分發揮(hui)238U的(de)(de)作(zuo)用,提高天然鈾(you)的(de)(de)利(li)用率。
鈾(you)(you)(you)(you)(yóu)英文(wen)名Uranium,得名于天(tian)王星的(de)(de)(de)名字“Uranus”。1789年(nian)(nian)(nian)M.H.克(ke)拉普羅(luo)特(Martin Heinrich Klaproth)首先(xian)從瀝青鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)中(zhong)發現(xian)了(le)“鈾(you)(you)(you)(you)”,就用(yong)1781年(nian)(nian)(nian)新(xin)發現(xian)的(de)(de)(de)一個行星——天(tian)王星命名它為uranium,元(yuan)素符號定為U。但1841年(nian)(nian)(nian)E.M.佩利若(Eugene-Melchior Peligot)證(zheng)明該物(wu)質(zhi)系二氧化鈾(you)(you)(you)(you),隨后(hou)用(yong)鉀還原UCl4制備了(le)金屬鈾(you)(you)(you)(you)。1896年(nian)(nian)(nian)A.H.貝可勒(le)爾(Antoine Henri Becquerel)發現(xian)了(le)鈾(you)(you)(you)(you)的(de)(de)(de)放(fang)射性(xing)現(xian)象(xiang)。那時(shi)對鈾(you)(you)(you)(you)的(de)(de)(de)研(yan)究屬純理論(lun)性(xing)的(de)(de)(de),鈾(you)(you)(you)(you)化合物(wu)只(zhi)用(yong)于玻璃和(he)陶瓷的(de)(de)(de)著(zhu)色。1898年(nian)(nian)(nian)在鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)中(zhong)發現(xian)了(le)鐳(lei),鈾(you)(you)(you)(you)便(bian)成為開采鐳(lei)的(de)(de)(de)副產品。1938年(nian)(nian)(nian)O.哈恩(Otto Hahn)和(he)F.施(shi)特拉斯曼(Fritz Strassmann)用(yong)中(zhong)子轟擊(ji)鈾(you)(you)(you)(you)核(he)發現(xian)核(he)裂變同時(shi)釋放(fang)出能量(liang),引起了(le)人們重(zhong)新(xin)對鈾(you)(you)(you)(you)的(de)(de)(de)重(zhong)視(shi)。第二次世(shi)界(jie)大戰期間和(he)戰后(hou),由于核(he)武器和(he)核(he)動(dong)力的(de)(de)(de)需要,加速(su)了(le)鈾(you)(you)(you)(you)資(zi)源的(de)(de)(de)勘探和(he)開采。
美國為此設立了(le)(le)專門研(yan)(yan)究原(yuan)子(zi)(zi)彈的(de)機(ji)構。1945年(nian)美國在(zai)日本廣島投(tou)擲了(le)(le)第(di)一(yi)顆235U原(yuan)子(zi)(zi)彈,幾天后又在(zai)日本長崎投(tou)下了(le)(le)一(yi)顆239Pu原(yuan)子(zi)(zi)彈。1954年(nian)蘇(su)聯建成了(le)(le)第(di)一(yi)座核電站。從此,鈾的(de)科(ke)研(yan)(yan)和(he)生產(chan)受到世界(jie)各國的(de)高度(du)重視,核武器制造和(he)核發電工業便得到迅(xun)速發展。中國的(de)鈾工業自20世紀50年(nian)代興起,已(yi)形成完整的(de)和(he)具有相當規模的(de)科(ke)研(yan)(yan)和(he)工業生產(chan)體系。
2023年4月(yue),日本與韓國科(ke)(ke)學(xue)家(jia)發(fa)現了一種以前未(wei)知的鈾同位素(su)——鈾-241。其原子序數(shu)為(wei)92,質量為(wei)241,半衰期可能只(zhi)有(you)40分鐘,這是(shi)自1979年以來科(ke)(ke)學(xue)家(jia)首次(ci)發(fa)現富含中子的鈾同位素(su)。
鈾有多種(zhong)化合物(wu)(wu),主要鈾化合物(wu)(wu)的化學(xue)式、存在形態和用(yong)途列于下表。
名稱 化學式 存在形態 用 途
二氧(yang)化(hua)鈾 UO2 深褐色或黑色粉末 制造反應堆(dui)元件(jian)或
生產UF4
三氧(yang)化鈾 UO3 無定形UO3或(huo)α-UO3,褐色,β-UO3橙色粉(fen)末,γ-UO3 還(huan)原成UO2
亮黃色(se),δ-UO3紅色(se),Σ-UO3磚(zhuan)紅色(se),η-UO3棕色(se)
八氧化三鈾 U3O8 橄欖(lan)綠(lv)色(有時呈墨(mo)綠(lv)或(huo)黑色)粉末(mo)翠綠(lv)色晶體(綠(lv)鹽(yan))儲(chu)存、還原成UO2制(zhi)取金屬鈾或(huo)UF6
四(si)氟(fu)化鈾 UF4 室溫下近(jin)于白色固體,在309K溫度升華,最(zui)易揮發的鈾化合物 同位素分離,濃縮
六氟化(hua)鈾 UF6 235U
硝(xiao)酸鈾酰 UO2(NO3)2 UO2(NO3)2·6H2O亮黃色晶體(ti) 脫硝(xiao)成UO3
重鈾(you)酸銨 (NH4)2U2O7 黃色沉淀物(wu)(俗(su)稱“黃餅”)質(zhi)量好的(de)呈(cheng)片狀(zhuang)結晶 熱(re)分解成(cheng)UO2或
UO3
三碳酸鈾酰銨 (NH4)4UO2(CO3)3 淡黃色晶(jing)體(ti) 熱分解成UO2
鈾(you)能與多種金(jin)(jin)(jin)屬生成金(jin)(jin)(jin)屬間(jian)化合物。鈾(you)具有(you)化學(xue)性(xing)質(zhi)活潑(po)、各向(xiang)異性(xing)結構和(he)機械性(xing)能較差等缺(que)陷。鈾(you)合金(jin)(jin)(jin)的某些性(xing)質(zhi)優于金(jin)(jin)(jin)屬鈾(you),這在(zai)核燃料元件制造中(zhong)相當重(zhong)要。添加適量的其他金(jin)(jin)(jin)屬,如鈮、鉻(ge)、鉬或鋯能改善鈾(you)的熱(re)導率、晶體結構及金(jin)(jin)(jin)相結構、熱(re)處理特性(xing)、輻照穩定性(xing)和(he)耐蝕性(xing)等。
貧(pin)鈾(you)彈(dan)即(ji)利用貧(pin)鈾(you)合(he)金(jin)制造(zao)的一種(zhong)高效燃燒(shao)穿(chuan)甲彈(dan),它借助(zhu)貧(pin)鈾(you)材(cai)料密度(du)大(da)(鉛密度(du)的2倍)、強度(du)大(da)(鋼(gang)強度(du)的3倍)和穿(chuan)透力(li)強,且易燃燒(shao)的特點制作(zuo)(zuo)而成,貧(pin)鈾(you)合(he)金(jin)含(han)238U、235U等,貧(pin)鈾(you)彈(dan)爆(bao)炸(zha)后殘留的235U等能損害腎臟、神經(jing)系統,可導致(zhi)肺癌等。密度(du)、硬度(du)較(jiao)大(da)的貧(pin)鈾(you)合(he)金(jin),還可制作(zuo)(zuo)防輻射材(cai)料等。
鈾廣泛(fan)存在(zai)于地殼(ke)和海水中(zhong)(zhong)。海水中(zhong)(zhong)鈾的濃度為3×10-7%,地殼(ke)豐(feng)度為2.3×10-4%,但在(zai)地殼(ke)中(zhong)(zhong)很分(fen)散。
鈾(you)(you)礦(kuang)物(wu)(wu)按成(cheng)因可分為原(yuan)生(sheng)(sheng)鈾(you)(you)礦(kuang)和(he)(he)次生(sheng)(sheng)鈾(you)(you)礦(kuang)兩大(da)類(lei)。除(chu)瀝青鈾(you)(you)礦(kuang)外(wai),原(yuan)生(sheng)(sheng)鈾(you)(you)礦(kuang)均存在于偉(wei)晶(jing)巖中,原(yuan)生(sheng)(sheng)礦(kuang)物(wu)(wu)經風化和(he)(he)熱液(ye)作用易轉變成(cheng)各種(zhong)次生(sheng)(sheng)礦(kuang)物(wu)(wu)。鈾(you)(you)礦(kuang)的(de)(de)成(cheng)因、產狀(zhuang)、含(han)(han)鈾(you)(you)量及伴生(sheng)(sheng)礦(kuang)物(wu)(wu)和(he)(he)圍巖均會影響到(dao)鈾(you)(you)礦(kuang)的(de)(de)加工(gong)工(gong)藝(yi)。已發(fa)現的(de)(de)鈾(you)(you)礦(kuang)物(wu)(wu)和(he)(he)含(han)(han)鈾(you)(you)礦(kuang)物(wu)(wu)約(yue)有500多(duo)種(zhong)。其中常見并(bing)具有工(gong)業實用價(jia)值的(de)(de)僅(jin)二三(san)十種(zhong)。下表所(suo)列為重要的(de)(de)鈾(you)(you)礦(kuang)物(wu)(wu)。
類(lei)型(xing) 礦(kuang)物名稱 組 成 鈾(you)含量(質量分(fen)數(shu)ω)/%
原生鈾礦 瀝青(qing)鈾礦 UO2·mUO3·nPbO 40~76
晶質鈾礦(kuang) (U,Th)O2·mUO3·nPbO 65~75.4
鈦(tai)鈾礦 (U,Ce,Fe,Y,Th)3Ti5O16 <40
次生鈾(you)礦(kuang) 水(瀝青)鈾(you)礦(kuang) UO2·mUO3·nH2O
銅鈾(you)云母 Cu(UO2)2(PO4)2·(8~12)H2O 50
鈣鈾云母 Ca(UO2)2(PO4)2·(8~12)H2O 50
鉀釩鈾(you)礦 K2(UO2)2(VO4)2·(1~3)H2O 50
釩鈣鈾礦 Ca(UO2)2(VO4)2·8H2O 50~60
除澳大利(li)亞、加拿大有一(yi)些(xie)較大的富鈾礦(kuang)(kuang)床(含鈾1%~10%)外,大多(duo)數鈾礦(kuang)(kuang)的含鈾品位為(wei)(wei)0.1%~0.2%。鈾水(shui)冶廠大多(duo)直接處理(li)鈾原礦(kuang)(kuang),但通過選礦(kuang)(kuang)能提高(gao)礦(kuang)(kuang)石(shi)品位,降(jiang)低成本。一(yi)些(xie)國家正采(cai)用(yong)放射(she)分(fen)選機對(dui)塊狀鈾礦(kuang)(kuang)石(shi)進行選礦(kuang)(kuang)。為(wei)(wei)了綜合利(li)用(yong)或改善鈾礦(kuang)(kuang)石(shi)加工性(xing)能,有的礦(kuang)(kuang)石(shi)還需經配(pei)礦(kuang)(kuang)、焙(bei)燒(shao)等預處理(li)。
此外,含鈾(you)的(de)(de)磷酸鹽礦、褐煤(mei)、頁巖、鈾(you)礦水(shui)、含鈾(you)銅廢石堆浸液(ye)和海水(shui)等都可(ke)成為提鈾(you)的(de)(de)原料(liao)。例如,1988年(nian)美(mei)國從濕法磷酸等副(fu)產品中回收的(de)(de)鈾(you)達(da)1500t,約(yue)占(zhan)其(qi)總產量5190t鈾(you)的(de)(de)29%。
