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指處於金屬狀態的鈾。 引表面具有銀白色金屬光澤,熔點1130℃,100℃時的熱導率為0.25W/(cm·℃)。 金屬鈾多用作石墨或重水型生產堆棒狀燃料元件的燃料芯,用熱中子吸收截面較小的鋁、鎂及其合金作包殼材料。 鈾與鋯、鉬、鈮等許多金屬組成的合金,具有良好的機械性能、耐腐蝕和抗輻照性能。 金屬鈾的化學性質很活潑,能自燃。 氧化性的酸,如硝酸可快速溶解鈾。 工業上金屬鈾系通過四氟化鈾(UF4)的鈣(鎂)金屬熱還原法來製備的。 圖:金屬鈾引

1鈾元素簡介

元素原子量
238.0
元素描述
緻密而有延展性的銀白色放射性金屬。鈾在接近絕對零度時有超導性,有延展性。鈾的化學性質活潑,易與絕大多數非金屬反應,能與多種金屬形成合金。鈾最初只用做玻璃著色或陶瓷釉料,1938年發現鈾核裂變后,開始成為主要的核原料。
原子體積:(立方厘米/摩爾)
12.59
發現年代
1789年
元素物理特性
密度19.05±0.02克/立方厘米
熔點1132℃
沸點3818℃
元素在太陽中的含量:(ppm)
0.001
元素在海水中的含量:(ppm)
0.00313
晶體結構:晶胞為正交晶胞。
晶胞參數:
a = 285.37 pm
b = 586.95 pm
c = 495.48 pm
α = 90°
β = 90°
γ = 90°
共有三種結晶變體:斜方晶體、四方晶體、體心立方體。鈾是銀白色活潑的金屬,可延展、鍛造,能和所有的非金屬作用(惰性氣體除外)。和許多金屬作用,生成金屬間化合物。在空氣中易氧化,生成一層發暗的氧化膜,能與酸作用,以U-234、U-235、U-238混合體存在於鈾礦中。少量存在於獨居石等稀土礦石中。U-238的半衰期為45億年。
元素用途
千百年來鈾一直被用作給玻璃染色的色素,古代使用的顏料鈾黃就是一個典型的例子然而現在純金屬鈾主要用作核反應堆和原子彈中使用的核燃料。少量用於電子管製造業中的除氧劑和惰性氣體提純(用於除氧等)。

元素輔助資料

200年前發現的一種普通的金屬元素居然會成為今天核動力和核武器的原料。就是在20世紀40年代以前,這種普通的金屬一直被看作是沒有什麼用處的東西,這就是鈾。鈾通常被人們認為是一種稀有金屬,儘管鈾在地殼中的含量很高,比汞、鉍、銀要多得多,但由於提取鈾的難度較大,所以它註定了要比汞這些元素髮現的晚得多。儘管鈾在地殼中分佈廣泛,但是只有瀝青鈾礦和鉀釩鈾礦兩種常見的礦床。人們認識鈾正是從這兩種礦石開始。
相對原子質量:238
常見化合價: +2,+3,+4,+5,+6
電負性: 0
外圍電子排布:5f3 6d1 7s2
核外電子排布: 2,8,18,32,21,9,2
同位素及放射線:
U-230[20.8d]
U-231[4.2d]
U-232[70y]
U-233[159000y]
U-234(放 α[247000y])
U-235(放 α[700040000y])
U-236[23400000y]
U-237[6.75d]
U-238(放 α[4479000000)
電子親合和能: 0 KJ·mol-1
第一電離能: 0 KJ·mol-1   第二電離能: 0 KJ·mol-1   第三電離能: 0 KJ·mol-1
單質密度: 18.95 g/cm3
單質熔點: 1132.0 ℃
單質沸點: 3818.0 ℃
原子半徑: 0 埃
離子半徑: 0.81(+6) 埃
共價半徑: 0 埃
名稱由來:Uranium得名於天王星的名字「Uranus」。
電子構型: 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10f14 5s2p6d10f3 6s2p6d1 7s2

