鈾(you)(Uranium)是原子序(xu)數為(wei)92的(de)元(yuan)素,其元(yuan)素符號是U,是自然(ran)界(jie)中能(neng)夠找到的(de)最(zui)重原生元(yuan)素。在(zai)(zai)自然(ran)界(jie)中存在(zai)(zai)三種同位素,均帶有(you)放射性,擁有(you)非常長的(de)半(ban)衰(shuai)期(qi)(數十萬年~45億年)。此外還有(you)12種人工同位素(226U~240U)。鈾(you)在(zai)(zai)1789年由馬(ma)丁(ding)·海因里(li)希·克拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)發現(xian)(xian)。鈾(you)化合物早期(qi)用于瓷器(qi)的(de)著色,在(zai)(zai)核裂變現(xian)(xian)象(xiang)被發現(xian)(xian)后(hou)用作為(wei)核燃料。
2023年(nian)(nian)4月,日本與韓(han)國科學家(jia)發(fa)現了一種(zhong)以前未知的鈾同位(wei)素——鈾-241。11月21日,鈾的價(jia)格15年(nian)(nian)來首次(ci)突破80美元/磅。
自然產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)最重的(de)(de)金屬。呈銀(yin)白色,具有硬度(du)(du)強、密度(du)(du)高、可延展、有放射性等特征。一般在鈾(you)(you)與氧、氧化(hua)物或硅酸鹽的(de)(de)結合中發(fa)現鈾(you)(you)。鈾(you)(you)原(yuan)子能發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)裂變(bian)反應(ying),釋(shi)放大(da)量能量從而可以應(ying)用于發(fa)電,核武(wu)器制造等領(ling)域。第二次世界(jie)大(da)戰中盟軍的(de)(de)核武(wu)器計劃引(yin)發(fa)對鈾(you)(you)的(de)(de)需(xu)求,鈾(you)(you)的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)應(ying)運(yun)而生(sheng)(sheng)(sheng)。到(dao)20世紀70年代,鈾(you)(you)的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)工(gong)業已穩固地(di)建(jian)立起(qi)來(lai)。
鈾是(shi)Ⅲb族錒(a)系放射性化學元素(su),符號U,原(yuan)子(zi)序數(shu)92,相(xiang)對原(yuan)子(zi)質(zhi)量238.03,是(shi)原(yuan)子(zi)序數(shu)和相(xiang)對原(yuan)子(zi)質(zhi)量最大的天然(ran)元素(su)。鈾在常溫下是(shi)銀白色(se)的致密(mi)金屬,鈾的新切(qie)面呈(cheng)發(fa)亮的鋼(gang)灰色(se),但(dan)在室溫空氣中逐(zhu)漸生成黑色(se)氧化膜。
鈾原子的外電子層構型為(wei)[Rn]5f36d17s2,5f36d17s2殼(ke)層為(wei)價(jia)電子。鈾有+3、+4、+5、+6四種價(jia)態(tai),以+4和+6價(jia)態(tai)為(wei)主。
鈾(you)是(shi)正電性(xing)很強的(de)活(huo)潑元素,與幾乎(hu)所有(you)非(fei)金屬元素(惰性(xing)氣(qi)體除外)反(fan)(fan)應(ying)生(sheng)成化(hua)(hua)合(he)物,常以(yi)U3+、U4+、UO2+和(he)UO22+離子形式存(cun)在。鈾(you)與氫在523K時發生(sheng)可逆反(fan)(fan)應(ying),生(sheng)成UH3。鈾(you)-氧(yang)系(xi)比較復雜,在UO2~UO3間存(cun)在多(duo)種相(xiang)(xiang),重要(yao)的(de)氧(yang)化(hua)(hua)物有(you)UO2、U3O8和(he)UO3。其中(zhong)UO2是(shi)當前應(ying)用(yong)最廣泛的(de)核燃料。鈾(you)與鹵素生(sheng)成核燃料制備(bei)工藝中(zhong)重要(yao)的(de)化(hua)(hua)合(he)物。如(ru)UF4是(shi)生(sheng)產(chan)金屬鈾(you)和(he)UF6的(de)中(zhong)間產(chan)物。UF6的(de)三相(xiang)(xiang)點為337K,是(shi)氣(qi)態鈾(you)同位素分離的(de)原料。碳化(hua)(hua)鈾(you)、氮(dan)化(hua)(hua)鈾(you)和(he)硅化(hua)(hua)鈾(you)都是(shi)性(xing)能優(you)越的(de)被認為有(you)希(xi)望的(de)核燃料。
金(jin)屬鈾在空(kong)氣中會變暗(an),可為蒸汽和酸腐蝕,但耐堿(jian)腐蝕。其原子(zi)半徑為138.5pm;U3+、U4+、U5+、U6+的(de)(de)離子(zi)半徑分別為103、97、89及80pm。鈾的(de)(de)電負性據鮑林(Pauling)測定為1.38;阿(a)爾勒德(Allred)和羅(luo)切夫(Rochow)測定為1.22。
鈾(you)(you)能(neng)(neng)與大多(duo)數非金屬(shu)元素及(ji)其化合(he)物(wu)發(fa)生反(fan)應(ying),反(fan)應(ying)的溫(wen)度(du)和反(fan)應(ying)速度(du)隨鈾(you)(you)的粒度(du)而異。鈾(you)(you)在(zai)室溫(wen)的空氣或氧氣中(zhong)能(neng)(neng)自燃(ran)(ran),細粒鈾(you)(you)在(zai)水中(zhong)亦(yi)能(neng)(neng)自燃(ran)(ran)。在(zai)一定條件下,鈾(you)(you)氧化放出的能(neng)(neng)量(liang)可(ke)引起爆炸(zha)。鈾(you)(you)粉塵的爆炸(zha)濃度(du)下限為(wei)55mg/dm3。鈾(you)(you)能(neng)(neng)與許多(duo)金屬(shu)反(fan)應(ying)生成金屬(shu)間化合(he)物(wu)。鈾(you)(you)可(ke)與鈮、鉿、鋯、鉬及(ji)鈦生成固溶體。