鈾通常(chang)被人(ren)們認為是一種稀有金屬,盡(jin)管鈾在(zai)地(di)殼中的含量很高,比汞、鉍、銀要多得(de)多,但(dan)由于提取鈾的難度(du)較大,所(suo)以它注定了要比汞這些元素發現的晚得(de)多。盡(jin)管鈾在(zai)地(di)殼中分(fen)布廣(guang)泛,但(dan)是只有瀝青鈾礦和(he)鉀(jia)釩鈾礦兩種常(chang)見的礦床。
地(di)(di)殼中(zhong)(zhong)鈾(you)(you)(you)(you)的(de)(de)平(ping)均(jun)含(han)(han)(han)量(liang)約(yue)為百萬(wan)分(fen)之2.5,即平(ping)均(jun)每噸(dun)地(di)(di)殼物質中(zhong)(zhong)約(yue)含(han)(han)(han)2.5克(ke)鈾(you)(you)(you)(you),這(zhe)比鎢、汞、金、銀等元素的(de)(de)含(han)(han)(han)量(liang)還(huan)高。鈾(you)(you)(you)(you)在(zai)(zai)各種(zhong)巖石中(zhong)(zhong)的(de)(de)含(han)(han)(han)量(liang)很(hen)不均(jun)勻。例如在(zai)(zai)花崗巖中(zhong)(zhong)的(de)(de)含(han)(han)(han)量(liang)就(jiu)要(yao)高些(xie),平(ping)均(jun)每噸(dun)含(han)(han)(han)3.5克(ke)鈾(you)(you)(you)(you)。在(zai)(zai)地(di)(di)殼的(de)(de)第一(yi)(yi)層(距地(di)(di)表20 km)內含(han)(han)(han)鈾(you)(you)(you)(you)近1.3×1014噸(dun)。依此推(tui)算,一(yi)(yi)立方(fang)公里的(de)(de)花崗巖就(jiu)會含(han)(han)(han)有約(yue)一(yi)(yi)萬(wan)噸(dun)鈾(you)(you)(you)(you)。海(hai)水(shui)中(zhong)(zhong)鈾(you)(you)(you)(you)的(de)(de)濃度相當低,每噸(dun)海(hai)水(shui)平(ping)均(jun)只含(han)(han)(han)3.3毫克(ke)鈾(you)(you)(you)(you),但由于(yu)海(hai)水(shui)總量(liang)極(ji)大(海(hai)水(shui)中(zhong)(zhong)總含(han)(han)(han)鈾(you)(you)(you)(you)量(liang)可達(da)4.5×109噸(dun)),且從(cong)水(shui)中(zhong)(zhong)提取有其方(fang)便之處,所以(yi)不少國(guo)家(jia),特別是(shi)那些(xie)缺少鈾(you)(you)(you)(you)礦資源的(de)(de)國(guo)家(jia),正在(zai)(zai)探索海(hai)水(shui)提鈾(you)(you)(you)(you)的(de)(de)方(fang)法。
由于鈾(you)(you)的(de)化學性(xing)質(zhi)很活潑,所以(yi)自然(ran)界不(bu)存在游離態的(de)金屬鈾(you)(you),它(ta)總是(shi)以(yi)化合狀態存在著(zhu)。已知(zhi)的(de)鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)物(wu)(wu)有一百七十(shi)多(duo)種(zhong),但(dan)具有工(gong)業開采價值的(de)鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)只(zhi)有二(er)、三十(shi)種(zhong),其(qi)中最重要的(de)有瀝青(qing)鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)(主要成分為八(ba)氧化三鈾(you)(you))、品質(zhi)鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)(主要成分為二(er)氧化鈾(you)(you))、鈾(you)(you)石和鈾(you)(you)黑等。很多(duo)的(de)鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)物(wu)(wu)都呈黃色、綠(lv)色或黃綠(lv)色。有些鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)物(wu)(wu)在紫外線下能發出(chu)強烈(lie)的(de)熒(ying)光(guang)。正(zheng)是(shi)鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)物(wu)(wu)(鈾(you)(you)化合物(wu)(wu))這(zhe)種(zhong)發熒(ying)光(guang)的(de)特性(xing),才導致了放射性(xing)現(xian)象的(de)發現(xian)。
雖然鈾元素的(de)分布(bu)相當廣,但鈾礦床的(de)分布(bu)卻很有限。鈾資(zi)源主要分布(bu)在美國(guo)(guo)、加拿大、南非、西南非、澳(ao)大利亞等國(guo)(guo)家和地區。據(ju)估計,已探明的(de)工業儲量到(dao)1972年已超過一百萬噸。
鈾(you)及其一(yi)系列衰變子(zi)體的放(fang)射(she)性是(shi)存在鈾(you)的最好標(biao)志。人的肉(rou)眼雖然看不見(jian)放(fang)射(she)性,但是(shi)借(jie)助于專門的儀(yi)器(qi)卻可以(yi)方(fang)便地(di)把它探(tan)測(ce)出來(lai)。因此,鈾(you)礦(kuang)資(zi)源(yuan)的普(pu)查和勘探(tan)幾乎(hu)都利用了鈾(you)具有放(fang)射(she)性這一(yi)特點:若發現某個地(di)區巖石(shi)、土壤、水、甚至(zhi)植物(wu)內放(fang)射(she)性特別強,就說(shuo)明那個地(di)區可能有鈾(you)礦(kuang)存在。
鈾(you)的(de)提取冶(ye)金(jin)具有(you)三個特點。第(di)一,鈾(you)礦石的(de)品(pin)位很(hen)低,一般含鈾(you)(238U+235U)0.1%~0.2%,而其中235U僅為0.0007%~0.0014%,為獲得核純(chun)(chun)鈾(you),必(bi)須經(jing)過一系列(lie)富集、提純(chun)(chun)過程(cheng)。第(di)二,核純(chun)(chun)金(jin)屬(shu)鈾(you)需再(zai)經(jing)同(tong)位素分離,制成(cheng)不同(tong)豐度的(de)濃縮(suo)235U。第(di)三,工藝過程(cheng)繁雜,并存在輻射(she)危害問題。因此,鈾(you)生(sheng)產技術難度大,安全(quan)防護要求(qiu)嚴格。
除了就(jiu)地浸(jin)出(chu)以及(ji)從其他含鈾(you)(you)(you)(you)物(wu)料(liao)提(ti)鈾(you)(you)(you)(you)外,鈾(you)(you)(you)(you)的(de)提(ti)取冶金都是從鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)石(原礦(kuang)(kuang)或精礦(kuang)(kuang))開始(shi)的(de),通常包括鈾(you)(you)(you)(you)提(ti)取、四(si)氟化鈾(you)(you)(you)(you)制(zhi)取、金屬(shu)鈾(you)(you)(you)(you)制(zhi)取、六氟化鈾(you)(you)(you)(you)制(zhi)取、鈾(you)(you)(you)(you)同位素分離、制(zhi)取含濃(nong)縮U的(de)金屬(shu)鈾(you)(you)(you)(you)和鈾(you)(you)(you)(you)燃料(liao)元件加(jia)工等主要步(bu)驟。
(1)鈾提取(qu)。包括鈾礦石(shi)的(de)浸出、液固分(fen)離、富集、提純(常(chang)用(yong)離子(zi)交換(huan)或(huo)溶劑萃取(qu)法)及沉淀產物熱分(fen)解制取(qu)核純UO2或(huo)U3O8。
(2)四氟(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)鈾制取。將UO2(U3O8可(ke)用氫還原成UO2)氫氟(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)成四氟(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)鈾(綠鹽)。
(3)金(jin)屬鈾制(zhi)取。用金(jin)屬鈣或鎂(mei)將UF4還原成(cheng)金(jin)屬鈾,金(jin)屬鈾再經精(jing)煉、澆鑄、加(jia)工、鍛造(或擠壓)成(cheng)形、包殼等處理制(zhi)成(cheng)天然鈾的反應堆元(yuan)件,供生產(chan)裂變(bian)元(yuan)素(su)239Pu用。
(4)六(liu)氟化鈾制取。將UF4氟化成(cheng)UF6。
(5)鈾同(tong)位素分離。利用235U與238U質量之間的(de)微(wei)小差異,通過對UF6的(de)氣體(ti)擴散(或(huo)離心分離),制取不同(tong)豐度的(de)濃縮235UF6。
(6)制取含(han)濃(nong)縮235U的(de)金屬鈾(you)。將濃(nong)縮235UF6經氫(qing)還原(yuan)成(cheng)235UF4,再轉化成(cheng)濃(nong)縮235UO2。用鈣或(huo)鎂還原(yuan)235UF4制成(cheng)含(han)濃(nong)縮U的(de)金屬鈾(you)。
(7)鈾(you)燃(ran)料元件(jian)加(jia)工(gong)。將濃(nong)縮UO2或(huo)金(jin)屬鈾(you)進(jin)一步加(jia)工(gong)制成反應堆燃(ran)料元件(jian)或(huo)其他最終(zhong)產品。
安全防護
鈾(you)及其化(hua)合物既會(hui)放(fang)出危害生(sheng)(sheng)(sheng)物的(de)射線,又有化(hua)學毒性,在生(sheng)(sheng)(sheng)產過程中必須(xu)采(cai)取安全防護(hu)措(cuo)施。安全防護(hu)措(cuo)施的(de)主要內容包括(kuo)嚴防粉塵(chen)及氡氣進入人(ren)體;使(shi)生(sheng)(sheng)(sheng)產場地的(de)輻射劑量低于(yu)放(fang)射性衛生(sheng)(sheng)(sheng)防護(hu)規定(ding)的(de)限值;排(pai)放(fang)的(de)三(san)廢經處理(li)后(hou)必須(xu)達到國家規定(ding)的(de)排(pai)放(fang)標準。要注意濃縮鈾(you)產物臨界(jie)安全。