2鈾的開採提煉

最重的天然元素鈾已經成為新能源的主角,那麼鈾又是怎樣提煉出來的呢?
在居里夫婦發現鐳以後,由於鐳具有治療癌症的特殊功效,鐳的需要量不斷增加,因此許多國家開始從瀝青鈾礦中提煉鐳,而提煉過鐳的含鈾礦渣就堆在一邊,成了「廢料」。
然而,鈾核裂變現象發現后,鈾變成了最重要的元素之一。這些「廢料」也就成了「寶貝」。從此,鈾的開採工業大大地發展起來,並迅速地建立起了獨立完整的原子能工業體系。
鈾是一種帶有銀白色光澤的金屬,比銅稍軟,具有很好的延展性,很純的鈾能拉成直徑0.35毫米的細絲或展成厚度0.1毫米的薄箔。鈾的比重很大,與黃金差不多,每立方厘米約重19克,像接力棒那樣的一根鈾棒,竟有十來公斤重。
鈾的化學性質很活潑,易與大多數非金屬元素髮生反應。塊狀的金屬鈾暴露在空氣中時,表面被氧化層覆蓋而失去光澤。粉末狀鈾於室溫下,在空氣中,甚至在水中就會自燃。美國用貧化鈾製造的一種高效的燃燒穿甲彈—「貧鈾彈」,能燒穿30厘米厚的裝甲鋼板,「貧鈾彈」利用的就是鈾極重而又易燃這兩種性質。
鈾元素在自然界的分佈相當廣泛,地殼中鈾的平均含量約為百萬分之2.5,即平均每噸地殼物質中約含2.5克鈾,這比鎢、汞、金、銀等元素的含量還高。但是鈾在各種岩石中的含量很不均勻。例如在花崗岩中的含量就要高些,平均每噸含3.5克鈾。依此推算,一萬立方公里的花崗岩就會含有約一萬噸鈾。海水中鈾的濃度相當低,每噸海水平均只含3.3毫克鈾,但由於海水總量極大,且從水中提取有其方便之處,所以現在不少國家,特別是那些缺少鈾礦產資源的國家,正在探索海水提鈾的方法。
由於鈾的化學性質很活潑,所以自然界不存在遊離的金屬鈾,它總是以化合狀態存在著。已知的鈾礦物有一百七十多種,但具有工業開採價值的鈾礦只有二、三十種,其中最重要的有瀝青鈾礦(主要成分為八氧化三鈾)、品質鈾礦(二氧化鈾)、鈾石和鈾黑等。很多的鈾礦物都呈黃色、綠色或黃綠色。有些鈾礦物在紫外線下能發出強烈的熒光,正是鈾礦物(鈾化合物)這種發熒光的特性,才導致了放射性現象的發現。
雖然鈾元素的分佈相當廣,但鈾礦床的分佈卻很有限。國外鈾資源主要分佈在美國、加拿大、南非、西南非、澳大利亞等國家和地區。據估計,國外已探明的工業儲量到1972年已超過一百萬噸。隨著勘探活動的廣泛和深入,鈾儲量今後肯定還會增加。中國鈾礦資源也十分豐富。
鈾礦是怎樣尋找的呢?鈾及其一系列衰變子體的放射性是存在鈾的最好標誌。人的肉眼雖然看不見放射性,但是藉助於專門的儀器卻可以方便地把它探測出來。因此,鈾礦資源的普查和勘探幾乎都利用了鈾具有放射性這一特點:若發現某個地區岩石、土壤、水、甚至植物內放射性特彆強,就說明那個地區可能有鈾礦存在。
鈾礦的開採與其它金屬礦床的開採並無多大的區別。但由於鈾礦石的品位一般很低(約千分之一),而用作核燃料的最終產品的純度又要求很高(金屬鈾的純度要求在99.9%以上,雜質增多,會吸收中子而妨礙鏈式反應的進行),所以鈾的冶鍊不象普通金屬那樣簡單,而首先要採用「水冶工藝」,把礦石加工成含鈾60~70%的化學濃縮物(重鈾酸銨,黃餅),再作進一步的加工精製。
