鈾(Uranium)是(shi)原子(zi)序數(shu)為92的元素(su)(su),其元素(su)(su)符號(hao)是(shi)U,是(shi)自(zi)然(ran)界中(zhong)能夠(gou)找到的最重原生元素(su)(su)。在自(zi)然(ran)界中(zhong)存在三(san)種(zhong)同位(wei)素(su)(su),均帶有放射性(xing),擁有非常長的半衰(shuai)期(數(shu)十萬年(nian)~45億年(nian))。此外還(huan)有12種(zhong)人工同位(wei)素(su)(su)(226U~240U)。鈾在1789年(nian)由馬丁·海(hai)因里希(xi)·克拉普羅特(te)(Martin Heinrich Klaproth)發現(xian)。鈾化合物早期用(yong)于瓷器的著色(se),在核裂變現(xian)象被(bei)發現(xian)后用(yong)作為核燃料。
2023年4月,日(ri)本與(yu)韓(han)國科學家發現了一種以前未知的鈾(you)同位(wei)素——鈾(you)-241。11月21日(ri),鈾(you)的價格15年來首(shou)次突破80美元(yuan)/磅。
自然產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)最重的(de)(de)金屬。呈銀白(bai)色,具有(you)硬度強、密度高、可延展、有(you)放射性等特征。一(yi)般在鈾(you)(you)與氧(yang)、氧(yang)化物或硅(gui)酸鹽的(de)(de)結(jie)合(he)中(zhong)發現鈾(you)(you)。鈾(you)(you)原子能(neng)發生(sheng)裂變反應(ying)(ying),釋放大量能(neng)量從而可以應(ying)(ying)用于發電,核武器制造等領域。第二次世界大戰中(zhong)盟軍的(de)(de)核武器計劃(hua)引發對鈾(you)(you)的(de)(de)需求,鈾(you)(you)的(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)應(ying)(ying)運而生(sheng)。到20世紀70年代,鈾(you)(you)的(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)工業已穩(wen)固(gu)地建立起來。
鈾(you)是(shi)Ⅲb族錒(a)系放射性化學(xue)元素,符(fu)號(hao)U,原(yuan)子(zi)序數92,相對原(yuan)子(zi)質(zhi)量238.03,是(shi)原(yuan)子(zi)序數和相對原(yuan)子(zi)質(zhi)量最(zui)大的天(tian)然元素。鈾(you)在常溫下是(shi)銀(yin)白色的致密(mi)金屬,鈾(you)的新切面呈發(fa)亮的鋼灰色,但在室溫空氣中逐漸(jian)生成黑色氧(yang)化膜(mo)。
鈾原子的外電子層構型為(wei)[Rn]5f36d17s2,5f36d17s2殼層為(wei)價電子。鈾有(you)+3、+4、+5、+6四(si)種價態,以+4和+6價態為(wei)主。
鈾(you)是(shi)(shi)正電性很強(qiang)的活潑元(yuan)素,與幾乎所(suo)有非(fei)金屬(shu)元(yuan)素(惰性氣體除(chu)外)反應生(sheng)成化(hua)合物(wu),常以U3+、U4+、UO2+和(he)UO22+離子形式存在。鈾(you)與氫在523K時(shi)發生(sheng)可逆反應,生(sheng)成UH3。鈾(you)-氧系比較復雜,在UO2~UO3間存在多種相(xiang)(xiang),重要的氧化(hua)物(wu)有UO2、U3O8和(he)UO3。其中(zhong)UO2是(shi)(shi)當前應用最(zui)廣泛的核(he)燃(ran)料(liao)。鈾(you)與鹵(lu)素生(sheng)成核(he)燃(ran)料(liao)制備(bei)工藝(yi)中(zhong)重要的化(hua)合物(wu)。如(ru)UF4是(shi)(shi)生(sheng)產金屬(shu)鈾(you)和(he)UF6的中(zhong)間產物(wu)。UF6的三相(xiang)(xiang)點為337K,是(shi)(shi)氣態鈾(you)同(tong)位素分離的原料(liao)。碳化(hua)鈾(you)、氮化(hua)鈾(you)和(he)硅化(hua)鈾(you)都是(shi)(shi)性能(neng)優越的被認(ren)為有希望(wang)的核(he)燃(ran)料(liao)。
金屬鈾(you)在空氣中(zhong)會變暗,可(ke)為(wei)(wei)蒸(zheng)汽(qi)和酸腐蝕(shi),但耐堿(jian)腐蝕(shi)。其原子半徑為(wei)(wei)138.5pm;U3+、U4+、U5+、U6+的離子半徑分(fen)別為(wei)(wei)103、97、89及80pm。鈾(you)的電負性據鮑林(Pauling)測(ce)定為(wei)(wei)1.38;阿爾勒德(Allred)和羅切夫(Rochow)測(ce)定為(wei)(wei)1.22。
鈾(you)(you)(you)能與(yu)大(da)多數非金屬元(yuan)素及(ji)其化合物發生反(fan)應(ying),反(fan)應(ying)的溫(wen)度(du)(du)和反(fan)應(ying)速度(du)(du)隨(sui)鈾(you)(you)(you)的粒度(du)(du)而異。鈾(you)(you)(you)在(zai)室溫(wen)的空氣或氧氣中能自(zi)燃(ran),細(xi)粒鈾(you)(you)(you)在(zai)水中亦能自(zi)燃(ran)。在(zai)一定條件下(xia)(xia),鈾(you)(you)(you)氧化放(fang)出的能量(liang)可引起爆炸。鈾(you)(you)(you)粉塵(chen)的爆炸濃(nong)度(du)(du)下(xia)(xia)限為55mg/dm3。鈾(you)(you)(you)能與(yu)許(xu)多金屬反(fan)應(ying)生成(cheng)金屬間化合物。鈾(you)(you)(you)可與(yu)鈮、鉿、鋯、鉬及(ji)鈦生成(cheng)固(gu)溶體。
鈾(you)及其化(hua)(hua)合(he)物(wu)均(jun)有較大的(de)化(hua)(hua)學毒(du)性(xing)(xing)(xing),空氣中(zhong)可溶(rong)(rong)性(xing)(xing)(xing)鈾(you)化(hua)(hua)合(he)物(wu)的(de)允許(xu)濃度(du)為(wei)0.05mg/m3,不(bu)(bu)溶(rong)(rong)性(xing)(xing)(xing)鈾(you)化(hua)(hua)合(he)物(wu)的(de)允許(xu)濃度(du)為(wei)0.25mg/m3,人體(ti)對(dui)天然鈾(you)的(de)放射性(xing)(xing)(xing)允許(xu)劑量,可溶(rong)(rong)性(xing)(xing)(xing)鈾(you)化(hua)(hua)合(he)物(wu)是7400Bq,不(bu)(bu)溶(rong)(rong)性(xing)(xing)(xing)鈾(you)化(hua)(hua)合(he)物(wu)是333Bq。
鈾(you)(you)是放射(she)性金屬(shu)元(yuan)素(su)(su),可作為核(he)反應的(de)燃料。鈾(you)(you)是銀白色(se)金屬(shu),幾乎與鋼一樣硬,密度高(相對密度約(yue)18.95),熔(rong)點(dian)1135℃,沸點(dian)4134℃。在(zai)核(he)能量發展之前,它被用作制造黃(huang)色(se)玻璃。鈾(you)(you)是自然界存在(zai)的(de)原子序數(shu)最高的(de)元(yuan)素(su)(su)。1841年(nian)E.佩利(1811-1890)離析出金屬(shu)鈾(you)(you),雖然在(zai)此(ci)之前鈾(you)(you)已在(zai)瀝青鈾(you)(you)礦(kuang)中被認知。它也藏于云母(mu)鈾(you)(you)礦(kuang)、釩鉀鈾(you)(you)礦(kuang)和獨居石中;主(zhu)要分布于加拿大(da)、澳大(da)利亞、南非。可通過氣(qi)體(ti)(ti)擴散技術從易(yi)揮發氣(qi)體(ti)(ti)六氟化鈾(you)(you)(UF6)中分離各同(tong)位素(su)(su)鈾(you)(you)。
鈾(you)存(cun)在(zai)(zai)三(san)種同素異形體,其存(cun)在(zai)(zai)溫(wen)度(du)和(he)主要結構(gou)特征(zheng)列于表中。α-U在(zai)(zai)室溫(wen)時(shi)(shi)的(de)(de)密度(du)為19.02t/m3。α-U和(he)β-U呈(cheng)明顯的(de)(de)各(ge)向異性,如(ru)在(zai)(zai)298~523K之(zhi)(zhi)間(jian),α-U單晶沿a、b、c軸熱膨(peng)脹系(xi)數(shu)分別為αa=+33.24×10-6/K、αb=-6.49×10-6/K、αc=+30.36×10-6/K。γ-U有(you)各(ge)向同性結構(gou)。無序排列的(de)(de)多晶鈾(you)在(zai)(zai)293~373K范圍的(de)(de)熱膨(peng)脹系(xi)數(shu)等于16.3×10-6/K。在(zai)(zai)5~350K之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)(de)比(bi)熱為27.66J/(mol·K)。α-U的(de)(de)熱導率隨溫(wen)度(du)提高而增加(jia),室溫(wen)下為25.1W/(m·K),1033K時(shi)(shi)為37.7W/(m·K)。
鈾的(de)力學性質隨試樣爐號(hao)和熱處理的(de)不同而異。對(dui)α軋制α退(tui)火(huo)的(de)試樣,得(de)到室溫最大屈服強(qiang)度(du)(du)為(wei)206.8-275.8 MPa,對(dui)小變形量擠壓(ya)鈾,室溫抗(kang)拉強(qiang)度(du)(du)極限為(wei)586.1~861.8MPa。鈾有三種晶(jing)格結(jie)構(gou):α-U為(wei)斜方結(jie)構(gou),a=284.785pm,b=585.801pm,c=494.553pm;β-U為(wei)正方結(jie)構(gou),a=1076.0pm,c=565.2pm;γ-U為(wei)體心立(li)方結(jie)構(gou),a=352.4pm。它(ta)們的(de)轉換溫度(du)(du)為(wei)941K(α→β)和1047K(β→γ)。
鈾的(de)同素異(yi)形體(ti) α-U β-U γ-U
存在溫度范圍 (K) <941 941-1048 1048(熔點)
晶(jing)體結構(gou) 斜方 四方 體心立方
晶胞(bao)中(zhong)原子數(shu) (個) 4 30 2
晶格常數(shu) (nm) a0 0. 28541 1. 0579 0. 3524
b0 0. 58692 - -
c0 0. 49563 0. 5656 -
鈾的(de)重要物理性質列于下(xia)表。
性 質 數 據
熔(rong)點T/K 1405.5
沸(fei)點T/K 4018
熔化(hua)熱Q/kJ·mol-1 15.5
氣化(hua)熱Q/kJ·mol-1 417.1
密度ρ/kg·m-3 18950(293K),17907(熔點(dian)液體)
熱導率λ/W·m-1·K-1 27.6(300K)
電阻率(lv)ρ/Ω·m 30.8×10-8(273K)
摩爾體積Vm/cm3 12.56
線脹系(xi)數(shu)αl/K-1 12.6×10-6
天(tian)然鈾含(han)有(you)三種同(tong)位素:238U、235U和234U,它們的(de)(de)含(han)量(liang)(liang)分(fen)(fen)別為99.28%(238U)、0.71%(235U)和0.006%(234U),半(ban)衰(shuai)期分(fen)(fen)別為(238U)4.51×109、(235U)7.09×108和(234U)2.35×105年(nian)。其(qi)中以(yi)235U為最重(zhong)要,是目前核(he)動力的(de)(de)燃(ran)料(liao)。一個(ge)235U核(he)吸(xi)收(shou)一個(ge)熱(re)中子發生裂(lie)變(bian)時放出約2.5個(ge)中子,并(bing)釋放出207MeV能(neng)量(liang)(liang)。1kg235U核(he)裂(lie)變(bian)放出的(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)相(xiang)當于燃(ran)燒2700t煤(mei)所產生的(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)。根據(ju)反應堆(dui)堆(dui)型及其(qi)工(gong)作條件,核(he)燃(ran)料(liao)可采用(yong)天(tian)然鈾或提高了(le)U含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)富集鈾。用(yong)氣(qi)體(ti)擴(kuo)散法(fa)、離心(xin)法(fa)或激光(guang)法(fa)等(deng)分(fen)(fen)離鈾同(tong)位素,可使U的(de)(de)富集度達到90%以(yi)上(shang)。U俘獲中子后轉變(bian)成(cheng)易裂(lie)變(bian)的(de)(de)Pu(钚)。Pu和U也是制造核(he)武(wu)器的(de)(de)主要原料(liao)。
在25km地(di)(di)殼內含1014t鈾,其(qi)中海水含1010t,每(mei)噸海水平均含鈾3.3mg。自然界存在幾百(bai)種含鈾的礦物(wu),但大多(duo)是貧礦,所以經濟地(di)(di)大量(liang)(liang)開(kai)采(cai)很困難。目前,經濟上(shang)有開(kai)采(cai)價值的鈾礦含U3O8量(liang)(liang)為0.1%左右。如(ru)果發展(zhan)快中子增殖堆,則鈾資源(yuan)利用(yong)率可(ke)比壓水堆提高60~70倍。