利用(yong)低品(pin)位(wei)鈾(you)礦(kuang)石及(ji)其他含鈾(you)物料以擴大鈾(you)資(zi)源。重(zhong)視鈾(you)的(de)(de)就地浸(jin)出(chu)、堆浸(jin)、細菌浸(jin)出(chu)等(deng)浸(jin)出(chu)方法的(de)(de)開(kai)發和(he)推廣應(ying)用(yong),以節(jie)省能(neng)耗(hao)和(he)降低生(sheng)產成本。開(kai)發并(bing)推廣應(ying)用(yong)快中子增殖堆,提高天然鈾(you)的(de)(de)利用(yong)率(lv)。研(yan)究開(kai)發無廢物工藝,減輕鈾(you)對環境的(de)(de)污染(ran)。發展節(jie)能(neng)的(de)(de)離心法、激光法等(deng)同(tong)位(wei)素分(fen)離方法,替代耗(hao)能(neng)高的(de)(de)擴散(san)法。
自(zi)然界里234U不會發生(sheng)核裂(lie)變(bian),通(tong)常,238U也(ye)不會發生(sheng)裂(lie)變(bian),只有235U易(yi)發生(sheng)核裂(lie)變(bian),核燃料(liao)主要指235U。235U半(ban)衰(shuai)(shuai)期為7.038×108年,從235U開始(shi),經過(guo)11次連續衰(shuai)(shuai)變(bian),最(zui)(zui)(zui)后出(chu)現穩定(ding)的(de)207Pb。238U半(ban)衰(shuai)(shuai)期為4.468×109年,從238U開始(shi),經過(guo)14次連續衰(shuai)(shuai)變(bian),最(zui)(zui)(zui)后出(chu)現穩定(ding)的(de)206Pb-206。238U連續衰(shuai)(shuai)變(bian)中,子核半(ban)衰(shuai)(shuai)期最(zui)(zui)(zui)長的(de)是(shi)234U,它(ta)的(de)半(ban)衰(shuai)(shuai)期是(shi)2.45×105年。
235U、233U和239Pu是主(zhu)要的(de)核裂(lie)變(bian)物質,可直接做核燃(ran)料,它們能(neng)大(da)量(liang)(liang)獲得、并易吸收(shou)慢中子(zi)(zi)(能(neng)量(liang)(liang)小于1eV)并發生裂(lie)變(bian),234U、238U則(ze)不(bu)行。235U存在(zai)于天然鈾(you)中,233U和239Pu要靠鈾(you)核反應堆生產。235U、233U和239Pu,任何能(neng)量(liang)(liang)的(de)中子(zi)(zi)均可使它們分裂(lie)、釋(shi)放能(neng)量(liang)(liang);對(dui)235U來說,速(su)度越慢的(de)中子(zi)(zi)越易引(yin)起裂(lie)變(bian)。238U吸收(shou)一個中子(zi)(zi),也可轉變(bian)為裂(lie)變(bian)物質。
235U和238U都能自發(fa)(fa)裂變(bian),但后者自發(fa)(fa)裂變(bian)的幾(ji)率很小。
U-235裂變
研究表(biao)(biao)明,235U吸(xi)收慢(man)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)后,有(you)40多(duo)種(zhong)(zhong)(zhong)裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)方式,至少能(neng)(neng)生產(chan)(chan)36種(zhong)(zhong)(zhong)元素的(de)(de)(de)300多(duo)種(zhong)(zhong)(zhong)核素和快中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(平均(jun)2.5個),并釋(shi)放巨大能(neng)(neng)量(liang)(liang)。鈾(you)核裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)生成物除(chu)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai),通常有(you)兩(liang)種(zhong)(zhong)(zhong)(兩(liang)分(fen)(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie))裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)物,還有(you)三(san)種(zhong)(zhong)(zhong)(三(san)分(fen)(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie))和四種(zhong)(zhong)(zhong)裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)物(1946 年,我(wo)國(guo)物理學家錢(qian)三(san)強等在法(fa)國(guo)發(fa)(fa)現),“三(san)分(fen)(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie)”幾(ji)率(lv)極(ji)小。除(chu)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai),鈾(you)核“兩(liang)分(fen)(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie)”的(de)(de)(de)碎(sui)塊有(you)許多(duo)組合方式,碎(sui)塊質量(liang)(liang)比大致為(wei)3:2的(de)(de)(de)發(fa)(fa)生幾(ji)率(lv)最(zui)大,碎(sui)塊質量(liang)(liang)相同的(de)(de)(de)機會極(ji)小;鈾(you)“三(san)分(fen)(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie)”,其中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)一塊是α粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi),“三(san)分(fen)(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie)”發(fa)(fa)生的(de)(de)(de)幾(ji)率(lv)是“二分(fen)(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie)”的(de)(de)(de)3/1000。統計表(biao)(biao)明,235U裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)發(fa)(fa)射(she)的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(動能(neng)(neng))在0.1-20MeV范圍,平均(jun)為(wei)2MeV。僅(jin)有(you)快中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)不能(neng)(neng)使(shi)天然鈾(you)產(chan)(chan)生持(chi)續的(de)(de)(de)裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)鏈式反應(ying),慢(man)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)也不能(neng)(neng)使(shi)238U發(fa)(fa)生裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian),持(chi)續的(de)(de)(de)裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)反應(ying)在238U中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)不可能(neng)(neng)發(fa)(fa)生。235U和240Pu等,除(chu)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)可引發(fa)(fa)其核裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)外(wai),具有(you)足夠(gou)能(neng)(neng)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)帶電粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)或γ射(she)線等也能(neng)(neng)引發(fa)(fa)裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)。此(ci)外(wai),鈾(you)對約25eV的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)還會產(chan)(chan)生俘獲共振,即俘獲而不裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)。
235U結(jie)合能(neng)(neng)小,核裂(lie)變(bian)勢壘較(jiao)低,任何能(neng)(neng)量(liang)(liang)的(de)(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)都能(neng)(neng)使它(ta)裂(lie)變(bian),且對慢(man)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)速(su)率為(wei)(wei)2.2×103m/s,與常溫下氣體(ti)分子(zi)(zi)運動(dong)速(su)率相當。這(zhe)樣,它(ta)在鈾(you)核附近的(de)(de)時(shi)間(jian)相對較(jiao)長(chang),容易擊(ji)中(zhong)(zhong)鈾(you)核使之(zhi)裂(lie)變(bian))有很大的(de)(de)裂(lie)變(bian)截面(裂(lie)變(bian)幾率大)。235U吸(xi)收一個慢(man)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi),通常先形成激發(fa)態的(de)(de)236U(復核),然(ran)后裂(lie)變(bian)成兩塊(kuai),同時(shi)釋放中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)和能(neng)(neng)量(liang)(liang)等(deng)。熱(re)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(慢(man)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)的(de)(de)一種(zhong))反應堆里(li),235U熱(re)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)裂(lie)變(bian)截面比238U的(de)(de)熱(re)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)裂(lie)變(bian)截面要大200倍,這(zhe)樣,就(jiu)會有足夠數量(liang)(liang)的(de)(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)引起235U核裂(lie)變(bian),這(zhe)可彌補天然(ran)鈾(you)或(huo)濃(nong)縮鈾(you)中(zhong)(zhong)235U含量(liang)(liang)較(jiao)少之(zhi)弱點(dian);這(zhe)種(zhong)反應堆工作時(shi),鈾(you)的(de)(de)利用率為(wei)(wei)1%-2%。