鈾水冶得到的化學濃縮物(重鈾酸銨)呈黃色,俗稱黃餅子,但它仍含有大量的雜質,不能直接應用,需要作進一步的純化。為此先用硝酸將重鈾酸銨溶解,得到硝酸鈾醯(硝酸雙氧鈾,【UO2(NO3)2】)溶液。再用溶劑萃取法純化(一般用磷酸三丁酯作萃取劑),以達到所要求的純度標準。
純化后的硝酸鈾醯溶液需經加熱脫硝,轉變成三氧化鈾,再還原成二氧化鈾。二氧化鈾是一種棕黑色粉末,很純的二氧化鈾(製作成柱狀)本身就可以用作反應堆的核燃料。
為製取金屬鈾,需要先將二氧化鈾與無水氟化氫反應,得到四氟化鈾;最後用金屬鈣(或鎂)還原四氟化鈾,即得到最終產品金屬鈾。如欲製取六氟化鈾以進行鈾同位素分離,則可用過量的氟氣與四氟化鈾反應。
至此,能作核燃料使用的金屬鈾和二氧化鈾都生產出來了,只要按要求製成一定尺寸和形狀的燃料棒或燃料塊(即燃料元件),就可以投入反應堆使用了。但是對於鈾處理工藝來說,這還只是一半。
我們知道,核燃料鈾在反應堆中雖然要比化學燃料煤在鍋爐中使用的時間長得多,但是用過一段時間以後,總還是要把用過的核燃料從反應堆中卸出來,再換上一批新的核燃料。從反應維中卸出來的核燃料一般叫輻照燃料或「廢燃料」。燒剩下的煤渣一般都丟棄不要了,可這種不能再使用的廢燃料卻還大有用處呢!
廢燃料之所以要從反應堆中卸出來,並不是因為裡面的裂變物質(鈾235)已全部耗盡,而是因為能大量吸收中子的裂變產物積累得太多,致使鏈式反應不能正常進行了。所以,廢燃料雖「廢」,但裡面仍有相當可觀的裂變物質沒有用掉,這是不能丟棄的,必須加以回收。而且在反應堆中,鈾238吸收中子,生成鈈239。鈈239是原子彈的重要裝葯,它就含在廢燃料中,這就使得用過的廢燃料甚至比沒有用過的燃料還寶貴。除此而外,反應堆運行期間,還生成其它很多種有用的放射性同位素,它們也含在廢燃料中,也需要加以回收。
從原理上講,廢燃料的處理與天然鈾的生產並無多大差別。一般先把廢燃料溶解,再用溶劑萃取法把鈾、鈈和裂變產物相互分開,然後進行適當的純化和轉化。但實際上,廢燃料的處理是十分困難的。世界上很多國家都能生產天然鈾,很多國家都有反應堆,但是能處理廢燃料的國家卻並不多。
廢燃料的處理有三個特點:一是廢燃料具有極強的放射性,它們的處理必須有嚴密的防護設施,並實行遠距離操作;二是廢燃料中鈈含量很低而鈈又極貴重,所以要求處理過程的分離係數和回收率都很高;三是鈈能發生鏈式反應,因此必須採取嚴格的措施,防止臨界事故的發生。目前,廢燃料的處理大都採用自動化程度很高的磷酸三丁酯萃取流程。
我們看到,在鈾處理的工藝鏈中,相對於反應堆而言,鈾水冶工藝在反應堆之前進行,所以通常叫做前處理,廢燃料處理在反應堆之後進行,所以通常叫做后處理。而從鈾礦石加工開始的整個工藝過程,包括鈾同位素分離以及核燃料在反應堆中使用在內,一般總稱為核燃料循環。
從以上極為簡單的介紹就可以看出,鈾和鈈確是得之不易的。原子能工業猶如一條長長的巨龍,要最重的天然元素鈾做出轟轟烈烈的事業,得經過多少次加工和處理、分析和測量、計算和核對啊!原子能工業又猶如一座高高的金字塔,要製造一顆原子彈,就要使用一、二十公斤鈾235或鈈239;要生產一、二十公斤鈾235或鈈239,就要消耗十來噸天然鈾;要生產十來噸天然鈾就要加工近萬噸鈾礦石。我們讚賞核電站的雄姿,驚嘆原子彈的威力,可千萬不能忽視支撐這座金字塔塔尖的無數塊磚石啊!