鈾同位素(su)中存量最(zui)多的(de)是238U,再者是可用作核能發電的(de)燃料的(de)235U,豐度(du)最(zui)少的(de)是234U。此外還有12種人(ren)工(gong)同位素(su)。
同位素 豐度 半衰期(qi) 衰變模式(shi) 衰變能量(MeV)衰變產(chan)物
232U 人造 68.9年 自(zi)發分裂 - -
α衰變 5.414 Th-228
233U 人(ren)造 159200年 自發(fa)分裂(lie) 197.93 -
α衰變 4.909 Th-229
234U 0.01% 245500年 自發分(fen)裂 197.78 -
α衰變(bian) 4.859 Th-230
235U 0.72% 7.038×108年 自發分裂 202.48 -
α衰變 4.679 Th-231
236U 人造 2.342×107年 自(zi)發分裂 201.82 -
α衰變 4.572 Th-232
237U 人造 6.75日 β衰(shuai)變 0.519 Np-237
238U 99.28% 4.468×109年 自(zi)發(fa)分裂 205.87 -
α衰變 4.27 Th-234
鈾(you)的熱中子吸(xi)收截面為7.60b±0.07b。鈾(you)的同(tong)位素(su)(包括(kuo)同(tong)核異能素(su))有15種,其質(zhi)量數從227至240。鈾(you)的天然同(tong)位素(su)組成列于下表。
核 素 相對原子質量 自然豐度(du)/% 半衰(shuai)(shuai)期T1/2/a 衰(shuai)(shuai)變(bian)模式及衰(shuai)(shuai)變(bian)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(wei)錒鈾(you)衰變(bian)系的(de)(de)始(shi)祖核(he)(he)素(su),238U為(wei)鈾(you)鐳系的(de)(de)始(shi)祖核(he)(he)素(su),234U是(shi)238U的(de)(de)衰變(bian)系產物。235U是(shi)惟一天(tian)然的(de)(de)可裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)核(he)(he)素(su)。235U核(he)(he)素(su)受熱中(zhong)子(zi)轟擊,吸(xi)收一個中(zhong)子(zi)后(hou)發生(sheng)裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(誘發裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian))。一個235U核(he)(he)在(zai)裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)時(shi)放(fang)出的(de)(de)總能(neng)量(liang)為(wei)195MeV,同時(shi)放(fang)出2~3(平(ping)均2.5)個中(zhong)子(zi)。只要其中(zhong)一個中(zhong)子(zi)引起(qi)另一個235U核(he)(he)發生(sheng)裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian),鏈(lian)式(shi)核(he)(he)裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)就(jiu)會持續進行下去。238U不(bu)是(shi)裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)核(he)(he)素(su),但238U在(zai)反應(ying)堆(dui)(dui)活性區吸(xi)收中(zhong)子(zi)后(hou)生(sheng)成239U,239U再經兩次β衰變(bian)生(sheng)成能(neng)裂(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)的(de)(de)Pu。因此,可以利用快中(zhong)子(zi)增殖堆(dui)(dui)充分發揮(hui)238U的(de)(de)作用,提高天(tian)然鈾(you)的(de)(de)利用率。
鈾(yóu)英文名Uranium,得名于(yu)天(tian)王(wang)星(xing)的(de)名字“Uranus”。1789年(nian)(nian)M.H.克拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)首先(xian)從瀝青鈾礦(kuang)中(zhong)(zhong)發(fa)現了(le)(le)“鈾”,就用(yong)1781年(nian)(nian)新發(fa)現的(de)一個(ge)行星(xing)——天(tian)王(wang)星(xing)命(ming)名它為uranium,元素符(fu)號定為U。但1841年(nian)(nian)E.M.佩利若(Eugene-Melchior Peligot)證明該物(wu)質系二氧化鈾,隨后(hou)用(yong)鉀還原UCl4制備了(le)(le)金屬(shu)鈾。1896年(nian)(nian)A.H.貝可勒(le)爾(er)(Antoine Henri Becquerel)發(fa)現了(le)(le)鈾的(de)放射性現象。那時對鈾的(de)研究屬(shu)純(chun)理論性的(de),鈾化合物(wu)只用(yong)于(yu)玻璃和陶瓷的(de)著色。1898年(nian)(nian)在鈾礦(kuang)中(zhong)(zhong)發(fa)現了(le)(le)鐳(lei),鈾便(bian)成為開采鐳(lei)的(de)副產品。1938年(nian)(nian)O.哈恩(Otto Hahn)和F.施特拉斯曼(man)(Fritz Strassmann)用(yong)中(zhong)(zhong)子(zi)轟擊鈾核(he)發(fa)現核(he)裂變同時釋放出能量,引起(qi)了(le)(le)人們(men)重新對鈾的(de)重視。第二次世界大(da)戰期(qi)間和戰后(hou),由于(yu)核(he)武器和核(he)動力(li)的(de)需(xu)要(yao),加速了(le)(le)鈾資源的(de)勘探和開采。
美國(guo)為此設立了專門研究(jiu)原(yuan)子彈的(de)(de)機構。1945年(nian)美國(guo)在(zai)(zai)日本廣島投擲了第一顆235U原(yuan)子彈,幾天(tian)后又在(zai)(zai)日本長崎投下了一顆239Pu原(yuan)子彈。1954年(nian)蘇聯(lian)建(jian)成(cheng)了第一座核(he)(he)電(dian)站。從(cong)此,鈾的(de)(de)科(ke)研和生產受到世界各國(guo)的(de)(de)高(gao)度(du)重視,核(he)(he)武器制(zhi)造和核(he)(he)發電(dian)工(gong)業(ye)便得到迅速發展。中國(guo)的(de)(de)鈾工(gong)業(ye)自20世紀50年(nian)代興起,已形成(cheng)完整(zheng)的(de)(de)和具有(you)相(xiang)當規模的(de)(de)科(ke)研和工(gong)業(ye)生產體系。
2023年(nian)4月,日本與(yu)韓(han)國科(ke)學(xue)家發現了(le)一種(zhong)以(yi)前未知的(de)鈾(you)同(tong)位素(su)——鈾(you)-241。其原子(zi)序數為(wei)92,質量為(wei)241,半衰期(qi)可能只有40分鐘,這是自(zi)1979年(nian)以(yi)來(lai)科(ke)學(xue)家首次發現富含中子(zi)的(de)鈾(you)同(tong)位素(su)。
鈾(you)有多(duo)種化合物,主要(yao)鈾(you)化合物的化學式、存在形態(tai)和用途列于下表。
名(ming)稱 化(hua)學式 存在形態 用 途
二(er)氧化(hua)鈾 UO2 深褐色(se)(se)或(huo)黑色(se)(se)粉末 制造反應堆元件或(huo)
生產UF4
三氧化(hua)鈾 UO3 無定(ding)形(xing)UO3或α-UO3,褐色(se),β-UO3橙色(se)粉末(mo),γ-UO3 還原成(cheng)UO2
亮黃色,δ-UO3紅色,Σ-UO3磚(zhuan)紅色,η-UO3棕色
八氧(yang)化三(san)鈾 U3O8 橄欖綠色(有時呈(cheng)墨綠或黑色)粉末翠綠色晶(jing)體(綠鹽)儲存、還原成UO2制取(qu)金屬(shu)鈾或UF6
四氟化(hua)鈾 UF4 室溫下近于白(bai)色固體,在309K溫度(du)升華(hua),最易(yi)揮發的鈾化(hua)合物 同位(wei)素分離,濃縮
六氟化鈾 UF6 235U
硝酸鈾(you)酰 UO2(NO3)2 UO2(NO3)2·6H2O亮黃色(se)晶體(ti) 脫硝成UO3
重(zhong)鈾酸銨 (NH4)2U2O7 黃(huang)(huang)色沉淀物(俗稱“黃(huang)(huang)餅(bing)”)質量好的呈片狀(zhuang)結晶 熱(re)分解(jie)成UO2或(huo)
UO3
三碳酸(suan)鈾(you)酰銨(an) (NH4)4UO2(CO3)3 淡黃色(se)晶體(ti) 熱分解成UO2
鈾(you)能與多(duo)種金(jin)屬生成金(jin)屬間化合(he)物。鈾(you)具(ju)有化學性(xing)質活(huo)潑、各向異性(xing)結構和(he)機械(xie)性(xing)能較差等缺陷。鈾(you)合(he)金(jin)的(de)某些性(xing)質優于金(jin)屬鈾(you),這在核燃料元(yuan)件制造中相當重要。添加(jia)適(shi)量的(de)其(qi)他(ta)金(jin)屬,如鈮、鉻、鉬或鋯能改善鈾(you)的(de)熱(re)導率、晶體(ti)結構及金(jin)相結構、熱(re)處理(li)特性(xing)、輻照穩定性(xing)和(he)耐蝕性(xing)等。
貧(pin)鈾(you)(you)(you)彈即利用貧(pin)鈾(you)(you)(you)合(he)金(jin)(jin)制(zhi)造的(de)一(yi)種高(gao)效燃燒穿甲彈,它(ta)借助貧(pin)鈾(you)(you)(you)材料(liao)密度(du)(du)大(鉛(qian)密度(du)(du)的(de)2倍(bei))、強(qiang)度(du)(du)大(鋼強(qiang)度(du)(du)的(de)3倍(bei))和(he)穿透(tou)力強(qiang),且易燃燒的(de)特點制(zhi)作而(er)成,貧(pin)鈾(you)(you)(you)合(he)金(jin)(jin)含238U、235U等(deng)(deng)(deng),貧(pin)鈾(you)(you)(you)彈爆炸(zha)后(hou)殘留(liu)的(de)235U等(deng)(deng)(deng)能損(sun)害腎臟、神經系統,可導致肺癌等(deng)(deng)(deng)。密度(du)(du)、硬(ying)度(du)(du)較大的(de)貧(pin)鈾(you)(you)(you)合(he)金(jin)(jin),還(huan)可制(zhi)作防輻射材料(liao)等(deng)(deng)(deng)。
鈾廣泛存(cun)在(zai)于(yu)地(di)(di)殼(ke)和海(hai)水中(zhong)。海(hai)水中(zhong)鈾的濃度為(wei)3×10-7%,地(di)(di)殼(ke)豐度為(wei)2.3×10-4%,但在(zai)地(di)(di)殼(ke)中(zhong)很(hen)分散。
鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)物按成(cheng)(cheng)因可分為(wei)原生(sheng)(sheng)鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)和(he)(he)(he)次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)兩(liang)大類。除(chu)瀝青鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)外(wai),原生(sheng)(sheng)鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)均(jun)存在于偉晶巖(yan)中,原生(sheng)(sheng)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)物經風化和(he)(he)(he)熱液(ye)作用(yong)易轉變成(cheng)(cheng)各(ge)種次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)物。鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)因、產狀、含鈾(you)(you)量及(ji)伴生(sheng)(sheng)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)物和(he)(he)(he)圍巖(yan)均(jun)會(hui)影響到鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)加工工藝。已發現的(de)(de)(de)鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)物和(he)(he)(he)含鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)物約有(you)500多種。其中常見并具有(you)工業實用(yong)價值(zhi)的(de)(de)(de)僅二三十種。下表(biao)所(suo)列(lie)為(wei)重要的(de)(de)(de)鈾(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)物。
類型 礦物名稱 組 成 鈾含量(liang)(質(zhi)量(liang)分數ω)/%
原(yuan)生鈾礦(kuang) 瀝青鈾礦(kuang) UO2·mUO3·nPbO 40~76
晶質鈾礦 (U,Th)O2·mUO3·nPbO 65~75.4
鈦鈾礦 (U,Ce,Fe,Y,Th)3Ti5O16 <40