U-238裂變
238U(240Pu、232Th)裂(lie)變(bian)(bian)是有閥的(de),小于1.1MeV的(de)中(zhong)(zhong)子(zi)會被其吸(xi)(xi)收或散(san)射,不能(neng)(neng)引發裂(lie)變(bian)(bian);較大(da)能(neng)(neng)量(liang)的(de)中(zhong)(zhong)子(zi)才能(neng)(neng)使它(ta)們裂(lie)變(bian)(bian),但(dan)可能(neng)(neng)性(xing)又極小。238U結合能(neng)(neng)較大(da),裂(lie)變(bian)(bian)勢(shi)壘較高,能(neng)(neng)量(liang)超過1.4MeV的(de)快(kuai)中(zhong)(zhong)子(zi)才能(neng)(neng)使它(ta)裂(lie)變(bian)(bian),釋放的(de)中(zhong)(zhong)子(zi)能(neng)(neng)量(liang)較大(da)。研究(jiu)顯示,238U在(zai)幾(ji)MeV以上有很多共(gong)振(zhen)吸(xi)(xi)收峰(feng),其裂(lie)變(bian)(bian)幾(ji)率隨中(zhong)(zhong)子(zi)能(neng)(neng)量(liang)增大(da)而增大(da)。238U不易(yi)產生(sheng)裂(lie)變(bian)(bian),但(dan)吸(xi)(xi)收中(zhong)(zhong)子(zi)后能(neng)(neng)變(bian)(bian)成239Pu和233U等較好的(de)核(he)裂(lie)變(bian)(bian)物質(zhi)。熱(re)中(zhong)(zhong)子(zi)被238U俘獲(huo)的(de)幾(ji)率是熱(re)中(zhong)(zhong)子(zi)使235U裂(lie)變(bian)(bian)幾(ji)率的(de)1/190左右。快(kuai)中(zhong)(zhong)子(zi)同(tong)238U核(he)的(de)主要作(zuo)用是非彈(dan)性(xing)碰撞,大(da)部分中(zhong)(zhong)子(zi)都是通過非彈(dan)性(xing)碰撞降低能(neng)(neng)量(liang),再在(zai)多次碰撞中(zhong)(zhong)被238U核(he)吸(xi)(xi)收。
鈾(you)材(cai)料里235U的(de)含量高于0.7%即濃(nong)縮鈾(you)。鈾(you)是重要(yao)的(de)核燃(ran)料和原(yuan)子彈核心材(cai)料,現在使用的(de)鈾(you)材(cai)料都需提煉、濃(nong)縮,使之達到一定(ding)的(de)純度(du)。比如,制(zhi)造一顆原(yuan)子彈至少需20-50千克的(de)高濃(nong)縮鈾(you)(也(ye)可用钚造原(yuan)子彈),其濃(nong)縮純度(du)應達到 90%以上。
鈾礦(kuang)石里(li)235U的(de)含量很(hen)低,絕大(da)部分(fen)是238U,鈾礦(kuang)石不能像煤(mei)塊(kuai)那樣直(zhi)接做燃料,它類似于(yu)大(da)部分(fen)是泥沙的(de)煤(mei)餅(bing),沒法燃燒。鈾元(yuan)素(su)同(tong)(tong)位素(su)的(de)豐度(一元(yuan)素(su)的(de)同(tong)(tong)位素(su)混(hun)合物里(li),某(mou)(mou)同(tong)(tong)位素(su)的(de)原子數和總的(de)原子數之比)可(ke)通(tong)過(guo)工藝處理使之增(zeng)大(da),以獲(huo)得(de)該元(yuan)素(su)濃縮(suo)的(de)某(mou)(mou)種同(tong)(tong)位素(su),如235U,235U與238U物理性質稍有(you)不同(tong)(tong),主(zhu)要是相(xiang)對質量不同(tong)(tong),這導致它們形成的(de)化合物微粒質量會(hui)有(you)點差(cha)異(yi)。利用鈾天然(ran)同(tong)(tong)位素(su)原子量不同(tong)(tong)進行分(fen)離,可(ke)使鈾材料中235U對238U的(de)比值較天然(ran)鈾高,從(cong)而獲(huo)得(de)裂(lie)變材料——濃縮(suo)鈾。“濃縮(suo)”主(zhu)指提高某(mou)(mou)元(yuan)素(su)特(te)定同(tong)(tong)位素(su)豐度的(de)同(tong)(tong)位素(su)分(fen)離過(guo)程(cheng),如由天然(ran)鈾生產濃縮(suo)鈾或(huo)由普(pu)通(tong)水生產重水等。
濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)同位素(su)目的(de)(de)(de)即(ji)提高(gao)(gao)235U相(xiang)對(dui)(dui)于(yu)238U等(deng)的(de)(de)(de)相(xiang)對(dui)(dui)豐(feng)度(du)(du)(du)(du)(濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)),使天然235U的(de)(de)(de)相(xiang)對(dui)(dui)含量(liang)高(gao)(gao)于(yu)0.7%的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you),即(ji)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you),鈾(you)(you)(you)(you)燃料(liao)(liao)(liao)(liao)中235U的(de)(de)(de)含量(liang)達到3%以上(shang)才有可能持續“燃燒”;濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)有:3%、3.5%、20%濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)等(deng)品種(zhong)。許多(duo)核(he)反(fan)應堆和(he)核(he)武(wu)器(qi)(qi)中所用(yong)的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you),必須對(dui)(dui)其(qi)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo),即(ji)須提高(gao)(gao)易核(he)裂變的(de)(de)(de)235U濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du),然后將(jiang)其(qi)制(zhi)成燃料(liao)(liao)(liao)(liao)。大(da)多(duo)核(he)電廠核(he)反(fan)應堆用(yong)的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)燃料(liao)(liao)(liao)(liao)235U濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)約在3%左右、不(bu)超過5%。核(he)武(wu)器(qi)(qi)里的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)材料(liao)(liao)(liao)(liao)235U濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)需在90%以上(shang);核(he)艦(jian)船(chuan)所用(yong)的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)燃料(liao)(liao)(liao)(liao)為(wei)20%或更低(di)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)。國(guo)際(ji)原(yuan)子能機構界(jie)定:235U豐(feng)度(du)(du)(du)(du)為(wei)3%的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)材料(liao)(liao)(liao)(liao)屬(shu)核(he)電站用(yong)低(di)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(工業(ye)級核(he)燃料(liao)(liao)(liao)(liao)),常是(shi)鈾(you)(you)(you)(you)鹽或氧化鈾(you)(you)(you)(you);豐(feng)度(du)(du)(du)(du)大(da)于(yu)80%的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)材料(liao)(liao)(liao)(liao)為(wei)高(gao)(gao)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you),豐(feng)度(du)(du)(du)(du)大(da)于(yu)90%的(de)(de)(de)則是(shi)武(wu)器(qi)(qi)級(軍用(yong))高(gao)(gao)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you),主要(yao)用(yong)于(yu)制(zhi)造(zao)核(he)武(wu)器(qi)(qi);另一(yi)種(zhong)劃分(fen)是(shi):高(gao)(gao)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(豐(feng)度(du)(du)(du)(du)在20%以上(shang)),低(di)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(2%-20%,商用(yong)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you))、微(wei)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(0.9%-2%)和(he)武(wu)器(qi)(qi)級濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(90%以上(shang))。鈾(you)(you)(you)(you)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)達到20%是(shi)一(yi)節點與(yu)難(nan)關(guan),由此再提高(gao)(gao)鈾(you)(you)(you)(you)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)(suo)度(du)(du)(du)(du)則是(shi)一(yi)相(xiang)對(dui)(dui)容易實(shi)現的(de)(de)(de)過程(cheng)。
