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铀(金属元素) 发布于:

铀(Uranium)是原子序数为92的元素,其元素符号是U,是自然界中能够找到的最重元素。在自然界中存在三种同位素,均带有放射性,拥有非常长的半衰期(数十万年~45亿年)。此外还有12种人工同位素(U~U)。铀在1789年由马丁·海因里希·克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)发现。铀化合物早期用于瓷器的着色,在核裂变现象被发现后用作为核燃料 。

自然产生的最重的金属。呈银白色,具有硬度强、密度高、可延展、有放射性等特征。一般在铀与氧、氧化物或硅酸盐的结合中发现铀。铀原子能发生裂变反应,释放大量能量从而可以应用于发电,核武器制造等领域。第二次世界大中盟军的核武器计划引发对铀的需求,铀的生产应运而生。到20世纪70年代,铀的生产工业已稳固地建立起来 。

铀是Ⅲb族锕系放射性化学元素,符号U,原子序数92,相对原子质量238.03,是原子序数和相对原子质量最大的天然元素 。铀在常温下是银白色的致密金属 ,铀的新切面呈发亮的钢灰色,但在室温空气中逐渐生成黑色氧化膜 。

铀原子的外电子层构型为[Rn]5f6d7s,5f6d7s壳层为价电子。铀有+3、+4、+5、+6四种价态,以+4和+6价态为主 。

铀是正电性很强的活泼元素,与几乎所有非金属元素(惰性气体除外)反应生成化合物,常以U、U、UO2和UO2离子形式存在。铀与氢在523K时发生可逆反应, 生成UH3。铀-氧系比较复杂,在UO2~UO3间存在多种相,重要的氧化物有UO2、U3O8和UO3。其中UO2是当前应用最广泛的核燃料。铀与卤素生成核燃料制备工艺中重要的化合物。如UF4是生产金属铀和UF6的中间产物。UF6的三相点为337K,是气态铀同位素分离的原料。碳化铀、氮化铀和硅化铀都是性能优越的被认为有希望的核燃料 。

金属铀在空气中会变暗,可为蒸汽和酸腐蚀,但耐碱腐蚀。其原子半径为138.5pm;U、U、U、U的离子半径分别为103、97、89及80pm。铀的电负性据鲍林(Pauling)测定为1.38;阿尔勒德(Allred) 和罗切夫 (Rochow) 测定为1.22 。

铀能与大多数非金属元素及其化合物发生反应,反应的温度和反应速度随铀的粒度而异。铀在室温的空气或氧气中能自燃,细粒铀在水中亦能自燃。在一定条件下,铀氧化放出的能量可引起爆炸。铀粉尘的爆炸浓度下限为55mg/dm。铀能与许多金属反应生成金属间化合物。铀可与铌、铪、锆、钼及钛生成固溶体 。

铀及其化合物均有较大的化学毒性,空气中可溶性铀化合物的允许浓度为0.05mg/m,不溶性铀化合物的允许浓度为0.25mg/m,人体对天然铀的放射性允许剂量,可溶性铀化合物是7400Bq,不溶性铀化合物是333Bq 。

铀是放射性金属元素,可作为核反应的燃料。铀是银白色金属,几乎与钢一样硬,密度高(相对密度约18.95),熔点1135℃,沸点4134℃。在核能量发展之前,它被用作制造黄色玻璃。铀是自然界存在的原子序数最高的元素。1841年E.佩利(1811-1890)离析出金属铀,虽然在此之前铀已在沥青铀矿中被认知。它也藏于云母铀矿、钒钾铀矿和独居石中;主要分布于加拿大、澳大利亚、南非。可通过气体扩散技术从易挥发气体六氟化铀(UF6)中分离各同位素铀 。

铀存在三种同素异形体,其存在温度和主要结构特征列于表中。α-U在室温时的密度为19.02t/m。α-U和β-U呈明显的各向异性,如在298~523 K之间,α-U单晶沿a、b、c轴热膨胀系数分别为αa=+33.24×10/K、αb=-6.49×10/K、αc=+30.36×10/K。γ-U有各向同性结构。无序排列的多晶铀在293~373 K范围的热膨胀系数等于16.3×10/K。在5~350K之间的比热为27.66J/(mol·K)。α-U的热导率随温度提高而增加,室温下为25.1W/(m·K),1033K时为37.7W/(m·K) 。

铀的力学性质随试样炉号和热处理的不同而异。对α轧制α退火的试样,得到室温最大屈服强度为206.8-275.8 MPa,对小变形量挤压铀,室温抗拉强度极限为586.1~861.8MPa 。铀有三种晶格结构: α-U为斜方结构,a=284.785pm,b=585.801pm,c=494.553pm;β-U为正方结构,a=1076.0pm,c=565.2pm;γ-U为体心立方结构,a=352.4pm。它们的转换温度为941K(α→β)和1047K (β→γ) 。

铀的同素异形体

α-U

β-U

γ-U

存在温度范围 (K)