次(ci)生(sheng)鈾礦(kuang) 水(瀝青)鈾礦(kuang) UO2·mUO3·nH2O
銅鈾云母 Cu(UO2)2(PO4)2·(8~12)H2O 50
鈣鈾云(yun)母 Ca(UO2)2(PO4)2·(8~12)H2O 50
鉀釩(fan)鈾礦 K2(UO2)2(VO4)2·(1~3)H2O 50
釩鈣鈾礦 Ca(UO2)2(VO4)2·8H2O 50~60
除澳大利亞、加(jia)拿大有一些(xie)較大的(de)富鈾(you)礦(kuang)(kuang)床(含鈾(you)1%~10%)外,大多數鈾(you)礦(kuang)(kuang)的(de)含鈾(you)品位為0.1%~0.2%。鈾(you)水冶(ye)廠大多直接處理鈾(you)原礦(kuang)(kuang),但通過選礦(kuang)(kuang)能提(ti)高(gao)礦(kuang)(kuang)石(shi)(shi)品位,降低成本。一些(xie)國家(jia)正采用放射分選機(ji)對塊狀鈾(you)礦(kuang)(kuang)石(shi)(shi)進行(xing)選礦(kuang)(kuang)。為了綜合利用或改善鈾(you)礦(kuang)(kuang)石(shi)(shi)加(jia)工性(xing)能,有的(de)礦(kuang)(kuang)石(shi)(shi)還(huan)需經配礦(kuang)(kuang)、焙燒等(deng)預處理。
此外,含鈾的磷酸(suan)鹽礦、褐(he)煤(mei)、頁巖、鈾礦水、含鈾銅廢(fei)石堆浸液和海水等都可成為提鈾的原料。例如(ru),1988年美國從濕法磷酸(suan)等副產品(pin)中回收的鈾達1500t,約占其總產量5190t鈾的29%。
鈾(you)(you)通常被(bei)人們認為(wei)是一種(zhong)稀(xi)有金(jin)屬,盡(jin)管(guan)鈾(you)(you)在地殼中的含量很高,比汞、鉍、銀要多(duo)(duo)得(de)多(duo)(duo),但(dan)由于提取鈾(you)(you)的難度較大,所以它注定(ding)了(le)要比汞這些元素發現的晚(wan)得(de)多(duo)(duo)。盡(jin)管(guan)鈾(you)(you)在地殼中分布廣泛(fan),但(dan)是只有瀝青鈾(you)(you)礦和鉀釩鈾(you)(you)礦兩種(zhong)常見的礦床。
地(di)殼(ke)中(zhong)(zhong)鈾(you)(you)(you)的平(ping)均含量約為百萬(wan)分之(zhi)2.5,即平(ping)均每噸(dun)(dun)地(di)殼(ke)物質中(zhong)(zhong)約含2.5克鈾(you)(you)(you),這比鎢、汞、金、銀等元素(su)的含量還高(gao)。鈾(you)(you)(you)在各(ge)種巖石中(zhong)(zhong)的含量很(hen)不(bu)均勻。例如(ru)在花(hua)崗巖中(zhong)(zhong)的含量就要(yao)高(gao)些(xie),平(ping)均每噸(dun)(dun)含3.5克鈾(you)(you)(you)。在地(di)殼(ke)的第一層(距地(di)表(biao)20 km)內含鈾(you)(you)(you)近(jin)1.3×1014噸(dun)(dun)。依此(ci)推算(suan),一立方公里的花(hua)崗巖就會含有約一萬(wan)噸(dun)(dun)鈾(you)(you)(you)。海水(shui)(shui)(shui)中(zhong)(zhong)鈾(you)(you)(you)的濃度相(xiang)當低,每噸(dun)(dun)海水(shui)(shui)(shui)平(ping)均只含3.3毫克鈾(you)(you)(you),但(dan)由于海水(shui)(shui)(shui)總量極大(海水(shui)(shui)(shui)中(zhong)(zhong)總含鈾(you)(you)(you)量可達4.5×109噸(dun)(dun)),且從水(shui)(shui)(shui)中(zhong)(zhong)提取有其(qi)方便之(zhi)處,所以不(bu)少國家(jia),特(te)別是那些(xie)缺少鈾(you)(you)(you)礦資源(yuan)的國家(jia),正在探索海水(shui)(shui)(shui)提鈾(you)(you)(you)的方法。
由于鈾(you)(you)(you)(you)(you)的(de)(de)化(hua)學性(xing)質很活潑,所以自然界不存(cun)在游(you)離態(tai)的(de)(de)金(jin)屬鈾(you)(you)(you)(you)(you),它總是以化(hua)合狀態(tai)存(cun)在著。已知的(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)有一百七十多(duo)種,但具有工業(ye)開采價值的(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)只有二(er)(er)、三十種,其中最重要(yao)的(de)(de)有瀝青鈾(you)(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)(主要(yao)成分為(wei)八(ba)氧(yang)化(hua)三鈾(you)(you)(you)(you)(you))、品質鈾(you)(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)(主要(yao)成分為(wei)二(er)(er)氧(yang)化(hua)鈾(you)(you)(you)(you)(you))、鈾(you)(you)(you)(you)(you)石和鈾(you)(you)(you)(you)(you)黑等(deng)。很多(duo)的(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)都(dou)呈(cheng)黃(huang)色(se)、綠色(se)或黃(huang)綠色(se)。有些鈾(you)(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)在紫(zi)外線下(xia)能發(fa)出(chu)強烈的(de)(de)熒光(guang)。正是鈾(you)(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)(鈾(you)(you)(you)(you)(you)化(hua)合物(wu)(wu))這種發(fa)熒光(guang)的(de)(de)特性(xing),才導致了(le)放射性(xing)現象的(de)(de)發(fa)現。
雖然鈾元素的分(fen)布相當廣,但鈾礦床的分(fen)布卻很有限。鈾資(zi)源主要分(fen)布在美國(guo)、加拿大、南非、西南非、澳(ao)大利亞等國(guo)家和(he)地(di)區。據估(gu)計,已探(tan)明(ming)的工(gong)業儲量(liang)到1972年已超過一百萬噸。
鈾(you)(you)及(ji)其一系列(lie)衰變子體的放(fang)射(she)性是存(cun)(cun)在(zai)(zai)鈾(you)(you)的最好(hao)標志。人的肉眼雖(sui)然看不見放(fang)射(she)性,但是借助于(yu)專門(men)的儀器卻可以方便地(di)把它探(tan)測出來(lai)。因此,鈾(you)(you)礦資源(yuan)的普查和(he)勘(kan)探(tan)幾乎都利用了鈾(you)(you)具(ju)有(you)(you)放(fang)射(she)性這一特(te)點(dian):若發現某個地(di)區(qu)巖石、土壤、水、甚至植(zhi)物內放(fang)射(she)性特(te)別強,就說明那(nei)個地(di)區(qu)可能(neng)有(you)(you)鈾(you)(you)礦存(cun)(cun)在(zai)(zai)。
鈾(you)(you)(you)的提(ti)取冶金具有三(san)個特點。第(di)(di)一,鈾(you)(you)(you)礦石(shi)的品位很低,一般含鈾(you)(you)(you)(238U+235U)0.1%~0.2%,而其(qi)中235U僅為(wei)0.0007%~0.0014%,為(wei)獲(huo)得核(he)純鈾(you)(you)(you),必須經(jing)過(guo)一系列(lie)富集(ji)、提(ti)純過(guo)程(cheng)。第(di)(di)二,核(he)純金屬鈾(you)(you)(you)需再經(jing)同位素(su)分離,制成不同豐度(du)的濃縮235U。第(di)(di)三(san),工藝過(guo)程(cheng)繁雜,并存在輻射危害問題。因此,鈾(you)(you)(you)生產技術難度(du)大,安(an)全防護要求嚴格。
除了就地浸出以及從其他含鈾(you)(you)(you)物料提(ti)鈾(you)(you)(you)外,鈾(you)(you)(you)的(de)提(ti)取(qu)(qu)(qu)冶金(jin)都是從鈾(you)(you)(you)礦(kuang)石(原礦(kuang)或(huo)精礦(kuang))開始的(de),通常(chang)包括鈾(you)(you)(you)提(ti)取(qu)(qu)(qu)、四氟(fu)化鈾(you)(you)(you)制取(qu)(qu)(qu)、金(jin)屬(shu)鈾(you)(you)(you)制取(qu)(qu)(qu)、六氟(fu)化鈾(you)(you)(you)制取(qu)(qu)(qu)、鈾(you)(you)(you)同(tong)位素分離、制取(qu)(qu)(qu)含濃縮U的(de)金(jin)屬(shu)鈾(you)(you)(you)和鈾(you)(you)(you)燃料元(yuan)件加(jia)工等主要(yao)步驟。
(1)鈾(you)提取(qu)。包括鈾(you)礦石(shi)的浸出、液固分(fen)(fen)離、富集、提純(常用離子交換或(huo)溶劑萃取(qu)法(fa))及沉淀(dian)產物熱分(fen)(fen)解制(zhi)取(qu)核純UO2或(huo)U3O8。
(2)四氟化鈾制取。將UO2(U3O8可用氫還原成UO2)氫氟化成四氟化鈾(綠鹽)。
(3)金屬(shu)(shu)鈾(you)(you)制(zhi)取。用金屬(shu)(shu)鈣或鎂將UF4還原(yuan)成金屬(shu)(shu)鈾(you)(you),金屬(shu)(shu)鈾(you)(you)再經精煉、澆鑄、加(jia)工、鍛(duan)造(或擠壓)成形、包(bao)殼等(deng)處理制(zhi)成天然鈾(you)(you)的反應堆元件,供(gong)生(sheng)產裂變元素239Pu用。
(4)六氟化鈾制取。將UF4氟化成UF6。
(5)鈾同(tong)位素分離。利用235U與238U質量之間的(de)微小差異,通過對UF6的(de)氣體擴散(或離心分離),制取不同(tong)豐(feng)度的(de)濃縮235UF6。
(6)制(zhi)取含(han)濃(nong)縮(suo)235U的金屬鈾。將濃(nong)縮(suo)235UF6經氫還原成(cheng)235UF4,再(zai)轉化成(cheng)濃(nong)縮(suo)235UO2。用(yong)鈣或(huo)鎂還原235UF4制(zhi)成(cheng)含(han)濃(nong)縮(suo)U的金屬鈾。
(7)鈾燃料(liao)元(yuan)件加(jia)工。將濃縮UO2或(huo)金屬鈾進一步加(jia)工制成反應堆燃料(liao)元(yuan)件或(huo)其他最終產(chan)品。
安全防護
鈾(you)及其化合物(wu)既(ji)會放(fang)出危(wei)害(hai)生(sheng)(sheng)物(wu)的(de)射線,又有化學毒(du)性(xing)(xing),在生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)過程(cheng)中必須采取(qu)安(an)全防(fang)(fang)護措施。安(an)全防(fang)(fang)護措施的(de)主要內(nei)容(rong)包括嚴防(fang)(fang)粉塵(chen)及氡氣進入人(ren)體;使生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)場地(di)的(de)輻射劑量低于放(fang)射性(xing)(xing)衛生(sheng)(sheng)防(fang)(fang)護規(gui)(gui)定的(de)限值;排(pai)放(fang)的(de)三廢經處(chu)理(li)后必須達(da)到國家規(gui)(gui)定的(de)排(pai)放(fang)標準。要注意濃(nong)縮鈾(you)產(chan)(chan)物(wu)臨界安(an)全。
利用低(di)品位(wei)鈾礦石及(ji)其他含(han)鈾物料以(yi)擴大鈾資源。重視(shi)鈾的(de)(de)就地浸(jin)出、堆浸(jin)、細菌浸(jin)出等(deng)(deng)浸(jin)出方(fang)法(fa)(fa)的(de)(de)開發和推(tui)廣應用,以(yi)節(jie)省能耗和降低(di)生產成本。開發并推(tui)廣應用快中子增殖堆,提高天然鈾的(de)(de)利用率(lv)。研究開發無(wu)廢物工藝,減輕鈾對環境的(de)(de)污(wu)染。發展節(jie)能的(de)(de)離心法(fa)(fa)、激光法(fa)(fa)等(deng)(deng)同位(wei)素分離方(fang)法(fa)(fa),替(ti)代耗能高的(de)(de)擴散(san)法(fa)(fa)。
自然界里234U不會(hui)(hui)發(fa)生核(he)裂變(bian)(bian),通(tong)常(chang),238U也不會(hui)(hui)發(fa)生裂變(bian)(bian),只有235U易發(fa)生核(he)裂變(bian)(bian),核(he)燃料(liao)主(zhu)要指235U。235U半(ban)衰(shuai)(shuai)期(qi)為(wei)7.038×108年,從235U開(kai)始,經過11次連續衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian),最(zui)后(hou)出現(xian)穩定的(de)(de)207Pb。238U半(ban)衰(shuai)(shuai)期(qi)為(wei)4.468×109年,從238U開(kai)始,經過14次連續衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian),最(zui)后(hou)出現(xian)穩定的(de)(de)206Pb-206。238U連續衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)中,子核(he)半(ban)衰(shuai)(shuai)期(qi)最(zui)長的(de)(de)是234U,它的(de)(de)半(ban)衰(shuai)(shuai)期(qi)是2.45×105年。