獲得鈾(you)(you)材料需(xu)(xu)經過(guo)一系列復(fu)雜的(de)工藝,要經過(guo)探礦、開礦、選礦、浸礦、煉(lian)礦、精煉(lian)等流程(cheng)(cheng),分(fen)離、濃(nong)縮是主(zhu)要和較難(nan)的(de)流程(cheng)(cheng),科技含量高。鈾(you)(you)礦石(shi)經碾磨、分(fen)選后得到的(de)較純凈鈾(you)(you)礦產(chan)品,即(ji)鈾(you)(you)精礦,又叫“黃餅(bing)”,主(zhu)成分(fen)是八氧化三鈾(you)(you)和重鈾(you)(you)酸鈉、重鈾(you)(you)酸銨,它是核燃(ran)料生產(chan)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)一種中(zhong)間產(chan)品。通常,獲得1千克武器級(ji)235U需(xu)(xu)要200多噸較高品位(wei)的(de)鈾(you)(you)礦石(shi)。
不(bu)論(lun)是和平(ping)利用核(he)能,還是制造核(he)能武(wu)器,濃縮(suo)鈾(you)(you)都是必需的(de)(de)。至(zhi)2006年11月,世(shi)界上運行或在建的(de)(de)470座商業核(he)電反應堆大多(duo)是以(yi)濃縮(suo)鈾(you)(you)為燃料(liao);到2010年,全球至(zhi)少已有1600噸高濃縮(suo)鈾(you)(you)(還有500噸钚),我(wo)國是世(shi)界上第(di)四(si)個(美、英、蘇后(hou))獨立掌握濃縮(suo)鈾(you)(you)生產(chan)技術的(de)(de)國家;20世(shi)紀60年代前(qian)期,我(wo)國先后(hou)建立了衡陽鈾(you)(you)水(shui)冶廠和蘭州氣(qi)體擴散廠,獲得了濃縮(suo)鈾(you)(you)(1958年5月,蘭州始建我(wo)國首座鈾(you)(you)濃縮(suo)生產(chan)企業,它先后(hou)為我(wo)國的(de)(de)第(di)一(yi)(yi)顆原子彈、第(di)一(yi)(yi)顆氫彈、第(di)一(yi)(yi)艘(sou)核(he)潛艇和第(di)一(yi)(yi)座核(he)電站,提(ti)供了優質核(he)燃料(liao))。2011年,哈佛(fo)大學肯尼(ni)迪學院下屬貝(bei)爾福爾中心的(de)(de)研(yan)究報告說,中國擁有軍用級(ji)鈾(you)(you)16噸、钚1.8噸。
因涉(she)及核(he)武(wu)器問題,鈾(you)濃(nong)(nong)縮(suo)技術一直是國(guo)(guo)際(ji)社會嚴禁擴散的敏感技術,國(guo)(guo)際(ji)原子能(neng)機構與(yu)聯合國(guo)(guo)希望能(neng)控(kong)制各國(guo)(guo)鈾(you)濃(nong)(nong)縮(suo)活動。中國(guo)(guo)臺灣曾有核(he)計劃。1985年(nian)起,羅馬(ma)尼(ni)亞秘(mi)密的從事武(wu)器級濃(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)提煉工作;1991年(nian),羅馬(ma)尼(ni)亞政府(fu)同樣將其(qi)核(he)設(she)備、核(he)研(yan)究置(zhi)于國(guo)(guo)際(ji)原子能(neng)機構監(jian)管之(zhi)下;2003年(nian),美國(guo)(guo)、俄(e)羅斯將其(qi)十(shi)幾千(qian)克(ke)、濃(nong)(nong)度達80%的濃(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)運到俄(e)羅斯予以處理(li)。利比亞違反國(guo)(guo)際(ji)承諾,秘(mi)密獲得鈾(you)濃(nong)(nong)縮(suo)技術以發展核(he)武(wu)器,2003年(nian)“伊(yi)拉克(ke)戰(zhan)爭(zheng)”后,該國(guo)(guo)向西(xi)方妥(tuo)協將有關(guan)設(she)備、圖紙交給了美國(guo)(guo)、英(ying)國(guo)(guo)。
除幾個核(he)大(da)國(guo)(guo)(guo)外(wai),日本、德國(guo)(guo)(guo)、印度、以(yi)(yi)色列、巴基斯(si)坦、阿根廷、朝鮮(2011年(nian)1月,聯合國(guo)(guo)(guo)安理會(hui)“對朝制裁(cai)委員會(hui)”專家組擬訂了《朝鮮鈾濃縮計(ji)劃(hua)報告(gao)》,以(yi)(yi)期防止核(he)擴散、核(he)競賽升級)、伊(yi)(yi)朗(lang)(2011年(nian)6月12日,伊(yi)(yi)朗(lang)常駐國(guo)(guo)(guo)際原子能機構代表蘇丹尼耶在第二屆核(he)裁(cai)軍國(guo)(guo)(guo)際會(hui)議期間(jian)對新華(hua)社記者(zhe)說,伊(yi)(yi)朗(lang)已生(sheng)產出(chu)逾50公(gong)斤純度為20%的(de)濃縮鈾,伊(yi)(yi)朗(lang)的(de)目標是有120公(gong)斤這種(zhong)核(he)材(cai)料)等(deng)國(guo)(guo)(guo)都掌握了鈾濃縮技術(shu)。
提純、濃縮(suo)235U的(de)(de)技術較復(fu)雜,鈾(you)元素(su)的(de)(de)各種同位素(su),如同“孿生姐(jie)妹”,物理性質與化(hua)(hua)(hua)學(xue)性質十(shi)分相(xiang)似。利用(yong)同位素(su)在物理、化(hua)(hua)(hua)學(xue)性質上(shang)的(de)(de)微小差異,通過擴散、蒸發或化(hua)(hua)(hua)學(xue)交換等方法(fa)與過程,可使鈾(you)元素(su)同位素(su)的(de)(de)比例發生變(bian)化(hua)(hua)(hua)。用(yong)同位素(su)分離(li)法(fa)處理天然(ran)鈾(you),可增(zeng)加鈾(you)235U的(de)(de)濃度(du),使天然(ran)鈾(you)里(li)235U的(de)(de)相(xiang)對(dui)含量高(gao)于0.7%,進而獲得供多種需要的(de)(de)不同濃度(du)的(de)(de)鈾(you)材料(liao)。工(gong)業(ye)規(gui)模分離(li)鈾(you)同位素(su)的(de)(de)技術(適用(yong)于提高(gao)U-235濃度(du))有(you)氣體(ti)擴散法(fa)、氣體(ti)離(li)心(xin)法(fa)、離(li)子交換法(fa)以(yi)及蒸餾(liu)法(fa)、電(dian)解法(fa)、電(dian)流法(fa)、液體(ti)熱擴散法(fa)、電(dian)磁分離(li)法(fa)和激光(guang)分離(li)法(fa)等。這些濃縮(suo)方法(fa),工(gong)藝(yi)過程都復(fu)雜,投(tou)資大、耗能高(gao)、且產量低,即生產鈾(you)燃(ran)料(liao)成本較大。
這(zhe)是最早、最成熟的(de)(de)(de)(de)濃(nong)縮(suo)(suo)方(fang)法,也是商業開發的(de)(de)(de)(de)第一(yi)種(zhong)濃(nong)縮(suo)(suo)方(fang)法,它(ta)據(ju)分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)滲透、擴散(san)原理,利(li)用不同(tong)(tong)(tong)(tong)質(zhi)(zhi)量鈾同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)轉化為(wei)氣(qi)態時運(yun)動速(su)率的(de)(de)(de)(de)不同(tong)(tong)(tong)(tong)而進行分(fen)(fen)(fen)(fen)離。UF6是一(yi)種(zhong)劇毒、腐蝕性強和(he)有(you)放(fang)射性的(de)(de)(de)(de)白(bai)色晶體(ti)(ti),加(jia)熱后升華為(wei)氣(qi)體(ti)(ti)。由(you)于238U、235U的(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量數(shu)不同(tong)(tong)(tong)(tong),所(suo)以(yi)(yi)UF6氣(qi)體(ti)(ti)中(zhong)二者的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)質(zhi)(zhi)量也不同(tong)(tong)(tong)(tong),UF6里235U的(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量數(shu)是349、238U的(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量數(shu)是352。當高壓UF6混合氣(qi)體(ti)(ti)(鈾同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)混合氣(qi)體(ti)(ti))透過(guo)(guo)級(ji)(ji)(ji)聯安裝的(de)(de)(de)(de)多孔(kong)薄膜(mo)時,UF6中(zhong)U-235輕(qing)分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)氣(qi)體(ti)(ti)會比UF6中(zhong)238U重分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)氣(qi)體(ti)(ti)更快地(di)通(tong)過(guo)(guo)多孔(kong)膜(mo)。通(tong)過(guo)(guo)膜(mo)管的(de)(de)(de)(de)氣(qi)體(ti)(ti)立(li)即被泵送到(dao)下(xia)一(yi)級(ji)(ji)(ji),留在膜(mo)管中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氣(qi)體(ti)(ti)則(ze)返回到(dao)較(jiao)低(di)級(ji)(ji)(ji)再循環。在每一(yi)個(ge)氣(qi)體(ti)(ti)擴散(san)級(ji)(ji)(ji)中(zhong)235U與(yu)238U濃(nong)度比僅略有(you)增加(jia),如此分(fen)(fen)(fen)(fen)離、濃(nong)縮(suo)(suo)到(dao)工業級(ji)(ji)(ji)235U濃(nong)度則(ze)需1000級(ji)(ji)(ji)以(yi)(yi)上。