鈾(you)及其化(hua)(hua)合(he)(he)物(wu)均有(you)較(jiao)大的(de)化(hua)(hua)學(xue)毒性(xing),空(kong)氣中可溶(rong)性(xing)鈾(you)化(hua)(hua)合(he)(he)物(wu)的(de)允許濃(nong)度為0.05mg/m3,不(bu)溶(rong)性(xing)鈾(you)化(hua)(hua)合(he)(he)物(wu)的(de)允許濃(nong)度為0.25mg/m3,人體對天然鈾(you)的(de)放(fang)射性(xing)允許劑量,可溶(rong)性(xing)鈾(you)化(hua)(hua)合(he)(he)物(wu)是7400Bq,不(bu)溶(rong)性(xing)鈾(you)化(hua)(hua)合(he)(he)物(wu)是333Bq。
鈾(you)(you)是放射性金屬元素,可(ke)作(zuo)為核反應的燃料(liao)。鈾(you)(you)是銀白色金屬,幾乎(hu)與鋼一樣硬,密(mi)度高(gao)(相對密(mi)度約18.95),熔(rong)點(dian)1135℃,沸點(dian)4134℃。在(zai)(zai)核能量發展之(zhi)前,它被(bei)(bei)用作(zuo)制造(zao)黃色玻璃。鈾(you)(you)是自然界存在(zai)(zai)的原子序數(shu)最高(gao)的元素。1841年(nian)E.佩(pei)利(1811-1890)離析出(chu)金屬鈾(you)(you),雖然在(zai)(zai)此之(zhi)前鈾(you)(you)已在(zai)(zai)瀝(li)青鈾(you)(you)礦中(zhong)被(bei)(bei)認知。它也藏于云母鈾(you)(you)礦、釩鉀鈾(you)(you)礦和獨居石中(zhong);主要分(fen)布于加拿大、澳大利亞、南非。可(ke)通過氣體(ti)(ti)擴散技術從(cong)易揮發氣體(ti)(ti)六氟化鈾(you)(you)(UF6)中(zhong)分(fen)離各同(tong)位素鈾(you)(you)。
鈾(you)存(cun)在(zai)(zai)三種同(tong)素異(yi)(yi)形(xing)體,其存(cun)在(zai)(zai)溫度(du)和(he)主要結(jie)構特征列(lie)于表中。α-U在(zai)(zai)室(shi)(shi)溫時的密度(du)為19.02t/m3。α-U和(he)β-U呈明顯的各向異(yi)(yi)性(xing),如在(zai)(zai)298~523K之間,α-U單晶沿a、b、c軸熱膨(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(you)各向同(tong)性(xing)結(jie)構。無序排列(lie)的多晶鈾(you)在(zai)(zai)293~373K范圍的熱膨(peng)脹系數(shu)等于16.3×10-6/K。在(zai)(zai)5~350K之間的比熱為27.66J/(mol·K)。α-U的熱導(dao)率隨溫度(du)提高而增加,室(shi)(shi)溫下為25.1W/(m·K),1033K時為37.7W/(m·K)。
鈾(you)的(de)力學(xue)性質隨試樣爐號和熱處理的(de)不(bu)同(tong)而異。對(dui)α軋制α退火(huo)的(de)試樣,得到室(shi)溫最大屈服強度(du)(du)為(wei)206.8-275.8 MPa,對(dui)小(xiao)變(bian)形量擠壓鈾(you),室(shi)溫抗(kang)拉(la)強度(du)(du)極限為(wei)586.1~861.8MPa。鈾(you)有三(san)種晶格結構:α-U為(wei)斜(xie)方結構,a=284.785pm,b=585.801pm,c=494.553pm;β-U為(wei)正方結構,a=1076.0pm,c=565.2pm;γ-U為(wei)體心立(li)方結構,a=352.4pm。它們(men)的(de)轉換(huan)溫度(du)(du)為(wei)941K(α→β)和1047K(β→γ)。
鈾的同素異形體 α-U β-U γ-U
存(cun)在溫度范圍 (K) <941 941-1048 1048(熔點)
晶體結構(gou) 斜方 四方 體心立方
晶(jing)胞中原子數(shu) (個) 4 30 2
晶格常(chang)數(shu) (nm) a0 0. 28541 1. 0579 0. 3524
b0 0. 58692 - -
c0 0. 49563 0. 5656 -
鈾的重(zhong)要物(wu)理性質(zhi)列(lie)于下(xia)表。
性 質 數 據
熔點T/K 1405.5
沸(fei)點T/K 4018
熔(rong)化(hua)熱Q/kJ·mol-1 15.5
氣化熱Q/kJ·mol-1 417.1
密度(du)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(lv)ρ/Ω·m 30.8×10-8(273K)
摩爾體積Vm/cm3 12.56
線脹系(xi)數αl/K-1 12.6×10-6
天(tian)然(ran)鈾(you)含有三種同位素(su):238U、235U和(he)234U,它們的含量(liang)分別為(wei)99.28%(238U)、0.71%(235U)和(he)0.006%(234U),半衰期(qi)分別為(wei)(238U)4.51×109、(235U)7.09×108和(he)(234U)2.35×105年。其(qi)中(zhong)以235U為(wei)最重(zhong)要,是目(mu)前核(he)動力的燃(ran)料。一個(ge)(ge)235U核(he)吸收一個(ge)(ge)熱中(zhong)子發生裂(lie)變(bian)時放(fang)出(chu)約(yue)2.5個(ge)(ge)中(zhong)子,并釋放(fang)出(chu)207MeV能(neng)量(liang)。1kg235U核(he)裂(lie)變(bian)放(fang)出(chu)的能(neng)量(liang)相當于燃(ran)燒2700t煤(mei)所產生的能(neng)量(liang)。根據反應堆堆型及其(qi)工作條(tiao)件,核(he)燃(ran)料可采用天(tian)然(ran)鈾(you)或提高了U含量(liang)的富集(ji)鈾(you)。用氣體擴散法、離心法或激光法等分離鈾(you)同位素(su),可使U的富集(ji)度(du)達到90%以上。U俘獲中(zhong)子后轉變(bian)成易裂(lie)變(bian)的Pu(钚)。Pu和(he)U也是制造核(he)武器的主要原料。
在25km地(di)(di)殼內含1014t鈾(you)(you),其中海(hai)水(shui)含1010t,每噸海(hai)水(shui)平均含鈾(you)(you)3.3mg。自然界存在幾(ji)百種含鈾(you)(you)的礦(kuang)物,但大(da)多是貧(pin)礦(kuang),所以經濟地(di)(di)大(da)量(liang)(liang)開采(cai)很困難。目(mu)前,經濟上(shang)有開采(cai)價值的鈾(you)(you)礦(kuang)含U3O8量(liang)(liang)為0.1%左(zuo)右。如果發展快中子增殖堆(dui),則(ze)鈾(you)(you)資源利用(yong)率可(ke)比壓水(shui)堆(dui)提高60~70倍(bei)。