235U、233U和(he)239Pu是主要(yao)的核(he)裂(lie)(lie)變(bian)物質,可直接做(zuo)核(he)燃料,它們能大量(liang)獲(huo)得(de)、并易(yi)吸收慢(man)中(zhong)子(zi)(能量(liang)小(xiao)于(yu)1eV)并發生裂(lie)(lie)變(bian),234U、238U則不行。235U存在于(yu)天然鈾中(zhong),233U和(he)239Pu要(yao)靠鈾核(he)反應堆生產(chan)。235U、233U和(he)239Pu,任何能量(liang)的中(zhong)子(zi)均可使它們分裂(lie)(lie)、釋(shi)放(fang)能量(liang);對(dui)235U來說,速度越(yue)慢(man)的中(zhong)子(zi)越(yue)易(yi)引起裂(lie)(lie)變(bian)。238U吸收一個中(zhong)子(zi),也可轉變(bian)為裂(lie)(lie)變(bian)物質。
235U和238U都能自(zi)(zi)發裂(lie)變,但后者(zhe)自(zi)(zi)發裂(lie)變的幾(ji)率很小。
U-235裂變
研究表(biao)明,235U吸(xi)收慢中(zhong)(zhong)子后,有(you)(you)(you)40多(duo)種(zhong)(zhong)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)方式(shi)(shi),至少能(neng)(neng)(neng)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產36種(zhong)(zhong)元素的300多(duo)種(zhong)(zhong)核(he)素和快(kuai)(kuai)中(zhong)(zhong)子(平(ping)均(jun)2.5個),并(bing)釋放巨大(da)能(neng)(neng)(neng)量(liang)。鈾(you)核(he)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)成物(wu)(wu)(wu)除中(zhong)(zhong)子外,通常有(you)(you)(you)兩(liang)種(zhong)(zhong)(兩(liang)分(fen)裂(lie)(lie))裂(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)物(wu)(wu)(wu),還有(you)(you)(you)三種(zhong)(zhong)(三分(fen)裂(lie)(lie))和四(si)種(zhong)(zhong)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)物(wu)(wu)(wu)(1946 年(nian),我(wo)國物(wu)(wu)(wu)理學家(jia)錢三強等(deng)在法國發(fa)現),“三分(fen)裂(lie)(lie)”幾率極(ji)小。除中(zhong)(zhong)子外,鈾(you)核(he)“兩(liang)分(fen)裂(lie)(lie)”的碎(sui)塊(kuai)有(you)(you)(you)許多(duo)組合方式(shi)(shi),碎(sui)塊(kuai)質量(liang)比(bi)大(da)致為(wei)3:2的發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)幾率最(zui)大(da),碎(sui)塊(kuai)質量(liang)相同的機會極(ji)小;鈾(you)“三分(fen)裂(lie)(lie)”,其(qi)中(zhong)(zhong)一塊(kuai)是(shi)α粒(li)子,“三分(fen)裂(lie)(lie)”發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)的幾率是(shi)“二分(fen)裂(lie)(lie)”的3/1000。統計(ji)表(biao)明,235U裂(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)發(fa)射的中(zhong)(zhong)子能(neng)(neng)(neng)量(liang)(動能(neng)(neng)(neng))在0.1-20MeV范圍,平(ping)均(jun)為(wei)2MeV。僅有(you)(you)(you)快(kuai)(kuai)中(zhong)(zhong)子不(bu)(bu)能(neng)(neng)(neng)使天然鈾(you)產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)持續的裂(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)鏈式(shi)(shi)反應(ying),慢中(zhong)(zhong)子也不(bu)(bu)能(neng)(neng)(neng)使238U發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian),持續的裂(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)反應(ying)在238U中(zhong)(zhong)不(bu)(bu)可(ke)能(neng)(neng)(neng)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)。235U和240Pu等(deng),除中(zhong)(zhong)子可(ke)引發(fa)其(qi)核(he)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)外,具(ju)有(you)(you)(you)足夠能(neng)(neng)(neng)量(liang)的帶電粒(li)子或γ射線等(deng)也能(neng)(neng)(neng)引發(fa)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)。此外,鈾(you)對約25eV的中(zhong)(zhong)子還會產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)俘獲(huo)共振(zhen),即俘獲(huo)而不(bu)(bu)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)(bian)。
235U結合能(neng)(neng)小,核(he)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)勢(shi)壘較(jiao)低(di),任何能(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)都(dou)能(neng)(neng)使它裂(lie)(lie)變(bian)(bian),且對慢(man)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)速率為2.2×103m/s,與常(chang)溫(wen)下氣體分子(zi)(zi)運動速率相(xiang)(xiang)當。這樣,它在鈾(you)核(he)附近的(de)(de)時(shi)間相(xiang)(xiang)對較(jiao)長,容易擊中(zhong)(zhong)鈾(you)核(he)使之裂(lie)(lie)變(bian)(bian))有很大的(de)(de)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)截面(mian)(裂(lie)(lie)變(bian)(bian)幾率大)。235U吸收一(yi)個慢(man)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi),通常(chang)先形成激(ji)發態的(de)(de)236U(復核(he)),然后(hou)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)成兩(liang)塊,同時(shi)釋放中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)和(he)能(neng)(neng)量(liang)等(deng)。熱中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(慢(man)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)的(de)(de)一(yi)種)反應(ying)堆里,235U熱中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)截面(mian)比238U的(de)(de)熱中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)截面(mian)要大200倍,這樣,就會有足(zu)夠數量(liang)的(de)(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)引起235U核(he)裂(lie)(lie)變(bian)(bian),這可彌補天(tian)然鈾(you)或濃(nong)縮鈾(you)中(zhong)(zhong)235U含量(liang)較(jiao)少之弱點;這種反應(ying)堆工作時(shi),鈾(you)的(de)(de)利用率為1%-2%。
U-238裂變
238U(240Pu、232Th)裂(lie)變(bian)是(shi)有(you)閥的(de),小于1.1MeV的(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)會(hui)被(bei)其(qi)吸(xi)收(shou)(shou)(shou)或散射(she),不能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)引(yin)發(fa)裂(lie)變(bian);較大能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)的(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)才(cai)(cai)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)使它們裂(lie)變(bian),但可能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)性(xing)又極(ji)小。238U結合能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)較大,裂(lie)變(bian)勢壘較高,能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)超過(guo)1.4MeV的(de)快(kuai)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)才(cai)(cai)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)使它裂(lie)變(bian),釋放(fang)的(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)較大。研究顯示(shi),238U在(zai)幾MeV以上有(you)很多共振吸(xi)收(shou)(shou)(shou)峰,其(qi)裂(lie)變(bian)幾率隨中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)增(zeng)(zeng)大而增(zeng)(zeng)大。238U不易產生(sheng)裂(lie)變(bian),但吸(xi)收(shou)(shou)(shou)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)后能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)變(bian)成239Pu和233U等較好的(de)核裂(lie)變(bian)物質。熱(re)(re)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)被(bei)238U俘獲的(de)幾率是(shi)熱(re)(re)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)使235U裂(lie)變(bian)幾率的(de)1/190左右。快(kuai)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)同238U核的(de)主要作用是(shi)非彈性(xing)碰(peng)撞(zhuang)(zhuang),大部分中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)都是(shi)通過(guo)非彈性(xing)碰(peng)撞(zhuang)(zhuang)降低能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang),再(zai)在(zai)多次(ci)碰(peng)撞(zhuang)(zhuang)中(zhong)(zhong)被(bei)238U核吸(xi)收(shou)(shou)(shou)。