該技術(shu)的(de)(de)核心是(shi)多(duo)孔(kong)擴(kuo)散分(fen)(fen)離(li)膜(蘇聯曾叫它(ta)是(shi)“社會主義陣營(ying)安全的(de)(de)心臟”),我(wo)國(guo)于1964年研制出優質的(de)(de)分(fen)(fen)離(li)膜元件(jian)(時稱甲種分(fen)(fen)離(li)膜,該技術(shu)獲1984年國(guo)家(jia)發明一等獎)。分(fen)(fen)離(li)膜是(shi)每平(ping)方(fang)分(fen)(fen)米有數(shu)百萬個(ge)超微細(xi)孔(kong)的(de)(de)多(duo)孔(kong)薄金屬板(ban)或薄膜,將這些薄膜(板(ban))卷成(cheng)(cheng)管(guan)子(zi)并裝在密封(feng)的(de)(de)擴(kuo)散器里(li),當UF6氣(qi)(qi)體(ti)加壓送到由(you)這些管(guan)子(zi)組成(cheng)(cheng)的(de)(de)級聯裝置中,混合氣(qi)(qi)體(ti)便會逐漸被分(fen)(fen)離(li),含235U多(duo)的(de)(de)濃(nong)(nong)(nong)縮UF6氣(qi)(qi)體(ti)沿著級聯裝置向(xiang)前流動(dong),含238U多(duo)的(de)(de)稀薄UF6氣(qi)(qi)體(ti)則因流動(dong)滯后(hou)而落下、分(fen)(fen)流了。該方(fang)法擴(kuo)散、濃(nong)(nong)(nong)縮過(guo)程需要幾千個(ge)連續的(de)(de)級聯裝置,連續擴(kuo)散可將UF6混合氣(qi)(qi)體(ti)里(li)含238U的(de)(de)分(fen)(fen)子(zi)與含235U的(de)(de)分(fen)(fen)子(zi)分(fen)(fen)離(li),再用化學方(fang)法處理已(yi)濃(nong)(nong)(nong)縮的(de)(de)UF6-235U氣(qi)(qi)體(ti)分(fen)(fen)子(zi),進而獲得235U。這種方(fang)法鈾濃(nong)(nong)(nong)縮的(de)(de)效率不高、能(neng)耗(hao)大。
1919年(nian)(nian),德(de)國科學家(jia)G.瑞皮完(wan)成了氣體(ti)離(li)心機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)基本(ben)設(she)計(ji)。鈾(you)濃(nong)縮離(li)心機(ji)(ji)(ji)概念和(he)應用則是20世(shi)紀30-40年(nian)(nian)代由美(mei)囯弗(fu)吉(ji)尼(ni)亞大學的(de)(de)高速離(li)心機(ji)(ji)(ji)專家(jia)J.W.伯莫斯提出的(de)(de)。1934年(nian)(nian),伯莫斯成功(gong)地(di)(di)分離(li)了兩種氯同位(wei)素(su);1941年(nian)(nian),他和(he)同事利用離(li)心機(ji)(ji)(ji)首次(ci)成功(gong)地(di)(di)分離(li)了鈾(you)同位(wei)素(su)。分離(li)共設(she)計(ji)了3種離(li)心機(ji)(ji)(ji),其(qi)工作曾引(yin)起(qi)美(mei)國當(dang)時正(zheng)實(shi)施的(de)(de)“曼哈頓計(ji)劃”(研(yan)制原子彈的(de)(de)計(ji)劃)領導人的(de)(de)注意(yi),但美(mei)國最終選擇了氣體(ti)擴散(san)法。
氣體(ti)離(li)(li)(li)心(xin)(xin)法(fa)(fa)也適用于處理鈾(you)(you)的(de)混(hun)合(he)液(ye)(ye)體(ti)或(huo)鈾(you)(you)蒸汽(qi),它(ta)使用獨特設(she)計的(de)離(li)(li)(li)心(xin)(xin)機使氣體(ti)或(huo)液(ye)(ye)體(ti)能(neng)(neng)不間斷地在各個離(li)(li)(li)心(xin)(xin)機中(zhong)流(liu)動(dong),可連續運轉(zhuan)加(jia)工(gong)鈾(you)(you)氣流(liu)或(huo)鈾(you)(you)液(ye)(ye)體(ti)流(liu)。當前(qian),濃(nong)縮(suo)鈾(you)(you)常用這種機械式分離(li)(li)(li)法(fa)(fa)。此法(fa)(fa)中(zhong),真空高(gao)速離(li)(li)(li)心(xin)(xin)機是(shi)關鍵設(she)備,國際上常把有無該(gai)設(she)備作為判斷一個國家(jia)是(shi)否進行核武(wu)器(qi)研究的(de)標志。與氣體(ti)擴散法(fa)(fa)相比(bi),氣體(ti)離(li)(li)(li)心(xin)(xin)法(fa)(fa)工(gong)效(xiao)較高(gao)、所需電能(neng)(neng)大幅減少,所以該(gai)法(fa)(fa)已(yi)被(bei)大多(duo)的(de)濃(nong)縮(suo)鈾(you)(you)工(gong)廠采用。
將高(gao)壓UF6氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)注入(ru)(ru)高(gao)速轉動(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)封(feng)閉式離(li)心(xin)(xin)機里,由于質量存在(zai)差異(yi),長時(shi)間旋轉依靠(kao)慣性(xing)離(li)心(xin)(xin)力,較(jiao)輕(qing)的(de)(de)(de)(de)UF6中(zhong)235U分(fen)子(zi)大(da)多(duo)集中(zhong)在(zai)容器(qi)轉軸處,較(jiao)重(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)UF6-238U分(fen)子(zi)則大(da)多(duo)結集在(zai)邊緣(yuan)。若(ruo)沿軸向(xiang)從外(wai)部(bu)導入(ru)(ru)氣(qi)(qi)(qi)流,并使轉軸處的(de)(de)(de)(de)這(zhe)股氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)向(xiang)上(shang)流動(dong)(dong),邊緣(yuan)處外(wai)部(bu)導入(ru)(ru)的(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)向(xiang)下(xia)流動(dong)(dong)。如此,離(li)心(xin)(xin)機下(xia)方收(shou)集的(de)(de)(de)(de)是(shi)較(jiao)重(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)UF6-238U氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti),上(shang)方則是(shi)需要的(de)(de)(de)(de)、較(jiao)輕(qing)的(de)(de)(de)(de)UF6-235U氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)。在(zai)近軸處富集的(de)(de)(de)(de)UF6-235U氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)被(bei)導出,再輸(shu)送到下(xia)一臺離(li)心(xin)(xin)機繼續分(fen)離(li)——逐漸累積、純化(hua)、濃(nong)縮。隨著較(jiao)輕(qing)的(de)(de)(de)(de)UF6-235U氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)穿過一系(xi)列(lie)高(gao)速離(li)心(xin)(xin)機,其(qi)235U同位素(su)分(fen)子(zi)富集度會越來越大(da)。最后,利用(yong)化(hua)學(xue)法處理已收(shou)集的(de)(de)(de)(de)、較(jiao)輕(qing)的(de)(de)(de)(de)UF6-235U氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti),就可獲得工業或軍用(yong)級濃(nong)縮鈾。
通常,氣體離(li)心機廠需(xu)要幾千臺高速真空(kong)離(li)心機連(lian)續、長期地(di)工(gong)作才能得到武器級(ji)濃縮(suo)鈾(you)等(deng)(2010年(nian)下(xia)半(ban)年(nian),因(yin)外界攻(gong)擊,伊朗納坦(tan)茲鈾(you)濃縮(suo)工(gong)廠至少有1/5的(de)離(li)心機因(yin)感染“震網”病毒被(bei)迫關閉;2011年(nian)2月末,國際原子(zi)能機構的(de)報告說,該(gai)廠現(xian)有低純度濃縮(suo)鈾(you)約3600公斤(jin))。
(1)激光分離法
氣體離(li)心(xin)法(fa)濃(nong)縮(suo)成本較高(gao)、效率也(ye)不(bu)(bu)理想,先進的(de)(de)濃(nong)縮(suo)法(fa)是(shi)激光(guang)(guang)分離(li)法(fa)。利用(yong)(yong)(yong)激光(guang)(guang)濃(nong)縮(suo)鈾,能(neng)降低(di)生產成本。其原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)理基(ji)(ji)于激光(guang)(guang)有較好的(de)(de)單色性和(he)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核(he)的(de)(de)同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)光(guang)(guang)譜位(wei)(wei)(wei)移(yi)等。各同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核(he)的(de)(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)數不(bu)(bu)同(tong),它們的(de)(de)能(neng)級會(hui)發生同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)位(wei)(wei)(wei)移(yi),發出(chu)的(de)(de)輻波(bo)長會(hui)有小差異。激光(guang)(guang)的(de)(de)單色性好,這樣能(neng)做到用(yong)(yong)(yong)和(he)某同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核(he)的(de)(de)輻射(she)波(bo)長相同(tong)的(de)(de)激光(guang)(guang)去激發其中(zhong)(zhong)的(de)(de)某種原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi),而不(bu)(bu)會(hui)把(ba)其他同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)一起激發,即(ji)用(yong)(yong)(yong)激光(guang)(guang)可單獨地把(ba)同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)團(tuan)中(zhong)(zhong)的(de)(de)某同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)先電(dian)離(li);再(zai)用(yong)(yong)(yong)電(dian)場將電(dian)離(li)的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)從同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)混合(he)物(wu)中(zhong)(zhong)單獨分離(li)出(chu)來,將這些原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)激發到高(gao)能(neng)級;最后(hou)利用(yong)(yong)(yong)高(gao)能(neng)級的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)和(he)基(ji)(ji)態的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)參(can)加(jia)化學反應的(de)(de)活(huo)力不(bu)(bu)同(tong),通過化學反應法(fa)便可把(ba)它分離(li),聚集(ji)后(hou)就(jiu)獲得(de)了所需(xu)的(de)(de)同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)。