鈾同位素中存量最(zui)多的(de)是(shi)238U,再者(zhe)是(shi)可用作核能發電的(de)燃(ran)料的(de)235U,豐(feng)度最(zui)少的(de)是(shi)234U。此外還(huan)有(you)12種人工同位素。
同位素 豐度 半衰期(qi) 衰變(bian)模式 衰變(bian)能量(MeV)衰變(bian)產物(wu)
232U 人(ren)造 68.9年(nian) 自(zi)發分裂 - -
α衰(shuai)變(bian) 5.414 Th-228
233U 人造 159200年 自發分裂 197.93 -
α衰變 4.909 Th-229
234U 0.01% 245500年 自發分裂 197.78 -
α衰變 4.859 Th-230
235U 0.72% 7.038×108年(nian) 自(zi)發(fa)分裂 202.48 -
α衰變(bian) 4.679 Th-231
236U 人造(zao) 2.342×107年 自(zi)發分(fen)裂(lie) 201.82 -
α衰變(bian) 4.572 Th-232
237U 人(ren)造 6.75日 β衰變 0.519 Np-237
238U 99.28% 4.468×109年 自發(fa)分裂 205.87 -
α衰變 4.27 Th-234
鈾(you)的熱中子(zi)吸收截面為7.60b±0.07b。鈾(you)的同位(wei)(wei)素(su)(包括同核異能(neng)素(su))有15種,其質量數從(cong)227至(zhi)240。鈾(you)的天(tian)然同位(wei)(wei)素(su)組成列(lie)于下(xia)表。
核(he) 素 相對原子質量 自然豐度/% 半(ban)衰期T1/2/a 衰變模(mo)式及衰變能
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為錒鈾衰(shuai)變系(xi)的(de)始祖核素,238U為鈾鐳(lei)系(xi)的(de)始祖核素,234U是238U的(de)衰(shuai)變系(xi)產物。235U是惟一天然的(de)可裂(lie)(lie)(lie)變核素。235U核素受熱中(zhong)(zhong)子(zi)轟擊,吸(xi)收一個(ge)(ge)(ge)(ge)中(zhong)(zhong)子(zi)后發(fa)生(sheng)(sheng)裂(lie)(lie)(lie)變(誘發(fa)裂(lie)(lie)(lie)變)。一個(ge)(ge)(ge)(ge)235U核在裂(lie)(lie)(lie)變時放出(chu)的(de)總能量為195MeV,同(tong)時放出(chu)2~3(平均(jun)2.5)個(ge)(ge)(ge)(ge)中(zhong)(zhong)子(zi)。只(zhi)要其中(zhong)(zhong)一個(ge)(ge)(ge)(ge)中(zhong)(zhong)子(zi)引(yin)起另一個(ge)(ge)(ge)(ge)235U核發(fa)生(sheng)(sheng)裂(lie)(lie)(lie)變,鏈式核裂(lie)(lie)(lie)變就(jiu)會持續進行(xing)下去。238U不是裂(lie)(lie)(lie)變核素,但238U在反應(ying)堆(dui)活性區吸(xi)收中(zhong)(zhong)子(zi)后生(sheng)(sheng)成239U,239U再經(jing)兩次β衰(shuai)變生(sheng)(sheng)成能裂(lie)(lie)(lie)變的(de)Pu。因此(ci),可以利用快中(zhong)(zhong)子(zi)增殖(zhi)堆(dui)充分發(fa)揮(hui)238U的(de)作用,提高(gao)天然鈾的(de)利用率。
鈾(yóu)英(ying)文(wen)名(ming)Uranium,得名(ming)于天王星的(de)(de)名(ming)字(zi)“Uranus”。1789年(nian)M.H.克(ke)拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)首先從瀝青鈾礦(kuang)中發(fa)(fa)現(xian)了(le)(le)“鈾”,就用(yong)1781年(nian)新發(fa)(fa)現(xian)的(de)(de)一個(ge)行星——天王星命名(ming)它為uranium,元素符號定為U。但1841年(nian)E.M.佩利若(Eugene-Melchior Peligot)證明該物質(zhi)系二氧(yang)化鈾,隨后用(yong)鉀還原UCl4制備(bei)了(le)(le)金屬(shu)鈾。1896年(nian)A.H.貝可(ke)勒爾(Antoine Henri Becquerel)發(fa)(fa)現(xian)了(le)(le)鈾的(de)(de)放射性現(xian)象。那時對鈾的(de)(de)研究屬(shu)純理論性的(de)(de),鈾化合物只用(yong)于玻(bo)璃(li)和陶瓷(ci)的(de)(de)著色。1898年(nian)在鈾礦(kuang)中發(fa)(fa)現(xian)了(le)(le)鐳,鈾便成為開采鐳的(de)(de)副產品。1938年(nian)O.哈(ha)恩(Otto Hahn)和F.施特拉斯曼(Fritz Strassmann)用(yong)中子轟擊鈾核(he)發(fa)(fa)現(xian)核(he)裂變同(tong)時釋(shi)放出能(neng)量,引起了(le)(le)人們(men)重新對鈾的(de)(de)重視。第二次世界大(da)戰(zhan)期間(jian)和戰(zhan)后,由于核(he)武器(qi)和核(he)動力的(de)(de)需要,加速了(le)(le)鈾資源(yuan)的(de)(de)勘(kan)探和開采。
美(mei)國為此(ci)設立了(le)(le)(le)專門研(yan)究原子(zi)彈的(de)機(ji)構(gou)。1945年美(mei)國在(zai)日本廣島投擲了(le)(le)(le)第(di)一(yi)顆235U原子(zi)彈,幾天(tian)后又在(zai)日本長(chang)崎(qi)投下了(le)(le)(le)一(yi)顆239Pu原子(zi)彈。1954年蘇聯建成了(le)(le)(le)第(di)一(yi)座(zuo)核(he)電(dian)站(zhan)。從(cong)此(ci),鈾的(de)科(ke)研(yan)和(he)生(sheng)產受(shou)到世界各國的(de)高度重視,核(he)武(wu)器(qi)制造和(he)核(he)發(fa)電(dian)工業便得到迅速(su)發(fa)展。中國的(de)鈾工業自20世紀50年代興起,已形(xing)成完(wan)整(zheng)的(de)和(he)具(ju)有相當規模(mo)的(de)科(ke)研(yan)和(he)工業生(sheng)產體(ti)系。