鈾(you)(you)材料里235U的含量(liang)高于0.7%即濃(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)。鈾(you)(you)是重要的核(he)燃料和(he)原子彈(dan)核(he)心材料,現在使(shi)用的鈾(you)(you)材料都需(xu)(xu)提煉、濃(nong)(nong)縮(suo),使(shi)之達到一(yi)定(ding)的純度(du)。比如,制造一(yi)顆原子彈(dan)至少需(xu)(xu)20-50千克(ke)的高濃(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(也可用钚造原子彈(dan)),其濃(nong)(nong)縮(suo)純度(du)應達到 90%以上。
鈾(you)(you)(you)(you)礦石(shi)里(li)(li)235U的(de)(de)(de)含(han)量很低(di),絕(jue)大部(bu)分是238U,鈾(you)(you)(you)(you)礦石(shi)不(bu)能像煤(mei)塊(kuai)那樣直(zhi)接做燃料(liao),它(ta)類似于大部(bu)分是泥沙的(de)(de)(de)煤(mei)餅,沒法燃燒(shao)。鈾(you)(you)(you)(you)元(yuan)素同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素的(de)(de)(de)豐(feng)度(一元(yuan)素的(de)(de)(de)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素混合物(wu)里(li)(li),某(mou)(mou)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素的(de)(de)(de)原子數(shu)和總的(de)(de)(de)原子數(shu)之比)可通過(guo)工藝處理使(shi)之增大,以獲得該元(yuan)素濃(nong)縮的(de)(de)(de)某(mou)(mou)種(zhong)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素,如235U,235U與238U物(wu)理性(xing)質(zhi)稍(shao)有不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong),主(zhu)要是相對質(zhi)量不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong),這導致它(ta)們形成的(de)(de)(de)化合物(wu)微粒質(zhi)量會有點差異。利用鈾(you)(you)(you)(you)天(tian)然(ran)(ran)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素原子量不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)進行(xing)分離,可使(shi)鈾(you)(you)(you)(you)材(cai)料(liao)中235U對238U的(de)(de)(de)比值較天(tian)然(ran)(ran)鈾(you)(you)(you)(you)高,從而獲得裂變(bian)材(cai)料(liao)——濃(nong)縮鈾(you)(you)(you)(you)。“濃(nong)縮”主(zhu)指提高某(mou)(mou)元(yuan)素特定同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素豐(feng)度的(de)(de)(de)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素分離過(guo)程,如由(you)(you)天(tian)然(ran)(ran)鈾(you)(you)(you)(you)生(sheng)產(chan)濃(nong)縮鈾(you)(you)(you)(you)或由(you)(you)普(pu)通水(shui)生(sheng)產(chan)重(zhong)水(shui)等。
濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)同位素目的(de)(de)(de)即(ji)提(ti)(ti)高(gao)(gao)235U相(xiang)對(dui)(dui)于(yu)238U等的(de)(de)(de)相(xiang)對(dui)(dui)豐(feng)(feng)度(du)(du)(du)(濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)),使(shi)天然(ran)235U的(de)(de)(de)相(xiang)對(dui)(dui)含(han)量高(gao)(gao)于(yu)0.7%的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you),即(ji)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you),鈾(you)(you)(you)(you)燃料(liao)(liao)中235U的(de)(de)(de)含(han)量達(da)到3%以(yi)上才有可(ke)能持續(xu)“燃燒”;濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)有:3%、3.5%、20%濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)等品種。許多(duo)核(he)(he)反應(ying)堆和核(he)(he)武(wu)器中所(suo)用(yong)的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you),必(bi)須(xu)對(dui)(dui)其(qi)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo),即(ji)須(xu)提(ti)(ti)高(gao)(gao)易(yi)核(he)(he)裂變的(de)(de)(de)235U濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du),然(ran)后將其(qi)制(zhi)成燃料(liao)(liao)。大多(duo)核(he)(he)電廠(chang)核(he)(he)反應(ying)堆用(yong)的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)燃料(liao)(liao)235U濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)約在3%左右、不超過5%。核(he)(he)武(wu)器里的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)材料(liao)(liao)235U濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)需在90%以(yi)上;核(he)(he)艦船(chuan)所(suo)用(yong)的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)燃料(liao)(liao)為(wei)(wei)20%或更低濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)。國際原子(zi)能機構界(jie)定:235U豐(feng)(feng)度(du)(du)(du)為(wei)(wei)3%的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)材料(liao)(liao)屬核(he)(he)電站用(yong)低濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(工業級(ji)核(he)(he)燃料(liao)(liao)),常(chang)是(shi)鈾(you)(you)(you)(you)鹽或氧化鈾(you)(you)(you)(you);豐(feng)(feng)度(du)(du)(du)大于(yu)80%的(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)材料(liao)(liao)為(wei)(wei)高(gao)(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you),豐(feng)(feng)度(du)(du)(du)大于(yu)90%的(de)(de)(de)則是(shi)武(wu)器級(ji)(軍用(yong))高(gao)(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you),主要用(yong)于(yu)制(zhi)造核(he)(he)武(wu)器;另一種劃分是(shi):高(gao)(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(豐(feng)(feng)度(du)(du)(du)在20%以(yi)上),低濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(2%-20%,商用(yong)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you))、微濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(0.9%-2%)和武(wu)器級(ji)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(90%以(yi)上)。鈾(you)(you)(you)(you)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)達(da)到20%是(shi)一節點與難關,由(you)此再提(ti)(ti)高(gao)(gao)鈾(you)(you)(you)(you)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)(suo)度(du)(du)(du)則是(shi)一相(xiang)對(dui)(dui)容易(yi)實現的(de)(de)(de)過程。
獲(huo)(huo)得(de)(de)鈾(you)(you)材料需經(jing)過一系列復雜的(de)工藝,要(yao)經(jing)過探礦(kuang)、開礦(kuang)、選(xuan)礦(kuang)、浸礦(kuang)、煉礦(kuang)、精煉等(deng)流(liu)程(cheng),分(fen)(fen)離、濃縮(suo)是(shi)(shi)主(zhu)要(yao)和較(jiao)難的(de)流(liu)程(cheng),科(ke)技含量高。鈾(you)(you)礦(kuang)石經(jing)碾(nian)磨、分(fen)(fen)選(xuan)后得(de)(de)到的(de)較(jiao)純凈鈾(you)(you)礦(kuang)產(chan)品(pin),即鈾(you)(you)精礦(kuang),又(you)叫“黃餅”,主(zhu)成分(fen)(fen)是(shi)(shi)八氧化三鈾(you)(you)和重(zhong)鈾(you)(you)酸鈉、重(zhong)鈾(you)(you)酸銨,它(ta)是(shi)(shi)核燃(ran)料生產(chan)過程(cheng)中的(de)一種中間產(chan)品(pin)。通(tong)常,獲(huo)(huo)得(de)(de)1千克武器級(ji)235U需要(yao)200多噸較(jiao)高品(pin)位的(de)鈾(you)(you)礦(kuang)石。
不論是(shi)和(he)平(ping)利用核(he)(he)能(neng),還是(shi)制造核(he)(he)能(neng)武器(qi),濃(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)都是(shi)必需(xu)的(de)。至2006年(nian)(nian)11月,世界上運行(xing)或(huo)在建(jian)的(de)470座商業(ye)核(he)(he)電反應堆大(da)多是(shi)以濃(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)為(wei)燃料;到2010年(nian)(nian),全球(qiu)至少已有(you)1600噸高濃(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(還有(you)500噸钚),我(wo)國是(shi)世界上第四個(ge)(美、英(ying)、蘇后(hou))獨(du)立(li)掌握(wo)濃(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)生(sheng)產技術的(de)國家;20世紀(ji)60年(nian)(nian)代前(qian)期,我(wo)國先后(hou)建(jian)立(li)了衡(heng)陽鈾(you)(you)水冶廠和(he)蘭州(zhou)(zhou)氣體擴(kuo)散廠,獲得了濃(nong)(nong)縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(1958年(nian)(nian)5月,蘭州(zhou)(zhou)始建(jian)我(wo)國首座鈾(you)(you)濃(nong)(nong)縮(suo)(suo)生(sheng)產企業(ye),它先后(hou)為(wei)我(wo)國的(de)第一顆原子彈(dan)、第一顆氫彈(dan)、第一艘核(he)(he)潛艇和(he)第一座核(he)(he)電站(zhan),提供了優質核(he)(he)燃料)。2011年(nian)(nian),哈佛(fo)大(da)學(xue)肯尼迪學(xue)院下屬(shu)貝(bei)爾福爾中(zhong)心的(de)研(yan)究報告說,中(zhong)國擁有(you)軍(jun)用級鈾(you)(you)16噸、钚1.8噸。