激光(guang)(guang)分離法(fa)(fa)濃(nong)縮235U,比(bi)其他(ta)方法(fa)(fa)優(you)越,設備可大大簡化(hua),成本可大幅降低。據估計,該法(fa)(fa)生產(chan)(chan)投資約是(shi)氣體(ti)擴(kuo)(kuo)散法(fa)(fa)的1/2,生產(chan)(chan)過程耗(hao)能只有氣體(ti)擴(kuo)(kuo)散法(fa)(fa)的1/10左(zuo)右。所以,多個(ge)國家已重視開發(fa)這種鈾燃料生產(chan)(chan)技術。1977年美(mei)國開始(shi)研究用(yong)激光(guang)(guang)提純(chun)濃(nong)縮鈾,并證實此(ci)法(fa)(fa)的可行(xing)性等;1982年美(mei)國能源部確定,今后美(mei)國使(shi)用(yong)激光(guang)(guang)分離法(fa)(fa)生產(chan)(chan)鈾燃料。此(ci)法(fa)(fa)利用(yong)238U、235U形成的化(hua)合(he)物化(hua)學(xue)鍵的鍵能不同,利用(yong)激光(guang)(guang)單一頻率的性質(zhi)可有選擇的使(shi)一種鈾化(hua)合(he)物的化(hua)學(xue)鍵斷裂(lie)達到分離效果。
激光(guang)分(fen)(fen)離技(ji)術現有激光(guang)原子(zi)法和激分(fen)(fen)子(zi)法:
原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)法濃縮用(yong)(yong)的(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料是提煉鈾(you)(you)(you)礦后的(de)鈾(you)(you)(you)塊,再把鈾(you)(you)(you)塊加熱(re)到(dao)高溫(wen),形成(cheng)鈾(you)(you)(you)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)蒸氣(qi),鈾(you)(you)(you)蒸氣(qi)里含有(you)234U、235U、238U原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)。然(ran)后用(yong)(yong)可見光(guang)波(bo)段的(de)激光(guang)(如用(yong)(yong)銅蒸氣(qi)激光(guang)泵(beng)浦的(de)染料激光(guang)器(qi))照射鈾(you)(you)(you)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)蒸氣(qi),調諧激光(guang)器(qi)的(de)輸出波(bo)長,讓它落(luo)在235U的(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)吸收譜(pu)線(xian)中心(xin),使235U原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)電(dian)離,但不激發或電(dian)離238U原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)等。然(ran)后,利用(yong)(yong)電(dian)場對通過(guo)收集(ji)板的(de)235U原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)掃描、分離,如此235U原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)就(jiu)從鈾(you)(you)(you)同位素混合氣(qi)體里中分出來(lai)了。這種技術較成(cheng)熟,已(yi)處于(yu)生產應用(yong)(yong)階段。
分(fen)(fen)子(zi)法濃縮(suo)法則(ze)(ze)依靠(kao)鈾(you)同位素吸(xi)收光譜上存在(zai)差異,它(ta)用的(de)原料(liao)是鈾(you)的(de)分(fen)(fen)子(zi)化合物(wu)(如UF6),先用中紅外波段的(de)激光(如波長16微(wei)米的(de)激光)照射(she)UF6混(hun)合氣(qi)體分(fen)(fen)子(zi),激光波長正好是讓235U化合物(wu)分(fen)(fen)子(zi)電離,235U分(fen)(fen)子(zi)吸(xi)收了(le)這些(xie)光子(zi),能態(tai)會提高(gao);再(zai)用紫外線激光器分(fen)(fen)解UF6混(hun)合氣(qi)體分(fen)(fen)子(zi),便可從中分(fen)(fen)離出235U,最后讓含235U化合物(wu)通過分(fen)(fen)解反應,就可得到(dao)235U。理(li)論上它(ta)能生產出很純的(de)235U等,但此法還未達到(dao)生產階(jie)段;從發(fa)展潛力看,分(fen)(fen)子(zi)法則(ze)(ze)比原子(zi)法優越(yue)。分(fen)(fen)子(zi)法濃縮(suo)用的(de)原料(liao)是鈾(you)的(de)分(fen)(fen)子(zi)化合物(wu),原料(liao)來源較(jiao)豐富,且分(fen)(fen)離過程不需加(jia)(jia)熱;原子(zi)法濃縮(suo)則(ze)(ze)需加(jia)(jia)熱到(dao)2000多℃,高(gao)溫鈾(you)蒸氣(qi)有很強的(de)腐蝕性。相對而言,分(fen)(fen)子(zi)激光法生產設備較(jiao)簡單,成本較(jiao)低。
分(fen)子(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)法(fa)(fa)(fa)只能(neng)(neng)用于濃(nong)縮(suo)UF6,不適于純化、濃(nong)縮(suo)金屬(shu)钚(制造原(yuan)子(zi)彈等更好(hao)的核材(cai)料)的化合(he)物;原(yuan)子(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)法(fa)(fa)(fa)既能(neng)(neng)濃(nong)縮(suo)金屬(shu)鈾,也能(neng)(neng)濃(nong)縮(suo)金屬(shu)钚。可見,分(fen)子(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)法(fa)(fa)(fa)比原(yuan)子(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)法(fa)(fa)(fa)在防核擴散方面(mian)會有利(li)一些。
(2)氣體動力學法
該技(ji)術將UF6氣(qi)體(ti)(ti)(ti)與氫或氦的(de)(de)(de)混(hun)合氣(qi)體(ti)(ti)(ti)經過壓縮高速通過一個(ge)噴嘴,然后穿過一個(ge)特定的(de)(de)(de)曲面(mian),這(zhe)樣便(bian)可獲得從鈾的(de)(de)(de)混(hun)合氣(qi)體(ti)(ti)(ti)中(zhong)分(fen)離(li)(li)235U同位素的(de)(de)(de)離(li)(li)心(xin)力。氣(qi)體(ti)(ti)(ti)動(dong)力學分(fen)離(li)(li)法為(wei)實現濃(nong)縮純度所需(xu)的(de)(de)(de)級聯比氣(qi)體(ti)(ti)(ti)擴散法少(shao),但它需(xu)大量的(de)(de)(de)電能。UF6與氫的(de)(de)(de)混(hun)合氣(qi)體(ti)(ti)(ti)在離(li)(li)心(xin)機中(zhong)的(de)(de)(de)渦(wo)流(liu)(liu)板上高速離(li)(li)心(xin)旋(xuan)轉后,UF6氣(qi)體(ti)(ti)(ti)濃(nong)縮流(liu)(liu)和UF6氣(qi)體(ti)(ti)(ti)貧化流(liu)(liu)分(fen)別由兩(liang)條管道流(liu)(liu)出;處理收集的(de)(de)(de)已經多次(ci)分(fen)離(li)(li)的(de)(de)(de)UF6氣(qi)體(ti)(ti)(ti)濃(nong)縮流(liu)(liu),最后可得到(dao)濃(nong)縮鈾。
(3)電磁分離法
鈾(you)同(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)電磁(ci)分離濃縮技術,基于電離的原子(zi)(zi)在磁(ci)場作圓周運動時,質量不(bu)同(tong)(tong)的離子(zi)(zi)因旋轉半徑(jing)不(bu)同(tong)(tong)而被(bei)(bei)分離。它是使鈾(you)同(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)原子(zi)(zi)離子(zi)(zi)同(tong)(tong)時穿過電磁(ci)體(ti)的磁(ci)場,由(you)于235U圓周運動半徑(jing)與235U不(bu)同(tong)(tong)而被(bei)(bei)分離。這(zhe)是20世紀(ji)40年(nian)代(dai)初使用(yong)的技術,伊拉克20世紀(ji)80年(nian)代(dai)的實驗(yan)研究表明,該技術與當代(dai)電子(zi)(zi)學結合能生產武器(qi)級鈾(you)材(cai)料(liao)。
(4)離子交換法