<941

941-1048

1048(熔点)

晶体结构

斜方

四方

体心立方

晶胞中原子数 (个)

4

30

2

晶格常数 (nm)

a0

0. 28541

1. 0579

0. 3524

b0

0. 58692

-

-

c0

0. 49563

0. 5656

-

铀的重要物理性质列于下表 。

性 质

数 据

熔点T/K

沸点T/K

熔化热Q/kJ·mol

气化热Q/kJ·mol

密度ρ/kg·m

热导率λ/W·m-1·K

电阻率ρ/Ω·m

摩尔体积Vm/cm

线胀系数αl/K

1405.5

4018

15.5

417.1

18950(293K),17907(熔点液体)

27.6(300K)

30.8×10(273K)

12.56

12.6×10

天然铀含有三种同位素:U、U和U,它们的含量分别为99.28%(U)、0.71%(U)和0.006%(U),半衰期分别为(U)4.51×10、(U)7.09×10和(U)2.35×10年。其中以U为最重要,是目前核动力的燃料。一个U核吸收一个热中子发生裂变时放出约2.5个中子,并释放出207MeV能量。1 kgU核裂变放出的能量相当于燃烧2700t煤所产生的能量 。根据反应堆堆型及其工作条件,核燃料可采用天然铀或提高了U含量的富集铀。用气体扩散法、离心法或激光法等分离铀同位素,可使U的富集度达到90%以上。U俘获中子后转变成易裂变的Pu(钚)。Pu和U也是制造核武器的主要原料 。

在25km地壳内含10t铀,其中海水含10t,每吨海水平均含铀3.3mg。自然界存在几百种含铀的矿物,但大多是贫矿,所以经济地大量开采很困难。目前,经济上有开采价值的铀矿含U3O8量为0.1%左右。如果发展快中子增殖堆,则铀资源利用率可比压水堆提高60~70倍 。

铀同位素中存量最多的是U,再者是可用作核能发电的燃料的U,丰度最少的是U。此外还有12种人工同位素。

同位素

丰度

半衰期

衰变模式

衰变能量(MeV)

衰变产物

U

人造

68.9年

自发分裂

-

-

α衰变

5.414

Th-228

U

人造

159200年

自发分裂

197.93

-

α衰变

4.909

Th-229

U

0.006%

245500年

自发分裂

197.78

-

α衰变

4.859

Th-230

U

0.72%

7.038×10年

自发分裂

202.48

-

α衰变

4.679

Th-231

U

人造

2.342×10年

自发分裂

201.82

-

α衰变

4.572

Th-232

U

人造

6.75日

β衰变

0.519

Np-237

U

99.275%

4.468×10年

自发分裂

205.87

-

α衰变

4.270

Th-234

铀的热中子吸收截面为7.60b±0.07b。铀的同位素(包括同核异能素)有15种,其质量数从227至240。铀的天然同位素组成列于下表 。

核 素

相对原子质量

自然丰度/%

半衰期T1/2/a

衰变模式及衰变能

α/MeV

U

U

U

234.0409

235.0439

238.0508

0.005

0.720

99.275

2.47×10

7.00×10

4.51×10

α(4.856);γ

α(4.681);SF; γ

α(4.268);SF;γ

U为锕铀衰变系的始祖核素,U为铀镭系的始祖核素,U是U的衰变系产物 。U是惟一天然的可裂变核素。U核素受热中子轰击,吸收一个中子后发生裂变(诱发裂变)。一个U核在裂变时放出的总能量为195MeV,同时放出2~3(平均2.5)个中子。只要其中一个中子引起另一个U核发生裂变,链式核裂变就会持续进行下去。U不是裂变核素,但U在反应堆活性区吸收中子后生成U,U再经两次β衰变生成能裂变的Pu。因此,可以利用快中子增殖堆充分发挥U的作用,提高天然铀的利用率 。

铀(yóu)英文名Uranium,得名于天王星的名字“Uranus”。1789年M.H.克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)首先从沥青铀矿中发现了“铀”,就用1781年新发现的一个行星——天王星命名它为uranium,元素符号定为U。但1841年E.M.佩利若(Eugene-Melchior Peligot)证明该物质系二氧化铀,随后用钾还原UCl4制备了金属铀。1896年A.H.贝可勒尔(Antoine Henri Becquerel)发现了铀的放射性现象。那时对铀的研究属纯理论性的,铀化合物只用于玻璃和陶瓷的着色。1898年在铀矿中发现了镭,铀便成为开采镭的副产品。1938年O.哈恩(Otto Hahn)和F.施特拉斯曼(Fritz Strassmann)用中子轰击铀核发现核裂变同时释放出能量,引起了人们重新对铀的重视。第二次世界大战期间和战后,由于核武器和核动力的需要,加速了铀资源的勘探和开采 。