因涉(she)及核(he)(he)武器問題,鈾濃(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)技(ji)術(shu)(shu)一直是國(guo)際社會(hui)嚴(yan)禁(jin)擴散的(de)敏感技(ji)術(shu)(shu),國(guo)際原(yuan)子能機構與聯合國(guo)希望能控制(zhi)各國(guo)鈾濃(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)活動。中國(guo)臺灣曾有核(he)(he)計劃。1985年起,羅(luo)馬尼亞(ya)(ya)秘(mi)(mi)密(mi)的(de)從事(shi)武器級濃(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)鈾提煉工(gong)作;1991年,羅(luo)馬尼亞(ya)(ya)政府同(tong)樣將(jiang)(jiang)其(qi)核(he)(he)設(she)備、核(he)(he)研究(jiu)置于國(guo)際原(yuan)子能機構監管之下;2003年,美(mei)國(guo)、俄羅(luo)斯將(jiang)(jiang)其(qi)十幾千克(ke)、濃(nong)(nong)度達80%的(de)濃(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)鈾運到俄羅(luo)斯予以(yi)處理。利比亞(ya)(ya)違反(fan)國(guo)際承諾,秘(mi)(mi)密(mi)獲(huo)得(de)鈾濃(nong)(nong)縮(suo)(suo)(suo)技(ji)術(shu)(shu)以(yi)發展核(he)(he)武器,2003年“伊拉克(ke)戰爭”后,該(gai)國(guo)向西方妥(tuo)協(xie)將(jiang)(jiang)有關設(she)備、圖(tu)紙(zhi)交給了美(mei)國(guo)、英國(guo)。
除幾(ji)個核(he)大(da)國(guo)外,日本、德國(guo)、印度、以色(se)列、巴基斯(si)坦、阿根廷(ting)、朝鮮(xian)(2011年1月(yue),聯合國(guo)安理會(hui)“對朝制裁委(wei)員會(hui)”專家組擬(ni)訂了《朝鮮(xian)鈾濃(nong)縮(suo)計劃報告》,以期防止核(he)擴散、核(he)競賽升級)、伊(yi)朗(lang)(lang)(2011年6月(yue)12日,伊(yi)朗(lang)(lang)常駐國(guo)際原子能機構代表(biao)蘇丹(dan)尼耶(ye)在第二屆核(he)裁軍(jun)國(guo)際會(hui)議期間對新華社記(ji)者說,伊(yi)朗(lang)(lang)已(yi)生產出(chu)逾50公(gong)斤純度為20%的濃(nong)縮(suo)鈾,伊(yi)朗(lang)(lang)的目標是有120公(gong)斤這種核(he)材料)等國(guo)都掌握了鈾濃(nong)縮(suo)技術。
提(ti)純、濃(nong)(nong)(nong)縮235U的(de)技術(shu)較(jiao)復雜,鈾(you)(you)元素(su)(su)(su)的(de)各(ge)種同位素(su)(su)(su),如同“孿生(sheng)姐妹”,物(wu)理性(xing)(xing)質與化(hua)(hua)學(xue)性(xing)(xing)質十分相似(si)。利用同位素(su)(su)(su)在(zai)物(wu)理、化(hua)(hua)學(xue)性(xing)(xing)質上的(de)微小(xiao)差異,通過(guo)擴散、蒸發(fa)或(huo)化(hua)(hua)學(xue)交換等方法(fa)(fa)(fa)與過(guo)程,可(ke)使鈾(you)(you)元素(su)(su)(su)同位素(su)(su)(su)的(de)比例發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)(hua)。用同位素(su)(su)(su)分離(li)(li)(li)法(fa)(fa)(fa)處理天(tian)然(ran)鈾(you)(you),可(ke)增(zeng)加鈾(you)(you)235U的(de)濃(nong)(nong)(nong)度,使天(tian)然(ran)鈾(you)(you)里(li)235U的(de)相對含量高于(yu)0.7%,進而獲得供多種需(xu)要的(de)不同濃(nong)(nong)(nong)度的(de)鈾(you)(you)材料。工業規模分離(li)(li)(li)鈾(you)(you)同位素(su)(su)(su)的(de)技術(shu)(適用于(yu)提(ti)高U-235濃(nong)(nong)(nong)度)有氣體(ti)擴散法(fa)(fa)(fa)、氣體(ti)離(li)(li)(li)心法(fa)(fa)(fa)、離(li)(li)(li)子交換法(fa)(fa)(fa)以(yi)及蒸餾法(fa)(fa)(fa)、電(dian)解(jie)法(fa)(fa)(fa)、電(dian)流法(fa)(fa)(fa)、液體(ti)熱擴散法(fa)(fa)(fa)、電(dian)磁(ci)分離(li)(li)(li)法(fa)(fa)(fa)和(he)激光分離(li)(li)(li)法(fa)(fa)(fa)等。這些濃(nong)(nong)(nong)縮方法(fa)(fa)(fa),工藝過(guo)程都復雜,投(tou)資(zi)大、耗能(neng)高、且產量低,即生(sheng)產鈾(you)(you)燃料成本(ben)較(jiao)大。
這是(shi)(shi)最(zui)早、最(zui)成熟的(de)濃縮方法,也(ye)是(shi)(shi)商業開發的(de)第一(yi)種濃縮方法,它據分(fen)子(zi)(zi)滲(shen)透(tou)、擴散原(yuan)理,利(li)用不(bu)(bu)(bu)同(tong)質(zhi)量(liang)鈾同(tong)位素(su)轉化為(wei)氣(qi)態時運動速率的(de)不(bu)(bu)(bu)同(tong)而(er)進行分(fen)離(li)。UF6是(shi)(shi)一(yi)種劇毒(du)、腐蝕性(xing)強和有放射性(xing)的(de)白色晶體(ti)(ti),加熱(re)后升華為(wei)氣(qi)體(ti)(ti)。由于238U、235U的(de)質(zhi)量(liang)數不(bu)(bu)(bu)同(tong),所(suo)以(yi)UF6氣(qi)體(ti)(ti)中(zhong)(zhong)二者的(de)分(fen)子(zi)(zi)質(zhi)量(liang)也(ye)不(bu)(bu)(bu)同(tong),UF6里(li)235U的(de)質(zhi)量(liang)數是(shi)(shi)349、238U的(de)質(zhi)量(liang)數是(shi)(shi)352。當(dang)高(gao)壓UF6混合氣(qi)體(ti)(ti)(鈾同(tong)位素(su)的(de)混合氣(qi)體(ti)(ti))透(tou)過級聯安裝的(de)多孔薄膜時,UF6中(zhong)(zhong)U-235輕分(fen)子(zi)(zi)氣(qi)體(ti)(ti)會比UF6中(zhong)(zhong)238U重分(fen)子(zi)(zi)的(de)氣(qi)體(ti)(ti)更快地通過多孔膜。通過膜管的(de)氣(qi)體(ti)(ti)立即被泵送到(dao)下一(yi)級,留在膜管中(zhong)(zhong)的(de)氣(qi)體(ti)(ti)則(ze)返回到(dao)較(jiao)低級再(zai)循環(huan)。在每一(yi)個氣(qi)體(ti)(ti)擴散級中(zhong)(zhong)235U與238U濃度(du)比僅(jin)略有增加,如此分(fen)離(li)、濃縮到(dao)工業級235U濃度(du)則(ze)需1000級以(yi)上(shang)。
該技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)核心是(shi)多孔(kong)擴散分(fen)(fen)(fen)(fen)離(li)膜(mo)(mo)(蘇聯(lian)曾(ceng)叫它是(shi)“社(she)會主(zhu)義陣營安全的(de)(de)心臟”),我國于1964年研制出優質的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)離(li)膜(mo)(mo)元件(時稱甲(jia)種(zhong)分(fen)(fen)(fen)(fen)離(li)膜(mo)(mo),該技(ji)術(shu)(shu)獲1984年國家發明一等獎)。分(fen)(fen)(fen)(fen)離(li)膜(mo)(mo)是(shi)每平方分(fen)(fen)(fen)(fen)米有數百萬(wan)個超微(wei)細孔(kong)的(de)(de)多孔(kong)薄金(jin)屬板或薄膜(mo)(mo),將這些薄膜(mo)(mo)(板)卷成管子并裝(zhuang)在密封的(de)(de)擴散器(qi)里,當UF6氣體(ti)(ti)(ti)加(jia)壓送到由這些管子組成的(de)(de)級聯(lian)裝(zhuang)置(zhi)中,混合氣體(ti)(ti)(ti)便會逐漸(jian)被(bei)分(fen)(fen)(fen)(fen)離(li),含(han)235U多的(de)(de)濃(nong)縮(suo)UF6氣體(ti)(ti)(ti)沿著級聯(lian)裝(zhuang)置(zhi)向(xiang)前流動,含(han)238U多的(de)(de)稀(xi)薄UF6氣體(ti)(ti)(ti)則因流動滯后而(er)落下(xia)、分(fen)(fen)(fen)(fen)流了。該方法擴散、濃(nong)縮(suo)過(guo)程需要幾千個連(lian)續(xu)的(de)(de)級聯(lian)裝(zhuang)置(zhi),連(lian)續(xu)擴散可將UF6混合氣體(ti)(ti)(ti)里含(han)238U的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)子與含(han)235U的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)子分(fen)(fen)(fen)(fen)離(li),再用(yong)化學方法處理已濃(nong)縮(suo)的(de)(de)UF6-235U氣體(ti)(ti)(ti)分(fen)(fen)(fen)(fen)子,進而(er)獲得235U。這種(zhong)方法鈾濃(nong)縮(suo)的(de)(de)效(xiao)率不高、能(neng)耗大。
1919年,德國科學家(jia)G.瑞(rui)皮完成(cheng)(cheng)了(le)(le)氣(qi)體離(li)心(xin)機(ji)的(de)(de)基本設(she)計(ji)。鈾(you)濃縮(suo)離(li)心(xin)機(ji)概念(nian)和應(ying)用(yong)(yong)則是(shi)20世紀(ji)30-40年代由(you)美(mei)囯弗吉尼亞大學的(de)(de)高速(su)離(li)心(xin)機(ji)專家(jia)J.W.伯莫(mo)斯提出的(de)(de)。1934年,伯莫(mo)斯成(cheng)(cheng)功地分離(li)了(le)(le)兩種氯同(tong)(tong)位素;1941年,他和同(tong)(tong)事利用(yong)(yong)離(li)心(xin)機(ji)首次成(cheng)(cheng)功地分離(li)了(le)(le)鈾(you)同(tong)(tong)位素。分離(li)共設(she)計(ji)了(le)(le)3種離(li)心(xin)機(ji),其工作曾引起美(mei)國當時正實施的(de)(de)“曼(man)哈頓計(ji)劃”(研制(zhi)原子彈的(de)(de)計(ji)劃)領導(dao)人的(de)(de)注意,但(dan)美(mei)國最終選擇(ze)了(le)(le)氣(qi)體擴散(san)法。
氣(qi)(qi)(qi)體(ti)離(li)心(xin)法(fa)也適用于處(chu)理(li)鈾的混合(he)液(ye)體(ti)或鈾蒸汽,它使(shi)用獨特設計的離(li)心(xin)機使(shi)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)或液(ye)體(ti)能(neng)不間斷(duan)地在(zai)各個離(li)心(xin)機中流(liu)動(dong),可(ke)連續運轉加(jia)工鈾氣(qi)(qi)(qi)流(liu)或鈾液(ye)體(ti)流(liu)。當(dang)前,濃縮鈾常用這(zhe)種機械(xie)式分(fen)離(li)法(fa)。此法(fa)中,真空高速離(li)心(xin)機是關鍵設備,國際上常把有無該設備作為判斷(duan)一個國家(jia)是否進(jin)行核武器研(yan)究(jiu)的標志(zhi)。與(yu)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)擴散法(fa)相比,氣(qi)(qi)(qi)體(ti)離(li)心(xin)法(fa)工效較高、所需電能(neng)大幅(fu)減少,所以該法(fa)已(yi)被大多(duo)的濃縮鈾工廠(chang)采用。
將(jiang)高壓(ya)UF6氣(qi)(qi)體注入(ru)(ru)高速轉(zhuan)動的(de)(de)(de)(de)封閉式離(li)心(xin)機(ji)(ji)里,由于質量存在差異,長時間旋轉(zhuan)依(yi)靠慣(guan)性離(li)心(xin)力,較輕的(de)(de)(de)(de)UF6中235U分子(zi)大多集中在容器轉(zhuan)軸處,較重(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)UF6-238U分子(zi)則大多結集在邊緣。若沿軸向(xiang)從(cong)外(wai)部導(dao)入(ru)(ru)氣(qi)(qi)流,并使(shi)轉(zhuan)軸處的(de)(de)(de)(de)這股氣(qi)(qi)體向(xiang)上流動,邊緣處外(wai)部導(dao)入(ru)(ru)的(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)體向(xiang)下(xia)(xia)流動。如此,離(li)心(xin)機(ji)(ji)下(xia)(xia)方(fang)收集的(de)(de)(de)(de)是(shi)較重(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)UF6-238U氣(qi)(qi)體,上方(fang)則是(shi)需要的(de)(de)(de)(de)、較輕的(de)(de)(de)(de)UF6-235U氣(qi)(qi)體。在近軸處富(fu)(fu)集的(de)(de)(de)(de)UF6-235U氣(qi)(qi)體被導(dao)出,再(zai)輸送到(dao)下(xia)(xia)一臺(tai)離(li)心(xin)機(ji)(ji)繼續(xu)分離(li)——逐漸累(lei)積(ji)、純化(hua)、濃縮。隨著較輕的(de)(de)(de)(de)UF6-235U氣(qi)(qi)體穿(chuan)過一系列高速離(li)心(xin)機(ji)(ji),其235U同位(wei)素分子(zi)富(fu)(fu)集度會越來越大。最后,利用(yong)化(hua)學法處理已收集的(de)(de)(de)(de)、較輕的(de)(de)(de)(de)UF6-235U氣(qi)(qi)體,就可獲得工業或(huo)軍(jun)用(yong)級濃縮鈾。