鈾(you)的(de)幾種(zhong)同位(wei)素(su)在質(zhi)量上(shang)的(de)微小差異,能引起化(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)反應平衡的(de)小的(de)變化(hua)(hua)(hua),這可用(yong)來作同位(wei)素(su)分離(li)(li)(li)的(de)基礎。該方法有兩種(zhong)工藝過程(cheng):液(ye)—液(ye)化(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)交(jiao)換過程(cheng)和(he)固—液(ye)離(li)(li)(li)子交(jiao)換過程(cheng),后者須(xu)用(yong)直徑大(da)(da)于1米(mi)離(li)(li)(li)子交(jiao)換柱,這是一耐腐蝕、耐高壓的(de)圓筒狀(zhuang)柱。1964年(nian)10月(yue)(yue),我國(guo)爆炸的(de)第一顆原(yuan)(yuan)(yuan)子彈就是用(yong)此法濃縮(suo)的(de)235U制造而成的(de)。當時,以放(fang)射化(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)家楊承(cheng)宗(1951年(nian)6月(yue)(yue),他(ta)獲得巴黎大(da)(da)學(xue)(xue)理學(xue)(xue)院博士(shi)學(xue)(xue)位(wei),其(qi)答辯通過的(de)博士(shi)論文就是《離(li)(li)(li)子交(jiao)換法分離(li)(li)(li)放(fang)射性(xing)元素(su)的(de)研(yan)究》)為(wei)首(shou)的(de)我國(guo)科研(yan)人員,在通州“五所”(鈾(you)濃縮(suo)研(yan)究所)利(li)用(yong)離(li)(li)(li)子交(jiao)換法純化(hua)(hua)(hua)處(chu)理了上(shang)百噸(dun)各(ge)種(zhong)土法冶(ye)煉生(sheng)產的(de)重鈾(you)酸銨。經(jing)過兩年(nian)多的(de)奮戰(zhan),他(ta)們生(sheng)產出了2.5噸(dun)符合(he)原(yuan)(yuan)(yuan)子彈原(yuan)(yuan)(yuan)料要求的(de)純鈾(you)化(hua)(hua)(hua)合(he)物,提前(qian)3個月(yue)(yue)為(wei)我國(guo)成功試(shi)爆原(yuan)(yuan)(yuan)子彈提供了核心物質(zhi)。
1942年前鈾主要用作玻璃和(he)陶瓷的(de)(de)著(zhu)色劑(ji),用量很少。隨著(zhu)235U鏈式核(he)裂變反應(ying)的(de)(de)被發現,核(he)裂變釋(shi)放的(de)(de)巨大能量 (1kg235U釋(shi)放的(de)(de)裂變能相當于1800tTNT炸(zha)藥)引起人們(men)的(de)(de)注意,首先(xian)用于制(zhi)造(zao)原子彈(dan)、氫彈(dan)。
從50年代后期開始,鈾被越來越多地用作核(he)(he)發電的核(he)(he)燃(ran)料。1kg235U核(he)(he)完全裂變所(suo)釋放的能量相當于燃(ran)燒(shao)2700t優質煤所(suo)放出的能量。
此外,鈾核反應堆(dui)也可用作(zuo)輻照源(yuan),用于(yu)農業輻照育種(zhong)、食(shi)品工業食(shi)品保鮮和滅菌,也可用于(yu)生產人造元素。在(zai)醫藥方(fang)面用于(yu)放射治療、放射免疫(yi)藥盒、造影診斷等(deng),在(zai)工業和地質(zhi)等(deng)方(fang)面用于(yu)工業探傷、自(zi)動控制、地質(zhi)勘(kan)探和文(wen)物(wu)考古等(deng)。
科學(xue)研究及工業實踐(jian)證(zheng)明,鈾是惟一的(de)(de)一次天然(ran)核(he)(he)(he)燃(ran)料,核(he)(he)(he)能工業必須(xu)依靠鈾。由于(yu)核(he)(he)(he)能工業具(ju)有和(he)平和(he)軍事應用(yong)兩種目的(de)(de),因此鈾便成為一種特殊商品金屬,其生產(chan)受到(dao)政治、社會和(he)經濟多種因素的(de)(de)影響。20世紀(ji)40~50年(nian)代,鈾主(zhu)要用(yong)于(yu)核(he)(he)(he)武器,50年(nian)代以后主(zhu)要用(yong)于(yu)核(he)(he)(he)發(fa)電(dian)(dian)。世界鈾的(de)(de)產(chan)量(liang)(liang)長期(qi)供過于(yu)需,有大量(liang)(liang)庫存。國際市(shi)場每公(gong)斤(jin)U3O8的(de)(de)價格(ge)從1978年(nian)初的(de)(de)97美元(yuan)降至1990年(nian)的(de)(de)19.84美元(yuan)。西方國家鈾年(nian)產(chan)量(liang)(liang)亦由1980年(nian)的(de)(de)43960t降至1985年(nian)的(de)(de)35278t。但(dan)在這段時期(qi)內,核(he)(he)(he)電(dian)(dian)站發(fa)展迅速,1980年(nian)裝機(ji)總(zong)容(rong)量(liang)(liang)為1.35億kW,1989年(nian)增(zeng)至3.18億kW。1985年(nian)鈾的(de)(de)年(nian)產(chan)量(liang)(liang)低于(yu)核(he)(he)(he)發(fa)電(dian)(dian)的(de)(de)需要量(liang)(liang)。
把常規(gui)炸(zha)藥有規(gui)律地(di)安放(fang)在(zai)(zai)鈾的(de)(de)周圍,然后使(shi)用(yong)電子(zi)雷管使(shi)這(zhe)些炸(zha)藥精確的(de)(de)同時(shi)爆炸(zha),產生(sheng)(sheng)的(de)(de)巨大壓(ya)力將鈾壓(ya)到(dao)一(yi)起,并(bing)被壓(ya)縮(suo),達(da)到(dao)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)條件,發(fa)生(sheng)(sheng)爆炸(zha)。或(huo)者將兩塊總質(zhi)量(liang)(liang)超過臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)質(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)鈾塊合(he)(he)(he)到(dao)一(yi)起,也會發(fa)生(sheng)(sheng)猛烈(lie)的(de)(de)爆炸(zha)。臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)質(zhi)量(liang)(liang)是(shi)指維持(chi)核子(zi)連鎖反(fan)應所需的(de)(de)裂變(bian)(bian)材(cai)料(liao)質(zhi)量(liang)(liang)。不同的(de)(de)可(ke)裂變(bian)(bian)材(cai)料(liao),受核子(zi)的(de)(de)性(xing)質(zhi)(如(ru)裂變(bian)(bian)橫切面)、物(wu)(wu)理性(xing)質(zhi)、物(wu)(wu)料(liao)形狀、純度、是(shi)否(fou)被中子(zi)反(fan)射(she)物(wu)(wu)料(liao)包(bao)圍、是(shi)否(fou)有中子(zi)吸收物(wu)(wu)料(liao)等(deng)(deng)等(deng)(deng)因素影響,而會有不同的(de)(de)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)質(zhi)量(liang)(liang)。剛好可(ke)能(neng)以(yi)(yi)產生(sheng)(sheng)連鎖反(fan)應的(de)(de)組(zu)(zu)(zu)合(he)(he)(he),稱(cheng)(cheng)為(wei)已達(da)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)點(dian)。比(bi)這(zhe)樣更多質(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)組(zu)(zu)(zu)合(he)(he)(he),核反(fan)應的(de)(de)速率會以(yi)(yi)指數(shu)增長(chang),稱(cheng)(cheng)為(wei)超臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)。如(ru)果(guo)組(zu)(zu)(zu)合(he)(he)(he)能(neng)夠在(zai)(zai)沒有延遲放(fang)出(chu)中子(zi)之下進行連鎖反(fan)應,這(zhe)種臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)被稱(cheng)(cheng)為(wei)即(ji)發(fa)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie),是(shi)超臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)的(de)(de)一(yi)種。即(ji)發(fa)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)組(zu)(zu)(zu)合(he)(he)(he)會產生(sheng)(sheng)核爆炸(zha)。如(ru)果(guo)組(zu)(zu)(zu)合(he)(he)(he)比(bi)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)點(dian)小,裂變(bian)(bian)會隨時(shi)間減少,稱(cheng)(cheng)之為(wei)次(ci)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)。核子(zi)武器在(zai)(zai)引爆以(yi)(yi)前必須(xu)維持(chi)在(zai)(zai)次(ci)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)。以(yi)(yi)鈾核彈為(wei)例,可(ke)以(yi)(yi)把鈾分(fen)成數(shu)大塊,每塊質(zhi)量(liang)(liang)維持(chi)在(zai)(zai)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)(jie)以(yi)(yi)下。引爆時(shi)把鈾塊迅速結合(he)(he)(he)。投擲在(zai)(zai)廣島的(de)(de)“小男孩”原子(zi)彈是(shi)把一(yi)小塊的(de)(de)鈾透過槍(qiang)(qiang)管射(she)向另(ling)一(yi)大塊鈾上,造成足夠的(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)。這(zhe)種設計稱(cheng)(cheng)為(wei)“槍(qiang)(qiang)式”。
2023年11月21日,由于對(dui)核(he)能的(de)需求復蘇和供(gong)應(ying)中斷,鈾的(de)價格(ge)15年來首(shou)次突(tu)破80美(mei)元(yuan)(yuan)/磅。紐商(shang)所追蹤實物市場鈾原(yuan)料黃餅(yellowcake)合約的(de)期貨當(dang)天觸及80.25美(mei)元(yuan)(yuan)/磅。