美国为此设立了专门研究原子弹的机构。1945年美国在日本广岛投掷了第一颗Pu原子弹,几天后又在日本长崎投下了一颗U原子弹。1954年苏联建成了第一座核电站。从此,铀的科研和生产受到世界各国的高度重视,核武器制造和核发电工业便得到迅速发展。中国的铀工业自20世纪50年代兴起,已形成完整的和具有相当规模的科研和工业生产体系 。

铀有多种化合物,主要铀化合物的化学式、存在形态和用途列于下表 。

名称

化学式

存在形态

用 途

二氧化铀

UO2

深褐色或黑色粉末

制造反应堆元件或

生产UF4

三氧化铀

UO3

无定形UO3或α-UO3,褐色,β-UO3橙色粉末,γ-UO3

亮黄色,δ-UO3红色,Σ-UO3砖红色,η-UO3棕色

还原成UO2

八氧化三铀

四氟化铀

六氟化铀

U3O8

UF4

UF6

橄榄绿色(有时呈墨绿或黑色)粉末翠绿色晶体(绿盐)

室温下近于白色固体,在309K温度升华,最易挥发的铀化合物

储存、还原成UO2制取金属铀或UF6

同位素分离,浓缩

U

硝酸铀酰

UO2(NO3)2

UO2(NO32·6H2O亮黄色晶体

脱硝成UO3

重铀酸铵

(NH4)2U2O7

黄色沉淀物(俗称“黄饼”)质量好的呈片状结晶

热分解成UO2

UO3

三碳酸铀酰铵

(NH4)4UO2(CO3)3

淡黄色晶体

热分解成UO2

铀能与多种金属生成金属间化合物。铀具有化学性质活泼、各向异性结构和机械性能较差等缺陷。铀合金的某些性质优于金属铀,这在核燃料元件制造中相当重要。添加适量的其他金属,如铌、铬、钼或锆能改善铀的热导率、晶体结构及金相结构、热处理特性、辐照稳定性和耐蚀性等 。

贫铀弹即利用贫铀合金制造的一种高效燃烧穿甲弹,它借助贫铀材料密度大(铅密度的2倍)、强度大(钢强度的3倍)和穿透力强,且易燃烧的特点制作而成,贫铀合金含U、U等,贫铀弹爆炸后残留的U等能损害肾脏、神经系统,可导致肺癌等。密度、硬度较大的贫铀合金,还可制作防辐射材料等 。

铀广泛存在于地壳和海水中。海水中铀的浓度为3×10%,地壳丰度为2.3×10%,但在地壳中很分散 。

铀矿物按成因可分为原生铀矿和次生铀矿两大类。除沥青铀矿外,原生铀矿均存在于伟晶岩中,原生矿物经风化和热液作用易转变成各种次生矿物。铀矿的成因、产状、含铀量及伴生矿物和围岩均会影响到铀矿的加工工艺 。已发现的铀矿物和含铀矿物约有500多种。其中常见并具有工业实用价值的仅二三十种。下表所列为重要的铀矿物 。

类型

矿物名称

组 成

铀含量(质量分数ω)/%

原生铀矿

沥青铀矿

晶质铀矿

钛铀矿

UO2·mUO3·nPbO

(U,Th)O2·mUO3·nPbO

(U,Ce,Fe,Y,Th)3Ti5O16

40~76

65~75.4

< 40

次生铀矿

水(沥青)铀矿

UO2·mUO3·nH2O

铜铀云母

钙铀云母

钾钒铀矿

钒钙铀矿

Cu(UO2)2(PO4)2·(8~12)H2O

Ca(UO2)2(PO4)2·(8~12)H2O

K2(UO2)2(VO4)2·(1~3)H2O

Ca(UO2)2(VO4)2·8H2O

50

50

50

50~60

除澳大利亚、加拿大有一些较大的富铀矿床(含铀1%~10%)外,大多数铀矿的含铀品位为0.1%~0.2%。铀水冶厂大多直接处理铀原矿,但通过选矿能提高矿石品位,降低成本。一些国家正采用放射分选机对块状铀矿石进行选矿。为了综合利用或改善铀矿石加工性能,有的矿石还需经配矿、焙烧等预处理 。

此外,含铀的磷酸盐矿、褐煤、页岩、铀矿水、含铀铜废石堆浸液和海水等都可成为提铀的原料。例如,1988年美国从湿法磷酸等副产品中回收的铀达1500t,约占其总产量5190t铀的29% 。

铀通常被人们认为是一种稀有金属,尽管铀在地壳中的含量很高,比汞、铋、银要多得多,但由于提取铀的难度较大,所以它注定了要比汞这些元素发现的晚得多。尽管铀在地壳中分布广泛,但是只有沥青铀矿和钾钒铀矿两种常见的矿床 。

地壳中铀的平均含量约为百万分之2.5,即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀,这比钨、汞、金、银等元素的含量还高。铀在各种岩石中的含量很不均匀。例如在花岗岩中的含量就要高些,平均每吨含3.5克铀。在地壳的第一层(距地表 20 km)内含铀近1.3×10吨。依此推算,一立方公里的花岗岩就会含有约一万吨铀。海水中铀的浓度相当低,每吨海水平均只含3.3毫克铀,但由于海水总量极大(海水中总含铀量可达 4.5×10吨),且从水中提取有其方便之处,所以不少国家,特别是那些缺少铀矿资源的国家,正在探索海水提铀的方法 。