通常,氣體離(li)心(xin)機(ji)廠需要幾(ji)千臺高速(su)真空離(li)心(xin)機(ji)連續(xu)、長(chang)期地工(gong)作才(cai)能(neng)(neng)得到武器級濃縮鈾(you)等(2010年(nian)下(xia)半年(nian),因外(wai)界攻擊,伊朗納坦茲鈾(you)濃縮工(gong)廠至少有1/5的離(li)心(xin)機(ji)因感染“震網(wang)”病毒被(bei)迫關閉;2011年(nian)2月末(mo),國際原子能(neng)(neng)機(ji)構的報告說,該廠現有低(di)純度濃縮鈾(you)約3600公(gong)斤)。
(1)激光分離法
氣體離(li)(li)心法濃縮成本(ben)較高、效率也不(bu)(bu)理想,先進的(de)(de)(de)濃縮法是激(ji)(ji)光分離(li)(li)法。利用激(ji)(ji)光濃縮鈾,能降低生(sheng)產成本(ben)。其原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)理基于激(ji)(ji)光有較好的(de)(de)(de)單(dan)(dan)色(se)性和(he)(he)(he)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核(he)(he)(he)的(de)(de)(de)同(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)(su)光譜位(wei)(wei)(wei)移等。各同(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核(he)(he)(he)的(de)(de)(de)中(zhong)子(zi)(zi)數不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong),它們的(de)(de)(de)能級(ji)會(hui)發(fa)生(sheng)同(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)(su)位(wei)(wei)(wei)移,發(fa)出的(de)(de)(de)輻(fu)波長會(hui)有小差(cha)異。激(ji)(ji)光的(de)(de)(de)單(dan)(dan)色(se)性好,這樣(yang)能做(zuo)到用和(he)(he)(he)某(mou)同(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核(he)(he)(he)的(de)(de)(de)輻(fu)射波長相(xiang)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)激(ji)(ji)光去激(ji)(ji)發(fa)其中(zhong)的(de)(de)(de)某(mou)種原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi),而不(bu)(bu)會(hui)把(ba)其他同(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)一(yi)起激(ji)(ji)發(fa),即(ji)用激(ji)(ji)光可單(dan)(dan)獨地把(ba)同(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)團中(zhong)的(de)(de)(de)某(mou)同(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)先電(dian)離(li)(li);再用電(dian)場將(jiang)電(dian)離(li)(li)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)從同(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)(su)混合物中(zhong)單(dan)(dan)獨分離(li)(li)出來,將(jiang)這些原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)激(ji)(ji)發(fa)到高能級(ji);最后(hou)利用高能級(ji)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)和(he)(he)(he)基態的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)參加化學反(fan)應(ying)的(de)(de)(de)活力不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong),通過化學反(fan)應(ying)法便可把(ba)它分離(li)(li),聚集后(hou)就(jiu)獲得了(le)所需的(de)(de)(de)同(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)。
激光分離(li)法(fa)(fa)濃縮235U,比其他方法(fa)(fa)優越,設備(bei)可(ke)(ke)(ke)大大簡(jian)化(hua)(hua),成(cheng)(cheng)本可(ke)(ke)(ke)大幅降低。據估計,該法(fa)(fa)生產投資約(yue)是氣(qi)體擴(kuo)散法(fa)(fa)的(de)1/2,生產過程耗能只有(you)氣(qi)體擴(kuo)散法(fa)(fa)的(de)1/10左右(you)。所以,多個(ge)國(guo)家已(yi)重視開發這種鈾燃料(liao)生產技(ji)術。1977年(nian)美國(guo)開始研究(jiu)用激光提純濃縮鈾,并證(zheng)實此法(fa)(fa)的(de)可(ke)(ke)(ke)行性(xing)等(deng);1982年(nian)美國(guo)能源部確定,今(jin)后美國(guo)使用激光分離(li)法(fa)(fa)生產鈾燃料(liao)。此法(fa)(fa)利(li)用238U、235U形成(cheng)(cheng)的(de)化(hua)(hua)合(he)物化(hua)(hua)學(xue)鍵的(de)鍵能不同,利(li)用激光單一頻率(lv)的(de)性(xing)質可(ke)(ke)(ke)有(you)選擇的(de)使一種鈾化(hua)(hua)合(he)物的(de)化(hua)(hua)學(xue)鍵斷(duan)裂(lie)達(da)到(dao)分離(li)效果。
激光分(fen)離技術現有激光原子(zi)法(fa)和激分(fen)子(zi)法(fa):
原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)法濃縮用(yong)(yong)的(de)原(yuan)(yuan)料(liao)是提煉鈾礦后的(de)鈾塊,再把鈾塊加熱到高(gao)溫,形成鈾原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)蒸氣(qi),鈾蒸氣(qi)里含有(you)234U、235U、238U原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)。然后用(yong)(yong)可見光波段的(de)激(ji)光(如用(yong)(yong)銅蒸氣(qi)激(ji)光泵浦的(de)染料(liao)激(ji)光器)照射(she)鈾原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)蒸氣(qi),調諧激(ji)光器的(de)輸出波長,讓它落(luo)在(zai)235U的(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)吸(xi)收(shou)譜(pu)線中心,使235U原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)電離,但(dan)不(bu)激(ji)發或電離238U原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)等(deng)。然后,利用(yong)(yong)電場(chang)對通過收(shou)集板(ban)的(de)235U原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)掃描、分(fen)離,如此235U原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)就從鈾同位素混合氣(qi)體里中分(fen)出來(lai)了。這種技術較(jiao)成熟(shu),已處于生產應用(yong)(yong)階段。
分(fen)(fen)子法(fa)(fa)濃縮法(fa)(fa)則依靠(kao)鈾同位素吸收光(guang)(guang)(guang)譜(pu)上存在差異(yi),它用的(de)(de)原(yuan)(yuan)料是鈾的(de)(de)分(fen)(fen)子化合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)(如UF6),先用中紅外(wai)波(bo)段的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(如波(bo)長16微米的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang))照射(she)UF6混合(he)(he)(he)(he)氣(qi)體(ti)分(fen)(fen)子,激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)波(bo)長正好是讓235U化合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)分(fen)(fen)子電離,235U分(fen)(fen)子吸收了這些光(guang)(guang)(guang)子,能態會提高;再用紫外(wai)線激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)分(fen)(fen)解UF6混合(he)(he)(he)(he)氣(qi)體(ti)分(fen)(fen)子,便可從中分(fen)(fen)離出(chu)(chu)235U,最(zui)后(hou)讓含235U化合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)通過分(fen)(fen)解反(fan)應,就可得到(dao)(dao)235U。理論上它能生(sheng)產(chan)出(chu)(chu)很純(chun)的(de)(de)235U等,但此法(fa)(fa)還未達到(dao)(dao)生(sheng)產(chan)階段;從發(fa)展潛力看,分(fen)(fen)子法(fa)(fa)則比(bi)原(yuan)(yuan)子法(fa)(fa)優(you)越。分(fen)(fen)子法(fa)(fa)濃縮用的(de)(de)原(yuan)(yuan)料是鈾的(de)(de)分(fen)(fen)子化合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu),原(yuan)(yuan)料來源較豐富,且分(fen)(fen)離過程不需(xu)加(jia)熱;原(yuan)(yuan)子法(fa)(fa)濃縮則需(xu)加(jia)熱到(dao)(dao)2000多℃,高溫鈾蒸氣(qi)有很強的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)性。相(xiang)對而言,分(fen)(fen)子激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)法(fa)(fa)生(sheng)產(chan)設(she)備較簡單,成本較低。
分子(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)法(fa)只(zhi)能用于濃(nong)縮(suo)UF6,不(bu)適于純化、濃(nong)縮(suo)金屬(shu)(shu)钚(bu)(制(zhi)造(zao)原(yuan)子(zi)彈等更(geng)好的核(he)材(cai)料)的化合物;原(yuan)子(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)法(fa)既能濃(nong)縮(suo)金屬(shu)(shu)鈾,也能濃(nong)縮(suo)金屬(shu)(shu)钚(bu)。可見,分子(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)法(fa)比原(yuan)子(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)法(fa)在防(fang)核(he)擴(kuo)散方面會有利一些。
(2)氣體動力學(xue)法