2023年4月,日本與(yu)韓(han)國科學家發(fa)現了一(yi)種以前(qian)未知的鈾同位素(su)——鈾-241。其原子序數(shu)為92,質(zhi)量為241,半衰期可能只(zhi)有40分鐘,這是自1979年以來(lai)科學家首次發(fa)現富含中(zhong)子的鈾同位素(su)。
鈾有多種化(hua)(hua)合物(wu),主(zhu)要鈾化(hua)(hua)合物(wu)的(de)化(hua)(hua)學式、存在形態和用途列(lie)于下(xia)表。
名(ming)稱 化學式 存在形態 用 途
二(er)氧化鈾(you) UO2 深褐色(se)或黑色(se)粉(fen)末 制造反應堆(dui)元件或
生產UF4
三氧(yang)化鈾 UO3 無定(ding)形UO3或α-UO3,褐色,β-UO3橙色粉末,γ-UO3 還原(yuan)成UO2
亮黃色(se)(se),δ-UO3紅色(se)(se),Σ-UO3磚紅色(se)(se),η-UO3棕色(se)(se)
八氧(yang)化三鈾 U3O8 橄(gan)欖(lan)綠(lv)色(se)(有時呈墨綠(lv)或(huo)黑色(se))粉末翠綠(lv)色(se)晶體(綠(lv)鹽)儲存、還原成UO2制取金屬鈾或(huo)UF6
四氟化(hua)(hua)鈾 UF4 室溫(wen)下(xia)近于白色固體(ti),在(zai)309K溫(wen)度升華,最易(yi)揮發的鈾化(hua)(hua)合物 同位素分離(li),濃縮
六氟化鈾 UF6 235U
硝(xiao)酸鈾酰 UO2(NO3)2 UO2(NO3)2·6H2O亮黃色(se)晶體 脫(tuo)硝(xiao)成UO3
重鈾(you)酸(suan)銨 (NH4)2U2O7 黃色沉淀物(俗稱“黃餅”)質量好的呈片狀結晶 熱分解成UO2或(huo)
UO3
三碳酸鈾酰銨(an) (NH4)4UO2(CO3)3 淡(dan)黃色晶體 熱(re)分解(jie)成UO2
鈾能(neng)(neng)與(yu)多種金屬(shu)生成金屬(shu)間化(hua)合(he)物。鈾具有(you)化(hua)學(xue)性(xing)質活潑、各向異性(xing)結(jie)構和機(ji)械性(xing)能(neng)(neng)較差等缺陷。鈾合(he)金的某(mou)些性(xing)質優(you)于金屬(shu)鈾,這(zhe)在核燃(ran)料元(yuan)件(jian)制造中相當重(zhong)要。添加適量的其他金屬(shu),如鈮、鉻(ge)、鉬或鋯能(neng)(neng)改善鈾的熱導率、晶體結(jie)構及(ji)金相結(jie)構、熱處理(li)特性(xing)、輻(fu)照穩定性(xing)和耐蝕性(xing)等。
貧(pin)(pin)鈾(you)彈(dan)即利用貧(pin)(pin)鈾(you)合(he)金(jin)制(zhi)造的(de)一種高效燃(ran)燒穿甲彈(dan),它借助貧(pin)(pin)鈾(you)材(cai)料(liao)密(mi)度(du)(du)大(鉛密(mi)度(du)(du)的(de)2倍)、強度(du)(du)大(鋼強度(du)(du)的(de)3倍)和穿透力(li)強,且易燃(ran)燒的(de)特(te)點制(zhi)作(zuo)而成(cheng),貧(pin)(pin)鈾(you)合(he)金(jin)含238U、235U等(deng),貧(pin)(pin)鈾(you)彈(dan)爆(bao)炸后殘留的(de)235U等(deng)能(neng)損害腎臟、神(shen)經系統,可導致肺癌等(deng)。密(mi)度(du)(du)、硬(ying)度(du)(du)較大的(de)貧(pin)(pin)鈾(you)合(he)金(jin),還可制(zhi)作(zuo)防(fang)輻射材(cai)料(liao)等(deng)。
鈾(you)廣泛存在(zai)于地(di)(di)(di)殼(ke)(ke)和海水中。海水中鈾(you)的濃度為3×10-7%,地(di)(di)(di)殼(ke)(ke)豐度為2.3×10-4%,但(dan)在(zai)地(di)(di)(di)殼(ke)(ke)中很分散。
鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)(wu)按成(cheng)(cheng)因可(ke)分為(wei)原(yuan)生(sheng)鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)和次生(sheng)鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)兩大(da)類。除(chu)瀝(li)青鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)外,原(yuan)生(sheng)鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)均存在于偉晶巖(yan)中(zhong),原(yuan)生(sheng)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)(wu)經風化和熱(re)液(ye)作用易轉變成(cheng)(cheng)各種(zhong)次生(sheng)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)(wu)。鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)成(cheng)(cheng)因、產狀、含鈾(you)(you)(you)(you)量(liang)及伴生(sheng)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)(wu)和圍巖(yan)均會影響到鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)加(jia)工工藝。已(yi)發現的(de)鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)(wu)和含鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)(wu)約有(you)500多種(zhong)。其中(zhong)常(chang)見并具有(you)工業實用價值的(de)僅二三十種(zhong)。下表所列為(wei)重要的(de)鈾(you)(you)(you)(you)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)(wu)。
類型 礦物(wu)名(ming)稱 組 成 鈾含(han)量(質量分(fen)數ω)/%
原生鈾礦 瀝青鈾礦 UO2·mUO3·nPbO 40~76
晶質鈾(you)礦 (U,Th)O2·mUO3·nPbO 65~75.4