由于铀的化学性质很活泼,所以自然界不存在游离态的金属铀,它总是以化合状态存在着。已知的铀矿物有一百七十多种,但具有工业开采价值的铀矿只有二、三十种,其中最重要的有沥青铀矿(主要成分为八氧化三铀))、品质铀矿(主要成分为二氧化铀)、铀石和铀黑等。很多的铀矿物都呈黄色、绿色或黄绿色。有些铀矿物在紫外线下能发出强烈的荧光。正是铀矿物(铀化合物)这种发荧光的特性,才导致了放射性现象的发现 。

虽然铀元素的分布相当广,但铀矿床的分布却很有限。铀资源主要分布在美国、加拿大、南非、西南非、澳大利亚等国家和地区。据估计,已探明的工业储量到1972年已超过一百万吨 。

铀及其一系列衰变子体的放射性是存在铀的最好标志。人的肉眼虽然看不见放射性,但是借助于专门的仪器却可以方便地把它探测出来。因此,铀矿资源的普查和勘探几乎都利用了铀具有放射性这一特点:若发现某个地区岩石、土壤、水、甚至植物内放射性特别强,就说明那个地区可能有铀矿存在 。

铀的提取冶金具有三个特点。第一,铀矿石的品位很低,一般含铀(U+U) 0.1%~0.2%,而其中U仅为0.0007%~0.0014%,为获得核纯铀,必须经过一系列富集、提纯过程。第二,核纯金属铀需再经同位素分离,制成不同丰度的浓缩U。第三,工艺过程繁杂,并存在辐射危害问题。因此,铀生产技术难度大,安全防护要求严格 。

除了就地浸出以及从其他含铀物料提铀外,铀的提取冶金都是从铀矿石(原矿或精矿)开始的,通常包括铀提取、四氟化铀制取、金属铀制取、六氟化铀制取、铀同位素分离、制取含浓缩U的金属铀和铀燃料元件加工等主要步骤 。

(1)铀提取。包括铀矿石的浸出、液固分离、富集、提纯(常用离子交换或溶剂萃取法)及沉淀产物热分解制取核纯UO2或U3O8

(2)四氟化铀制取。将UO2(U3O8可用氢还原成UO2)氢氟化成四氟化铀(绿盐) 。

(3)金属铀制取。用金属钙或镁将UF4还原成金属铀,金属铀再经精炼、浇铸、加工、锻造(或挤压)成形、包壳等处理制成天然铀的反应堆元件,供生产裂变元素Pu用 。

(4)六氟化铀制取。将UF4氟化成UF6

(5)铀同位素分离。利用U与U质量之间的微小差异,通过对UF6的气体扩散(或离心分离),制取不同丰度的浓缩UF6

(6)制取含浓缩U的金属铀。将浓缩UF6经氢还原成UF4,再转化成浓缩UO2。用钙或镁还原UF4制成含浓缩U的金属铀 。

(7)铀燃料元件加工。将浓缩UO2或金属铀进一步加工制成反应堆燃料元件或其他最终产品 。

铀及其化合物既会放出危害生物的射线,又有化学毒性,在生产过程中必须采取安全防护措施。安全防护措施的主要内容包括严防粉尘及氡气进入人体;使生产场地的辐射剂量低于放射性卫生防护规定的限值;排放的三废经处理后必须达到国家规定的排放标准。要注意浓缩铀产物临界安全 。

利用低品位铀矿石及其他含铀物料以扩大铀资源。重视铀的就地浸出、堆浸、细菌浸出等浸出方法的开发和推广应用,以节省能耗和降低生产成本。开发并推广应用快中子增殖堆,提高天然铀的利用率。研究开发无废物工艺,减轻铀对环境的污染。发展节能的离心法、激光法等同位素分离方法,替代耗能高的扩散法 。

自然界里U不会发生核裂变,通常,U也不会发生裂变,只有U易发生核裂变,核燃料主要指U。U半衰期为7.038×10年,从U开始,经过11次连续衰变,最后出现稳定的Pb。U半衰期为4.468×10年,从U开始,经过14次连续衰变,最后出现稳定的Pb-206。U连续衰变中,子核半衰期最长的是U,它的半衰期是2.45×10年 。

U、U和Pu是主要的核裂变物质,可直接做核燃料,它们能大量获得、并易吸收慢中子(能量小于1eV)并发生裂变,U、U则不行。U存在于天然铀中,U和Pu要靠铀核反应堆生产。U、U 和Pu,任何能量的中子均可使它们分裂、释放能量;对U来说,速度越慢的中子越易引起裂变。U吸收一个中子,也可转变为裂变物质 。