該技術將UF6氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)與氫或氦(hai)的(de)(de)混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)經過壓縮高(gao)速通(tong)過一個(ge)噴嘴,然后穿過一個(ge)特定(ding)的(de)(de)曲面,這樣便可獲得從(cong)鈾的(de)(de)混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)中(zhong)分(fen)(fen)離(li)(li)235U同位素(su)的(de)(de)離(li)(li)心力。氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)動(dong)力學分(fen)(fen)離(li)(li)法為實現濃縮純度所(suo)需的(de)(de)級聯比氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)擴散法少,但它需大量的(de)(de)電(dian)能。UF6與氫的(de)(de)混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)在離(li)(li)心機中(zhong)的(de)(de)渦(wo)流板上高(gao)速離(li)(li)心旋(xuan)轉后,UF6氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)濃縮流和UF6氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)貧化(hua)流分(fen)(fen)別由兩條(tiao)管道流出(chu);處理收(shou)集的(de)(de)已(yi)經多次分(fen)(fen)離(li)(li)的(de)(de)UF6氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)濃縮流,最(zui)后可得到濃縮鈾。
(3)電(dian)磁分(fen)離法
鈾同(tong)位(wei)素電磁分離(li)(li)(li)(li)(li)濃(nong)縮技(ji)術,基于(yu)電離(li)(li)(li)(li)(li)的(de)原子(zi)在磁場作圓(yuan)周(zhou)運(yun)動時,質量不同(tong)的(de)離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)因旋(xuan)轉半徑不同(tong)而(er)被分離(li)(li)(li)(li)(li)。它是使(shi)鈾同(tong)位(wei)素原子(zi)離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)同(tong)時穿過電磁體的(de)磁場,由于(yu)235U圓(yuan)周(zhou)運(yun)動半徑與235U不同(tong)而(er)被分離(li)(li)(li)(li)(li)。這是20世紀40年代(dai)初使(shi)用的(de)技(ji)術,伊(yi)拉克20世紀80年代(dai)的(de)實驗研究表明(ming),該技(ji)術與當代(dai)電子(zi)學(xue)結合能生產武器級鈾材(cai)料。
(4)離(li)子交換(huan)法(fa)
鈾的(de)(de)幾種同位素(su)在(zai)質量上(shang)的(de)(de)微小(xiao)差(cha)異,能引起化(hua)學(xue)(xue)(xue)反應平衡的(de)(de)小(xiao)的(de)(de)變化(hua),這可(ke)用(yong)來(lai)作同位素(su)分離(li)(li)的(de)(de)基礎。該方法(fa)(fa)有(you)兩(liang)種工藝過(guo)程:液—液化(hua)學(xue)(xue)(xue)交(jiao)換過(guo)程和(he)固—液離(li)(li)子(zi)(zi)交(jiao)換過(guo)程,后者須用(yong)直徑大于1米離(li)(li)子(zi)(zi)交(jiao)換柱,這是一(yi)耐腐蝕、耐高壓的(de)(de)圓筒(tong)狀柱。1964年(nian)10月,我(wo)(wo)國爆炸的(de)(de)第一(yi)顆原子(zi)(zi)彈就(jiu)是用(yong)此法(fa)(fa)濃(nong)縮的(de)(de)235U制造而成(cheng)(cheng)的(de)(de)。當時(shi),以放(fang)射(she)化(hua)學(xue)(xue)(xue)家楊承宗(zong)(1951年(nian)6月,他獲得巴黎大學(xue)(xue)(xue)理學(xue)(xue)(xue)院博士(shi)學(xue)(xue)(xue)位,其答辯通(tong)過(guo)的(de)(de)博士(shi)論文(wen)就(jiu)是《離(li)(li)子(zi)(zi)交(jiao)換法(fa)(fa)分離(li)(li)放(fang)射(she)性元素(su)的(de)(de)研究(jiu)》)為首(shou)的(de)(de)我(wo)(wo)國科(ke)研人員,在(zai)通(tong)州(zhou)“五(wu)所”(鈾濃(nong)縮研究(jiu)所)利用(yong)離(li)(li)子(zi)(zi)交(jiao)換法(fa)(fa)純化(hua)處理了上(shang)百噸各(ge)種土法(fa)(fa)冶煉生產(chan)(chan)的(de)(de)重鈾酸銨。經過(guo)兩(liang)年(nian)多的(de)(de)奮戰,他們生產(chan)(chan)出了2.5噸符(fu)合原子(zi)(zi)彈原料要求的(de)(de)純鈾化(hua)合物(wu),提前3個月為我(wo)(wo)國成(cheng)(cheng)功試爆原子(zi)(zi)彈提供了核心物(wu)質。
1942年前(qian)鈾主要用(yong)(yong)作玻璃和陶(tao)瓷的(de)(de)著色劑,用(yong)(yong)量很少。隨著235U鏈式核(he)裂變(bian)反應的(de)(de)被發現,核(he)裂變(bian)釋(shi)放的(de)(de)巨(ju)大(da)能量 (1kg235U釋(shi)放的(de)(de)裂變(bian)能相當于(yu)1800tTNT炸(zha)藥)引起(qi)人們的(de)(de)注(zhu)意,首(shou)先用(yong)(yong)于(yu)制造原子彈、氫(qing)彈。
從50年代后期開始,鈾被(bei)越來越多地用作核(he)發電的核(he)燃料。1kg235U核(he)完全(quan)裂變所釋放的能量(liang)相當于燃燒2700t優質(zhi)煤所放出的能量(liang)。
此外,鈾核反應堆也可(ke)用(yong)作(zuo)輻(fu)照源(yuan),用(yong)于(yu)農業(ye)輻(fu)照育種、食品工(gong)業(ye)食品保(bao)鮮(xian)和(he)(he)滅菌,也可(ke)用(yong)于(yu)生產(chan)人造元素。在(zai)醫藥方(fang)(fang)面用(yong)于(yu)放射治療(liao)、放射免疫(yi)藥盒(he)、造影診斷等(deng),在(zai)工(gong)業(ye)和(he)(he)地質等(deng)方(fang)(fang)面用(yong)于(yu)工(gong)業(ye)探傷、自動控制、地質勘探和(he)(he)文物考(kao)古等(deng)。
科學研究及工業實(shi)踐證明,鈾是惟一的(de)(de)一次天(tian)然核(he)(he)(he)燃料,核(he)(he)(he)能(neng)工業必(bi)須依靠鈾。由(you)于核(he)(he)(he)能(neng)工業具有(you)和(he)平和(he)軍事應用兩種目的(de)(de),因此鈾便成為(wei)一種特(te)殊商品金屬,其生產受到(dao)政(zheng)治(zhi)、社會和(he)經濟多種因素(su)的(de)(de)影響。20世紀40~50年(nian)代,鈾主要用于核(he)(he)(he)武(wu)器,50年(nian)代以后(hou)主要用于核(he)(he)(he)發電。世界鈾的(de)(de)產量(liang)(liang)(liang)長(chang)期(qi)供(gong)過于需,有(you)大量(liang)(liang)(liang)庫存(cun)。國際市場每公斤U3O8的(de)(de)價格從1978年(nian)初的(de)(de)97美元降(jiang)至1990年(nian)的(de)(de)19.84美元。西方國家(jia)鈾年(nian)產量(liang)(liang)(liang)亦由(you)1980年(nian)的(de)(de)43960t降(jiang)至1985年(nian)的(de)(de)35278t。但在(zai)這段時期(qi)內,核(he)(he)(he)電站發展迅速,1980年(nian)裝機總(zong)容量(liang)(liang)(liang)為(wei)1.35億(yi)kW,1989年(nian)增(zeng)至3.18億(yi)kW。1985年(nian)鈾的(de)(de)年(nian)產量(liang)(liang)(liang)低于核(he)(he)(he)發電的(de)(de)需要量(liang)(liang)(liang)。
把(ba)(ba)(ba)常規炸(zha)(zha)藥有(you)規律地安放在(zai)(zai)鈾(you)的(de)(de)(de)(de)(de)周圍,然后使用電子雷管(guan)(guan)使這些炸(zha)(zha)藥精(jing)確的(de)(de)(de)(de)(de)同(tong)時(shi)爆(bao)炸(zha)(zha),產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)巨大(da)壓(ya)力將鈾(you)壓(ya)到(dao)一起(qi),并被(bei)壓(ya)縮(suo),達(da)到(dao)臨(lin)界(jie)(jie)(jie)條件,發(fa)生(sheng)(sheng)爆(bao)炸(zha)(zha)。或者將兩塊(kuai)(kuai)(kuai)總質(zhi)量(liang)(liang)超過臨(lin)界(jie)(jie)(jie)質(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)鈾(you)塊(kuai)(kuai)(kuai)合(he)到(dao)一起(qi),也會(hui)(hui)發(fa)生(sheng)(sheng)猛烈的(de)(de)(de)(de)(de)爆(bao)炸(zha)(zha)。臨(lin)界(jie)(jie)(jie)質(zhi)量(liang)(liang)是(shi)指(zhi)維(wei)(wei)持核(he)子連鎖(suo)(suo)反(fan)應(ying)所需的(de)(de)(de)(de)(de)裂變(bian)材(cai)料質(zhi)量(liang)(liang)。不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)裂變(bian)材(cai)料,受核(he)子的(de)(de)(de)(de)(de)性質(zhi)(如裂變(bian)橫切面)、物(wu)(wu)理性質(zhi)、物(wu)(wu)料形狀、純度(du)、是(shi)否被(bei)中(zhong)子反(fan)射物(wu)(wu)料包圍、是(shi)否有(you)中(zhong)子吸收物(wu)(wu)料等等因素影響,而會(hui)(hui)有(you)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)(jie)(jie)質(zhi)量(liang)(liang)。剛好可(ke)能以(yi)(yi)產生(sheng)(sheng)連鎖(suo)(suo)反(fan)應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)組合(he),稱為(wei)已達(da)臨(lin)界(jie)(jie)(jie)點(dian)。比這樣更多質(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)組合(he),核(he)反(fan)應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)速率會(hui)(hui)以(yi)(yi)指(zhi)數(shu)增長(chang),稱為(wei)超臨(lin)界(jie)(jie)(jie)。如果(guo)組合(he)能夠(gou)在(zai)(zai)沒有(you)延遲放出中(zhong)子之下進行連鎖(suo)(suo)反(fan)應(ying),這種(zhong)臨(lin)界(jie)(jie)(jie)被(bei)稱為(wei)即發(fa)臨(lin)界(jie)(jie)(jie),是(shi)超臨(lin)界(jie)(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)一種(zhong)。即發(fa)臨(lin)界(jie)(jie)(jie)組合(he)會(hui)(hui)產生(sheng)(sheng)核(he)爆(bao)炸(zha)(zha)。如果(guo)組合(he)比臨(lin)界(jie)(jie)(jie)點(dian)小,裂變(bian)會(hui)(hui)隨時(shi)間減少,稱之為(wei)次(ci)臨(lin)界(jie)(jie)(jie)。核(he)子武器在(zai)(zai)引爆(bao)以(yi)(yi)前必須(xu)維(wei)(wei)持在(zai)(zai)次(ci)臨(lin)界(jie)(jie)(jie)。以(yi)(yi)鈾(you)核(he)彈為(wei)例,可(ke)以(yi)(yi)把(ba)(ba)(ba)鈾(you)分成數(shu)大(da)塊(kuai)(kuai)(kuai),每(mei)塊(kuai)(kuai)(kuai)質(zhi)量(liang)(liang)維(wei)(wei)持在(zai)(zai)臨(lin)界(jie)(jie)(jie)以(yi)(yi)下。引爆(bao)時(shi)把(ba)(ba)(ba)鈾(you)塊(kuai)(kuai)(kuai)迅速結合(he)。投擲(zhi)在(zai)(zai)廣(guang)島的(de)(de)(de)(de)(de)“小男孩”原子彈是(shi)把(ba)(ba)(ba)一小塊(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)(de)(de)鈾(you)透過槍管(guan)(guan)射向(xiang)另一大(da)塊(kuai)(kuai)(kuai)鈾(you)上,造成足夠(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)。這種(zhong)設計稱為(wei)“槍式”。
2023年11月21日,由于對核能的需求復蘇和供應中斷,鈾的價格15年來首次突破80美(mei)元/磅(bang)。紐(niu)商所追蹤實物市場鈾原(yuan)料黃(huang)餅(bing)(yellowcake)合約的期貨當天觸及(ji)80.25美(mei)元/磅(bang)。