鈦鈾礦 (U,Ce,Fe,Y,Th)3Ti5O16 <40
次生鈾礦(kuang) 水(瀝青)鈾礦(kuang) UO2·mUO3·nH2O
銅(tong)鈾云母 Cu(UO2)2(PO4)2·(8~12)H2O 50
鈣鈾云母 Ca(UO2)2(PO4)2·(8~12)H2O 50
鉀釩鈾礦(kuang) K2(UO2)2(VO4)2·(1~3)H2O 50
釩鈣鈾礦 Ca(UO2)2(VO4)2·8H2O 50~60
除澳(ao)大(da)利(li)亞、加(jia)拿(na)大(da)有(you)一些較大(da)的(de)富鈾礦(kuang)(kuang)(kuang)床(含鈾1%~10%)外,大(da)多數(shu)鈾礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)含鈾品(pin)位(wei)為0.1%~0.2%。鈾水冶廠大(da)多直接處(chu)理鈾原(yuan)礦(kuang)(kuang)(kuang),但通過選礦(kuang)(kuang)(kuang)能提高礦(kuang)(kuang)(kuang)石(shi)品(pin)位(wei),降低成本。一些國家正采用放射分選機對塊(kuai)狀鈾礦(kuang)(kuang)(kuang)石(shi)進(jin)行選礦(kuang)(kuang)(kuang)。為了(le)綜合利(li)用或改(gai)善(shan)鈾礦(kuang)(kuang)(kuang)石(shi)加(jia)工性能,有(you)的(de)礦(kuang)(kuang)(kuang)石(shi)還(huan)需經配礦(kuang)(kuang)(kuang)、焙燒等預處(chu)理。
此外(wai),含(han)鈾(you)的(de)(de)磷(lin)酸(suan)鹽礦、褐煤、頁巖、鈾(you)礦水、含(han)鈾(you)銅(tong)廢(fei)石堆浸液和海(hai)水等都(dou)可(ke)成為提鈾(you)的(de)(de)原料。例如(ru),1988年美國從濕(shi)法磷(lin)酸(suan)等副產品中回收的(de)(de)鈾(you)達1500t,約占(zhan)其總產量(liang)5190t鈾(you)的(de)(de)29%。
鈾(you)(you)通常被人們認為是(shi)一種稀(xi)有(you)(you)金屬,盡(jin)管(guan)鈾(you)(you)在(zai)地殼中的含(han)量很(hen)高,比汞(gong)、鉍、銀要(yao)多得(de)(de)多,但(dan)由于提取鈾(you)(you)的難度較大(da),所以(yi)它注定了要(yao)比汞(gong)這些(xie)元素發現的晚得(de)(de)多。盡(jin)管(guan)鈾(you)(you)在(zai)地殼中分布(bu)廣泛,但(dan)是(shi)只有(you)(you)瀝青鈾(you)(you)礦和鉀釩鈾(you)(you)礦兩(liang)種常見的礦床。
地殼(ke)中(zhong)(zhong)鈾(you)的(de)(de)(de)平(ping)均(jun)(jun)含量(liang)(liang)約為百萬分之(zhi)2.5,即平(ping)均(jun)(jun)每噸(dun)地殼(ke)物質中(zhong)(zhong)約含2.5克(ke)鈾(you),這比(bi)鎢、汞、金、銀等(deng)元素的(de)(de)(de)含量(liang)(liang)還高(gao)。鈾(you)在(zai)各(ge)種(zhong)巖(yan)石中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)含量(liang)(liang)很不(bu)均(jun)(jun)勻。例如在(zai)花(hua)崗巖(yan)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)含量(liang)(liang)就(jiu)要高(gao)些(xie),平(ping)均(jun)(jun)每噸(dun)含3.5克(ke)鈾(you)。在(zai)地殼(ke)的(de)(de)(de)第一層(距地表(biao)20 km)內含鈾(you)近1.3×1014噸(dun)。依此推算,一立方(fang)公里的(de)(de)(de)花(hua)崗巖(yan)就(jiu)會(hui)含有約一萬噸(dun)鈾(you)。海水(shui)中(zhong)(zhong)鈾(you)的(de)(de)(de)濃度(du)相當低,每噸(dun)海水(shui)平(ping)均(jun)(jun)只含3.3毫克(ke)鈾(you),但(dan)由于(yu)海水(shui)總量(liang)(liang)極大(海水(shui)中(zhong)(zhong)總含鈾(you)量(liang)(liang)可達4.5×109噸(dun)),且從水(shui)中(zhong)(zhong)提(ti)取有其(qi)方(fang)便之(zhi)處,所以不(bu)少國家(jia),特別是那些(xie)缺(que)少鈾(you)礦資源的(de)(de)(de)國家(jia),正在(zai)探(tan)索海水(shui)提(ti)鈾(you)的(de)(de)(de)方(fang)法。
由于鈾(you)的(de)(de)化(hua)(hua)(hua)學性質(zhi)很(hen)活(huo)潑,所以(yi)自然界不存在游離態(tai)的(de)(de)金屬鈾(you),它總是以(yi)化(hua)(hua)(hua)合狀態(tai)存在著。已知的(de)(de)鈾(you)礦(kuang)(kuang)物(wu)(wu)有一百七十多(duo)種(zhong)(zhong),但具有工業開采(cai)價值的(de)(de)鈾(you)礦(kuang)(kuang)只有二(er)、三十種(zhong)(zhong),其中最重(zhong)要(yao)的(de)(de)有瀝青鈾(you)礦(kuang)(kuang)(主(zhu)(zhu)要(yao)成分為八氧化(hua)(hua)(hua)三鈾(you))、品質(zhi)鈾(you)礦(kuang)(kuang)(主(zhu)(zhu)要(yao)成分為二(er)氧化(hua)(hua)(hua)鈾(you))、鈾(you)石和鈾(you)黑等。很(hen)多(duo)的(de)(de)鈾(you)礦(kuang)(kuang)物(wu)(wu)都呈黃(huang)色(se)、綠色(se)或黃(huang)綠色(se)。有些鈾(you)礦(kuang)(kuang)物(wu)(wu)在紫(zi)外線(xian)下能(neng)發(fa)(fa)出強(qiang)烈的(de)(de)熒光。正是鈾(you)礦(kuang)(kuang)物(wu)(wu)(鈾(you)化(hua)(hua)(hua)合物(wu)(wu))這種(zhong)(zhong)發(fa)(fa)熒光的(de)(de)特(te)性,才(cai)導致(zhi)了放射性現(xian)象(xiang)的(de)(de)發(fa)(fa)現(xian)。