U和U都能自发裂变,但后者自发裂变的几率很小 。

研究表明,U吸收慢中子后,有40多种裂变方式,至少能生产36种元素的300多种核素和快中子(平均2.5 个),并释放巨大能量。铀核裂变生成物除中子外,通常有两种(两分裂)裂变物,还有三种(三分裂)和四种裂变物(1946 年,我国物理学家钱三强等在法国发现),“三分裂”几率极小。除中子外,铀核“两分裂”的碎块有许多组合方式,碎块质量比大致为3:2的发生几率最大,碎块质量相同的机会极小;铀“三分裂”,其中一块是α粒子,“三分裂”发生的几率是“二分裂”的3/1000。统计表明,U裂变发射的中子能量(动能)在 0.1-20MeV范围,平均为2MeV。仅有快中子不能使天然铀产生持续的裂变链式反应,慢中子也不能使U发生裂变,持续的裂变反应在U中不可能发生。U和Pu等,除中子可引发其核裂变外,具有足够能量的带电粒子或 γ 射线等也能引发裂变。此外,铀对约25eV的中子还会产生俘获共振,即俘获而不裂变 。

U结合能小,核裂变势垒较低,任何能量的中子都能使它裂变,且对慢中子(中子速率为2.2×10m/s,与常温下气体分子运动速率相当。这样,它在铀核附近的时间相对较长,容易击中铀核使之裂变)有很大的裂变截面(裂变几率大)。U吸收一个慢中子,通常先形成激发态的U(复核),然后裂变成两块,同时释放中子和能量等。热中子(慢中子的一种)反应堆里,U热中子裂变截面比U的热中子裂变截面要大200 倍,这样,就会有足够数量的中子引起U核裂变,这可弥补天然铀或浓缩铀中U含量较少之弱点;这种反应堆工作时,铀的利用率为1%-2% 。

U(Pu、Th)裂变是有阀的,小于1.1MeV的中子会被其吸收或散射,不能引发裂变;较大能量的中子才能使它们裂变,但可能性又极小。U结合能较大,裂变势垒较高,能量超过1.4MeV的快中子才能使它裂变,释放的中子能量较大。研究显示,U在几MeV以上有很多共振吸收峰,其裂变几率随中子能量增大而增大。U不易产生裂变,但吸收中子后能变成Pu和U等较好的核裂变物质。热中子被U俘获的几率是热中子使U裂变几率的1/190左右。快中子同U核的主要作用是非弹性碰撞,大部分中子都是通过非弹性碰撞降低能量,再在多次碰撞中被U核吸收 。

铀材料里U的含量高于 0.7%即浓缩铀。铀是重要的核燃料和原子弹核心材料,现在使用的铀材料都需提炼、浓缩,使之达到一定的纯度。比如,制造一颗原子弹至少需 20-50 千克的高浓缩铀(也可用钚造原子弹),其浓缩纯度应达到 90%以上 。

铀矿石里U的含量很低,绝大部分是U,铀矿石不能像煤块那样直接做燃料,它类似于大部分是泥沙的煤饼,没法燃烧。铀元素同位素的丰度(一元素的同位素混合物里,某同位素的原子数和总的原子数之比) 可通过工艺处理使之增大,以获得该元素浓缩的某种同位素,如U,U与U物理性质稍有不同,主要是相对质量不同,这导致它们形成的化合物微粒质量会有点差异。利用铀天然同位素原子量不同进行分离,可使铀材料中U对U的比值较天然铀高,从而获得裂变材料——浓缩铀。“浓缩”主指提高某元素特定同位素丰度的同位素分离过程,如由天然铀生产浓缩铀或由普通水生产重水等 。

浓缩铀同位素目的即提高U相对于U等的相对丰度(浓度),使天然U的相对含量高于0.7%的铀,即浓缩铀,铀燃料中U的含量达到3%以上才有可能持续“燃烧”;浓缩铀有:3%、3.5%、20%浓缩铀等品种。许多核反应堆和核武器中所用的铀,必须对其浓缩,即须提高易核裂变的U浓度,然后将其制成燃料。大多核电厂核反应堆用的铀燃料U浓度约在3%左右、不超过5%。核武器里的铀材料U浓度需在90%以上;核舰船所用的铀燃料为20%或更低浓度的铀。国际原子能机构界定:U丰度为3%的铀材料属核电站用低浓缩铀(工业级核燃料),常是铀盐或氧化铀;丰度大于80%的铀材料为高浓缩铀,丰度大于90%的则是武器级(军用)高浓缩铀,主要用于制造核武器;另一种划分是:高浓缩铀(丰度在 20%以上),低浓缩铀(2%- 20%,商用浓缩铀)、微浓缩铀(0.9%- 2%)和武器级浓缩铀(90%以上)。铀浓缩浓度达到20%是一节点与难关,由此再提高铀浓缩度则是一相对容易实现的过程 。