3鈾與原子彈

鈾又是怎麼應用於原子彈的呢?
使用常規炸藥有規律的安放在鈾的周圍,然後使用電子雷管使這些炸藥精確的同時爆炸,產生的巨大壓力將鈾壓到一起,並被壓縮,達到臨界條件,發生爆炸。
或者將兩塊總質量超過臨界質量的鈾塊施加壓力合到一起,也會發生猛烈的爆炸。
臨界質量是指維持核子連鎖反應所需的裂變材料質量。不同的可裂變材料,受核子的性質(如裂變橫切面)、物理性質、物料形狀、純度、是否被中子反射物料包圍、是否有中子吸收物料等等因素影響,而會有不同的臨界質量。
剛好可能以產生連鎖反應的組合,稱為已達臨界點。比這樣更多質量的組合,核反應的速率會以指數增長,稱為超臨界。如果組合能夠在沒有延遲放出中子之下進行連鎖反應,這種臨界被稱為即發臨界,是超臨界的一種。即發臨界組合會產生核爆炸。如果組合比臨界點小,裂變會隨時間減少,稱之為次臨界。
核子武器在引爆以前必須維持在次臨界。以鈾核彈為例,可以把鈾分成數大塊,每塊質量維持在臨界以下。引爆時把鈾塊迅速結合。投擲在廣島的「小男孩」原子彈是把一小塊的鈾透過槍管射向另一大塊鈾上,造成足夠的質量。這種設計稱為「槍式」。 鈈核彈不能以這種方法引爆。第一枚鈈原子彈「胖子」的鈈是造成一個在次臨界以下的中空球狀。引爆時使用包圍在四周的炸藥把鈈擠壓,增加密度及減少空間,造成即發臨界。這成設計稱為「內爆式」。

4濃縮鈾

丰度為3%~10%的鈾235為核電站發電用低濃縮鈾,鈾235丰度大於80%的鈾為高濃縮鈾,其中丰度大於90%的稱為武器級高濃縮鈾,主要用於製造核武器。獲得鈾是非常複雜的系列工藝,要經過探礦、開礦、選礦、浸礦、煉礦、精鍊等流程,而濃縮分離是其中最後的流程,需要很高的科技水平。獲得1公斤武器級鈾235需要200噸鈾礦石。 由於涉及核武器問題,鈾濃縮技術是國際社會嚴禁擴散的敏感技術。目前除了幾個核大國(如美國、中國)之外,日本、德國、印度、巴基斯坦、阿根廷等國家都掌握了鈾濃縮技術。提煉濃縮鈾通常採用氣體離心法,氣體離心分離機是其中的關鍵設備,因此美國等國家通常把擁有該設備作為判斷一個國家是否進行核武器研究的標準。
現時的核電站使用的是鈾核燃料。鈾有三種同位素,即鈾234、鈾235和鈾238。其中的鈾234不會發生核裂變,鈾-238在通常情況下也不會發生核裂變,而鈾235這種同位素原子能夠輕易發生核裂變,或者說,做核燃料的實際上是鈾235。但是,從礦山裡開採出來的鈾(天然鈾)裡面,鈾235的含量卻又是很低,僅佔0.66%,絕大部分是鈾238,它佔了99.2%。這就相當於我們的煤餅廠或煉油廠,生產出的煤餅里大部分是泥沙,當然也就沒法燃燒。根據研究結果,在鈾核燃料中鈾235的含量要達到3%以上才能燃燒。因此,開採出來的鈾,並不同於開採出來的煤塊直接可以用做燃料,它需要經過提純、濃縮的手續,把鈾235的含量比例提高之後,方能用做燃料。
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