雖然鈾(you)元素的(de)分布(bu)相當廣(guang),但鈾(you)礦床的(de)分布(bu)卻很有限。鈾(you)資源主要分布(bu)在(zai)美國(guo)、加拿大、南(nan)非、西南(nan)非、澳大利亞等國(guo)家和地區。據估(gu)計,已探明的(de)工業儲量到1972年(nian)已超過一百(bai)萬噸。
鈾及(ji)其一系列(lie)衰變子體的(de)放射(she)性是存(cun)在(zai)鈾的(de)最好標志。人的(de)肉眼雖然看不見放射(she)性,但(dan)是借(jie)助于(yu)專門的(de)儀器卻可以方便地把它(ta)探測出來(lai)。因此(ci),鈾礦資源的(de)普查和勘探幾乎都利用了鈾具有放射(she)性這一特點:若發現某個地區巖石(shi)、土壤、水(shui)、甚至植物內放射(she)性特別強,就說明那個地區可能有鈾礦存(cun)在(zai)。
鈾(you)(you)的提(ti)取冶金具有三(san)個特點。第一,鈾(you)(you)礦(kuang)石的品位很低,一般含鈾(you)(you)(238U+235U)0.1%~0.2%,而(er)其中235U僅(jin)為(wei)0.0007%~0.0014%,為(wei)獲得核純鈾(you)(you),必須經過(guo)(guo)一系列(lie)富集、提(ti)純過(guo)(guo)程。第二,核純金屬鈾(you)(you)需再經同位素分(fen)離,制(zhi)成(cheng)不(bu)同豐度的濃縮235U。第三(san),工藝過(guo)(guo)程繁(fan)雜,并存在輻(fu)射危害問題。因此,鈾(you)(you)生產技術(shu)難度大(da),安(an)全(quan)防護要求嚴格。
除了就(jiu)地浸出(chu)以及(ji)從(cong)(cong)其(qi)他含(han)鈾(you)(you)物料(liao)提鈾(you)(you)外,鈾(you)(you)的(de)(de)(de)提取(qu)冶金都是從(cong)(cong)鈾(you)(you)礦(kuang)石(原礦(kuang)或精(jing)礦(kuang))開始的(de)(de)(de),通常(chang)包括鈾(you)(you)提取(qu)、四氟化鈾(you)(you)制取(qu)、金屬(shu)鈾(you)(you)制取(qu)、六氟化鈾(you)(you)制取(qu)、鈾(you)(you)同位(wei)素分離、制取(qu)含(han)濃縮U的(de)(de)(de)金屬(shu)鈾(you)(you)和鈾(you)(you)燃料(liao)元件加工等(deng)主要步驟(zou)。
(1)鈾提取。包(bao)括(kuo)鈾礦(kuang)石的浸出(chu)、液固分離、富(fu)集、提純(常用離子交換或(huo)溶劑萃取法(fa))及沉淀(dian)產物熱分解制取核純UO2或(huo)U3O8。
(2)四氟化鈾(you)制取。將UO2(U3O8可用(yong)氫還原成UO2)氫氟化成四氟化鈾(you)(綠鹽)。
(3)金屬(shu)(shu)鈾(you)制取(qu)。用(yong)金屬(shu)(shu)鈣或(huo)鎂將(jiang)UF4還原成金屬(shu)(shu)鈾(you),金屬(shu)(shu)鈾(you)再經精煉、澆鑄、加工(gong)、鍛造(或(huo)擠壓)成形(xing)、包殼等處理(li)制成天然鈾(you)的反應堆元件,供生產裂變元素239Pu用(yong)。
(4)六氟(fu)(fu)化鈾制(zhi)取。將UF4氟(fu)(fu)化成(cheng)UF6。
(5)鈾同位素分(fen)離。利用(yong)235U與(yu)238U質量之間的微小差異,通過對UF6的氣體(ti)擴散(san)(或離心分(fen)離),制取不(bu)同豐度的濃縮235UF6。
(6)制(zhi)取含濃(nong)縮(suo)(suo)235U的(de)金(jin)屬鈾(you)。將濃(nong)縮(suo)(suo)235UF6經氫還原成(cheng)235UF4,再轉化(hua)成(cheng)濃(nong)縮(suo)(suo)235UO2。用鈣或(huo)鎂還原235UF4制(zhi)成(cheng)含濃(nong)縮(suo)(suo)U的(de)金(jin)屬鈾(you)。
(7)鈾燃料(liao)元件加(jia)工(gong)。將濃(nong)縮(suo)UO2或金屬鈾進(jin)一步加(jia)工(gong)制(zhi)成反應(ying)堆燃料(liao)元件或其他最終產品。
安全防護
鈾及其(qi)化(hua)合物既(ji)會(hui)放(fang)出(chu)危(wei)害生物的(de)射(she)(she)線,又(you)有化(hua)學毒性,在生產(chan)(chan)過程(cheng)中必須(xu)采(cai)取(qu)安(an)(an)全防(fang)護措施。安(an)(an)全防(fang)護措施的(de)主要內容包(bao)括嚴防(fang)粉塵及氡氣進入人(ren)體;使(shi)生產(chan)(chan)場地的(de)輻射(she)(she)劑量低于放(fang)射(she)(she)性衛生防(fang)護規定(ding)(ding)的(de)限值(zhi);排(pai)放(fang)的(de)三廢經處(chu)理后必須(xu)達到國家規定(ding)(ding)的(de)排(pai)放(fang)標準。要注意(yi)濃縮(suo)鈾產(chan)(chan)物臨界安(an)(an)全。
利用(yong)低(di)品位(wei)鈾(you)(you)(you)礦(kuang)石及(ji)其他含鈾(you)(you)(you)物(wu)料以擴大鈾(you)(you)(you)資源。重(zhong)視鈾(you)(you)(you)的就地浸出(chu)、堆浸、細菌浸出(chu)等浸出(chu)方法(fa)的開發和推廣應(ying)用(yong),以節(jie)省能耗和降低(di)生產成本。開發并推廣應(ying)用(yong)快中子增殖堆,提高天然鈾(you)(you)(you)的利用(yong)率。研究開發無(wu)廢(fei)物(wu)工(gong)藝,減輕鈾(you)(you)(you)對環境的污染(ran)。發展節(jie)能的離(li)心法(fa)、激光法(fa)等同位(wei)素分離(li)方法(fa),替(ti)代耗能高的擴散法(fa)。