获得铀材料需经过一系列复杂的工艺,要经过探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼等流程,分离、浓缩是主要和较难的流程,科技含量高。铀矿石经碾磨、分选后得到的较纯净铀矿产品,即铀精矿,又叫“黄饼”,主成分是八氧化三铀和重铀酸钠、重铀酸铵,它是核燃料生产过程中的一种中间产品。通常,获得1千克武器级U需要200多吨较高品位的铀矿石 。

不论是和平利用核能,还是制造核能武器,浓缩铀都是必需的。至2006年11月,世界上运行或在建的470座商业核电反应堆大多是以浓缩铀为燃料;到2010年,全球至少已有1600吨高浓缩铀(还有500 吨钚),我国是世界上第四个(美、英、苏后) 独立掌握浓缩铀生产技术的国家;20世纪60年代前期,我国先后建立了衡阳铀水冶厂和兰州气体扩散厂,获得了浓缩铀(1958年5月,兰州始建我国首座铀浓缩生产企业,它先后为我国的第一颗原子弹、第一颗氢弹、第一艘核潜艇和第一座核电站,提供了优质核燃料)。2011年,哈佛大学肯尼迪学院下属贝尔福尔中心的研究报告说,中国拥有军用级铀16吨、钚1.8吨 。

因涉及核武器问题,铀浓缩技术一直是国际社会严禁扩散的敏感技术,国际原子能机构与联合国希望能控制各国铀浓缩活动。中国台湾曾有核计划。1985年起,罗马尼亚秘密的从事武器级浓缩铀提炼工作;1991年,罗马尼亚政府同样将其核设备、核研究置于国际原子能机构监管之下;2003年,美国、俄罗斯将其十几千克、浓度达 80%的浓缩铀运到俄罗斯予以处理。利比亚违反国际承诺,秘密获得铀浓缩技术以发展核武器,2003年“伊拉克战争”后,该国向西方妥协将有关设备、图纸交给了美国、英国 。

除几个核大国外,日本、德国、印度、以色列、巴基斯坦、阿根廷、朝鲜(2011年1月,联合国安理会“对朝制裁委员会”专家组拟订了《朝鲜铀浓缩计划报告》,以期防止核扩散、核竞赛升级)、伊朗(2011年6月12日,伊朗常驻国际原子能机构代表苏丹尼耶在第二届核裁军国际会议期间对新华社记者说,伊朗已生产出逾50公斤纯度为20%的浓缩铀,伊朗的目标是有120公斤这种核材料)等国都掌握了铀浓缩技术 。

提纯、浓缩U的技术较复杂,铀元素的各种同位素,如同“孪生姐妹”,物理性质与化学性质十分相似。利用同位素在物理、化学性质上的微小差异,通过扩散、蒸发或化学交换等方法与过程,可使铀元素同位素的比例发生变化。用同位素分离法处理天然铀,可增加铀U的浓度,使天然铀里U的相对含量高于0.7%,进而获得供多种需要的不同浓度的铀材料。工业规模分离铀同位素的技术(适用于提高U-235 浓度)有气体扩散法、气体离心法、离子交换法以及蒸馏法、电解法、电流法、液体热扩散法、电磁分离法和激光分离法等。这些浓缩方法,工艺过程都复杂,投资大、耗能高、且产量低,即生产铀燃料成本较大 。

这是最早、最成熟的浓缩方法,也是商业开发的第一种浓缩方法,它据分子渗透、扩散原理,利用不同质量铀同位素转化为气态时运动速率的不同而进行分离。UF6是一种剧毒、腐蚀性强和有放射性的白色晶体,加热后升华为气体。由于U、U的质量数不同,所以UF6气体中二者的分子质量也不同,UF6里U的质量数是349、U的质量数是352。当高压UF6混合气体(铀同位素的混合气体)透过级联安装的多孔薄膜时,UF6中U-235轻分子气体会比UF6中U重分子的气体更快地通过多孔膜。通过膜管的气体立即被泵送到下一级,留在膜管中的气体则返回到较低级再循环。在每一个气体扩散级中U与U浓度比仅略有增加,如此分离、浓缩到工业级U浓度则需1000级以上 。

该技术的核心是多孔扩散分离膜(苏联曾叫它是“社会主义阵营安全的心脏”),我国于1964年研制出优质的分离膜元件(时称甲种分离膜,该技术获1984 年国家发明一等奖)。分离膜是每平方分米有数百万个超微细孔的多孔薄金属板或薄膜,将这些薄膜(板)卷成管子并装在密封的扩散器里,当UF6气体加压送到由这些管子组成的级联装置中,混合气体便会逐渐被分离,含U多的浓缩UF6气体沿着级联装置向前流动,含U多的稀薄 UF6气体则因流动滞后而落下、分流了。该方法扩散、浓缩过程需要几千个连续的级联装置,连续扩散可将UF6混合气体里含U的分子与含U的分子分离,再用化学方法处理已浓缩的UF6-U气体分子,进而获得U。这种方法铀浓缩的效率不高、能耗大 。

1919年,德国科学家G.瑞皮完成了气体离心机的基本设计。铀浓缩离心机概念和应用则是20世纪 30-40年代由美囯弗吉尼亚大学的高速离心机专家J.W.伯莫斯提出的。1934年,伯莫斯成功地分离了两种氯同位素;1941年,他和同事利用离心机首次成功地分离了铀同位素。分离共设计了3种离心机,其工作曾引起美国当时正实施的“曼哈顿计划”(研制原子弹的计划)领导人的注意,但美国最终选择了气体扩散法 。

气体离心法也适用于处理铀的混合液体或铀蒸汽,它使用独特设计的离心机使气体或液体能不间断地在各个离心机中流动,可连续运转加工铀气流或铀液体流。当前,浓缩铀常用这种机械式分离法。此法中,真空高速离心机是关键设备,国际上常把有无该设备作为判断一个国家是否进行核武器研究的标志。与气体扩散法相比,气体离心法工效较高、所需电能大幅减少,所以该法已被大多的浓缩铀工厂采用 。

将高压UF6气体注入高速转动的封闭式离心机里,由于质量存在差异,长时间旋转依靠惯性离心力,较轻的UF6中U分子大多集中在容器转轴处,较重的UF6-U分子则大多结集在边缘。若沿轴向从外部导入气流,并使转轴处的这股气体向上流动,边缘处外部导入的气体向下流动。如此,离心机下方收集的是较重的UF6-U气体,上方则是需要的、较轻的UF6-U气体。在近轴处富集的UF6-U气体被导出,再输送到下一台离心机继续分离——逐渐累积、纯化、浓缩。随着较轻的UF6-U气体穿过一系列高速离心机,其U同位素分子富集度会越来越大。最后,利用化学法处理已收集的、较轻的UF6-U气体,就可获得工业或军用级浓缩铀 。

通常,气体离心机厂需要几千台高速真空离心机连续、长期地工作才能得到武器级浓缩铀等(2010年下半年,因外界攻击,伊朗纳坦兹铀浓缩工厂至少有1/5的离心机因感染“震网”病毒被迫关闭;2011年2月末,国际原子能机构的报告说,该厂现有低纯度浓缩铀约3600公斤) 。

(1)激光分离法

气体离心法浓缩成本较高、效率也不理想,先进的浓缩法是激光分离法。利用激光浓缩铀,能降低生产成本。其原理基于激光有极好的单色性和原子核的同位素光谱位移等。各同位素原子核的中子数不同,它们的能级会发生同位素位移,发出的辐波长会有小差异。激光的单色性好,这样能做到用和某同位素原子核的辐射波长相同的激光去激发其中的某种原子,而不会把其他同位素原子一起激发,即用激光可单独地把同位素原子团中的某同位素原子先电离;再用电场将电离的原子从同位素混合物中单独分离出来,将这些原子激发到高能级;最后利用高能级的原子和基态的原子参加化学反应的活力不同,通过化学反应法便可把它分离,聚集后就获得了所需的同位素原子 。

激光分离法浓缩U,比其他方法优越,设备可大大简化,成本可大幅降低。据估计,该法生产投资约是气体扩散法的1/2,生产过程耗能只有气体扩散法的1/10左右。所以,多个国家已重视开发这种铀燃料生产技术。1977年美国开始研究用激光提纯浓缩铀,并证实此法的可行性等;1982年美国能源部确定,今后美国使用激光分离法生产铀燃料。此法利用U、U形成的化合物化学键的键能不同,利用激光单一频率的性质可有选择的使一种铀化合物的化学键断裂达到分离效果 。

激光分离技术现有激光原子法和激分子法:

1)原子法浓缩用的原料是提炼铀矿后的铀块,再把铀块加热到高温,形成铀原子蒸气,铀蒸气里含有U、U、U原子。然后用可见光波段的激光(如用铜蒸气激光泵浦的染料激光器)照射铀原子蒸气,调谐激光器的输出波长,让它落在U的原子吸收谱线中心,使U原子电离,但不激发或电离U原子等。然后,利用电场对通过收集板的U原子扫描、分离,如此U原子就从铀同位素混合气体里中分出来了。这种技术较成熟,已处于生产应用阶段 。

2)分子法浓缩法则依靠铀同位素吸收光谱上存在差异,它用的原料是铀的分子化合物(如 UF6),先用中红外波段的激光(如波长16微米的激光)照射UF6混合气体分子,激光波长正好是让U化合物分子电离,U分子吸收了这些光子,能态会提高;再用紫外线激光器分解UF6混合气体分子,便可从中分离出U,最后让含U化合物通过分解反应,就可得到U。理论上它能生产出很纯的U等,但此法还未达到生产阶段;从发展潜力看,分子法则比原子法优越。分子法浓缩用的原料是铀的分子化合物,原料来源较丰富,且分离过程不需加热;原子法浓缩则需加热到2000多℃,高温铀蒸气有很强的腐蚀性。相对而言,分子激光法生产设备较简单,成本较低 。