自然界里234U不會發生核(he)裂(lie)變(bian),通常(chang),238U也不會發生裂(lie)變(bian),只有(you)235U易發生核(he)裂(lie)變(bian),核(he)燃料主要指(zhi)235U。235U半(ban)(ban)衰(shuai)(shuai)期(qi)(qi)為7.038×108年(nian),從(cong)235U開始,經過(guo)11次連(lian)(lian)續衰(shuai)(shuai)變(bian),最(zui)(zui)后出現穩定(ding)的207Pb。238U半(ban)(ban)衰(shuai)(shuai)期(qi)(qi)為4.468×109年(nian),從(cong)238U開始,經過(guo)14次連(lian)(lian)續衰(shuai)(shuai)變(bian),最(zui)(zui)后出現穩定(ding)的206Pb-206。238U連(lian)(lian)續衰(shuai)(shuai)變(bian)中,子核(he)半(ban)(ban)衰(shuai)(shuai)期(qi)(qi)最(zui)(zui)長的是234U,它的半(ban)(ban)衰(shuai)(shuai)期(qi)(qi)是2.45×105年(nian)。
235U、233U和(he)239Pu是主要(yao)的(de)核裂(lie)(lie)變(bian)(bian)物質,可(ke)(ke)直(zhi)接做核燃料,它們能(neng)大量獲得(de)、并(bing)易吸收(shou)慢中子(能(neng)量小于(yu)1eV)并(bing)發生裂(lie)(lie)變(bian)(bian),234U、238U則不行。235U存在于(yu)天(tian)然鈾中,233U和(he)239Pu要(yao)靠鈾核反應(ying)堆生產。235U、233U和(he)239Pu,任何能(neng)量的(de)中子均(jun)可(ke)(ke)使它們分裂(lie)(lie)、釋放能(neng)量;對(dui)235U來說,速(su)度越(yue)慢的(de)中子越(yue)易引起(qi)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)。238U吸收(shou)一(yi)個中子,也可(ke)(ke)轉變(bian)(bian)為裂(lie)(lie)變(bian)(bian)物質。
235U和238U都能自(zi)(zi)發裂變,但后者自(zi)(zi)發裂變的(de)幾率很小。
U-235裂變
研究表(biao)明,235U吸(xi)收慢(man)中(zhong)子(zi)(zi)后(hou),有(you)40多種(zhong)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)方式(shi)(shi),至少能生(sheng)產36種(zhong)元素的(de)(de)(de)300多種(zhong)核(he)素和快中(zhong)子(zi)(zi)(平均(jun)2.5個),并(bing)釋放巨大(da)能量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)。鈾(you)(you)核(he)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)生(sheng)成物除(chu)(chu)中(zhong)子(zi)(zi)外(wai),通(tong)常有(you)兩(liang)種(zhong)(兩(liang)分(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie))裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)物,還有(you)三(san)(san)種(zhong)(三(san)(san)分(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie))和四種(zhong)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)物(1946 年,我國物理學家(jia)錢三(san)(san)強(qiang)等在(zai)法國發(fa)(fa)(fa)(fa)現),“三(san)(san)分(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)”幾率極小(xiao)。除(chu)(chu)中(zhong)子(zi)(zi)外(wai),鈾(you)(you)核(he)“兩(liang)分(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)”的(de)(de)(de)碎(sui)塊(kuai)有(you)許多組(zu)合(he)方式(shi)(shi),碎(sui)塊(kuai)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)比大(da)致(zhi)為3:2的(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)(fa)生(sheng)幾率最大(da),碎(sui)塊(kuai)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)相(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)機會(hui)極小(xiao);鈾(you)(you)“三(san)(san)分(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)”,其(qi)中(zhong)一塊(kuai)是α粒子(zi)(zi),“三(san)(san)分(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)”發(fa)(fa)(fa)(fa)生(sheng)的(de)(de)(de)幾率是“二分(fen)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)”的(de)(de)(de)3/1000。統計(ji)表(biao)明,235U裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)發(fa)(fa)(fa)(fa)射的(de)(de)(de)中(zhong)子(zi)(zi)能量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(動(dong)能)在(zai)0.1-20MeV范圍,平均(jun)為2MeV。僅有(you)快中(zhong)子(zi)(zi)不能使天然鈾(you)(you)產生(sheng)持(chi)續(xu)的(de)(de)(de)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)鏈式(shi)(shi)反應,慢(man)中(zhong)子(zi)(zi)也不能使238U發(fa)(fa)(fa)(fa)生(sheng)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian),持(chi)續(xu)的(de)(de)(de)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)反應在(zai)238U中(zhong)不可能發(fa)(fa)(fa)(fa)生(sheng)。