分子激光法只能用于浓缩UF6,不适于纯化、浓缩金属钚(制造原子弹等更好的核材料)的化合物;原子激光法既能浓缩金属铀,也能浓缩金属钚。可见,分子激光法比原子激光法在防核扩散方面会有利一些 。

(2)气体动力学法

该技术将UF6气体与氢或氦的混合气体经过压缩高速通过一个喷嘴,然后穿过一个特定的曲面,这样便可获得从铀的混合气体中分离U同位素的离心力。气体动力学分离法为实现浓缩纯度所需的级联比气体扩散法少,但它需大量的电能。UF6与氢的混合气体在离心机中的涡流板上高速离心旋转后,UF6气体浓缩流和UF6气体贫化流分别由两条管道流出;处理收集的已经多次分离的UF6气体浓缩流,最后可得到浓缩铀 。

(3)电磁分离法

铀同位素电磁分离浓缩技术,基于电离的原子在磁场作圆周运动时,质量不同的离子因旋转半径不同而被分离。它是使铀同位素原子离子同时穿过电磁体的磁场,由于U圆周运动半径与U不同而被分离。这是20 世纪40年代初使用的技术,伊拉克20世纪80年代的实验研究表明,该技术与当代电子学结合能生产武器级铀材料 。

(4)离子交换法

铀的几种同位素在质量上的微小差异,能引起化学反应平衡的小的变化,这可用来作同位素分离的基础。该方法有两种工艺过程:液—液化学交换过程和固—液离子交换过程,后者须用直径大于1米离子交换柱,这是一耐腐蚀、耐高压的圆筒状柱。1964年10月,我国爆炸的第一颗原子弹就是用此法浓缩的U制造而成的。当时,以放射化学家杨承宗(1951年6月,他获得巴黎大学理学院博士学位,其答辩通过的博士论文就是《离子交换法分离放射性元素的研究》)为首的我国科研人员,在通州“五所”(铀浓缩研究所)利用离子交换法纯化处理了上百吨各种土法冶炼生产的重铀酸铵。经过两年多的奋战,他们生产出了2.5 吨符合原子弹原料要求的纯铀化合物,提前3个月为我国成功试爆原子弹提供了核心物质 。

1942年前铀主要用作玻璃和陶瓷的着色剂,用量很少。随着U链式核裂变反应的被发现,核裂变释放的巨大能量 (1kgU释放的裂变能相当于1800tTNT炸药)引起人们的注意,首先用于制造原子弹、氢弹 。

从50年代后期开始,铀被越来越多地用作核发电的核燃料。1kgU核完全裂变所释放的能量相当于燃烧2700t优质煤所放出的能量 。

此外,铀核反应堆也可用作辐照源,用于农业辐照育种、食品工业食品保鲜和灭菌,也可用于生产人造元素。在医药方面用于放射治疗、放射免疫药盒、造影诊断等,在工业和地质等方面用于工业探伤、自动控制、地质勘探和文物考古等 。

科学研究及工业实践证明,铀是惟一的一次天然核燃料,核能工业必须依靠铀。由于核能工业具有和平和军事应用两种目的,因此铀便成为一种特殊商品金属,其生产受到政治、社会和经济多种因素的影响。20世纪40~50年代,铀主要用于核武器,50年代以后主要用于核发电。世界铀的产量长期供过于需,有大量库存。国际市场每公斤U3O8的价格从1978年初的97美元降至1990年的19.84美元。西方国家铀年产量亦由1980年的43960t降至1985年的35278t。但在这段时期内,核电站发展迅速,1980年装机总容量为1.35亿kW,1989年增至3.18亿kW。1985年铀的年产量低于核发电的需要量 。

把常规炸药有规律地安放在铀的周围,然后使用电子雷管使这些炸药精确的同时爆炸,产生的巨大压力将铀压到一起,并被压缩,达到临界条件,发生爆炸。或者将两块总质量超过临界质量的铀块合到一起,也会发生猛烈的爆炸。临界质量是指维持核子连锁反应所需的裂变材料质量。不同的可裂变材料,受核子的性质(如裂变横切面)、物理性质、物料形状、纯度、是否被中子反射物料包围、是否有中子吸收物料等等因素影响,而会有不同的临界质量。刚好可能以产生连锁反应的组合,称为已达临界点。比这样更多质量的组合,核反应的速率会以指数增长,称为超临界。如果组合能够在没有延迟放出中子之下进行连锁反应,这种临界被称为即发临界,是超临界的一种。即发临界组合会产生核爆炸。如果组合比临界点小,裂变会随时间减少,称之为次临界。核子武器在引爆以前必须维持在次临界。以铀核弹为例,可以把铀分成数大块,每块质量维持在临界以下。引爆时把铀块迅速结合。投掷在广岛的“小男孩”原子弹是把一小块的铀透过枪管射向另一大块铀上,造成足够的质量。这种设计称为“枪式” 。


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