235U和240Pu等,除(chu)(chu)中(zhong)子(zi)(zi)可引發(fa)(fa)(fa)(fa)其(qi)核(he)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)外(wai),具(ju)有(you)足(zu)夠能量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)帶電粒子(zi)(zi)或γ射線等也能引發(fa)(fa)(fa)(fa)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)。此外(wai),鈾(you)(you)對(dui)約25eV的(de)(de)(de)中(zhong)子(zi)(zi)還會(hui)產生(sheng)俘(fu)獲共振,即俘(fu)獲而不裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)變(bian)(bian)。
235U結合能小(xiao),核裂(lie)(lie)變(bian)(bian)勢壘較(jiao)(jiao)低,任何能量(liang)的(de)(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)都能使(shi)它裂(lie)(lie)變(bian)(bian),且對慢中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)速(su)率為(wei)2.2×103m/s,與常溫下氣(qi)體分子(zi)(zi)運(yun)動速(su)率相當。這(zhe)(zhe)樣,它在鈾(you)核附近的(de)(de)(de)(de)時(shi)間相對較(jiao)(jiao)長,容(rong)易擊中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)鈾(you)核使(shi)之(zhi)裂(lie)(lie)變(bian)(bian))有(you)很(hen)大(da)的(de)(de)(de)(de)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)截面(mian)(裂(lie)(lie)變(bian)(bian)幾率大(da))。235U吸(xi)收一個慢中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi),通常先形成(cheng)激(ji)發態的(de)(de)(de)(de)236U(復核),然后裂(lie)(lie)變(bian)(bian)成(cheng)兩塊,同時(shi)釋放中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)和能量(liang)等。熱中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(慢中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)一種)反(fan)應(ying)堆(dui)(dui)里(li),235U熱中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)截面(mian)比(bi)238U的(de)(de)(de)(de)熱中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)裂(lie)(lie)變(bian)(bian)截面(mian)要大(da)200倍,這(zhe)(zhe)樣,就會有(you)足夠數量(liang)的(de)(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)引起235U核裂(lie)(lie)變(bian)(bian),這(zhe)(zhe)可(ke)彌(mi)補天然鈾(you)或濃縮鈾(you)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)235U含量(liang)較(jiao)(jiao)少之(zhi)弱點;這(zhe)(zhe)種反(fan)應(ying)堆(dui)(dui)工(gong)作時(shi),鈾(you)的(de)(de)(de)(de)利用率為(wei)1%-2%。
U-238裂變
238U(240Pu、232Th)裂(lie)(lie)變(bian)是有閥的,小(xiao)于1.1MeV的中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)會(hui)被其吸(xi)(xi)收或散射(she),不(bu)能(neng)(neng)引發裂(lie)(lie)變(bian);較大(da)能(neng)(neng)量的中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)才能(neng)(neng)使它們裂(lie)(lie)變(bian),但(dan)可能(neng)(neng)性(xing)又(you)極(ji)小(xiao)。238U結合能(neng)(neng)較大(da),裂(lie)(lie)變(bian)勢壘較高,能(neng)(neng)量超過1.4MeV的快中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)才能(neng)(neng)使它裂(lie)(lie)變(bian),釋放的中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)能(neng)(neng)量較大(da)。研究顯(xian)示,238U在幾MeV以(yi)上有很多共振吸(xi)(xi)收峰,其裂(lie)(lie)變(bian)幾率隨中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)能(neng)(neng)量增(zeng)大(da)而(er)增(zeng)大(da)。238U不(bu)易產生裂(lie)(lie)變(bian),但(dan)吸(xi)(xi)收中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)后能(neng)(neng)變(bian)成(cheng)239Pu和233U等較好的核裂(lie)(lie)變(bian)物質(zhi)。熱中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)被238U俘獲的幾率是熱中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)使235U裂(lie)(lie)變(bian)幾率的1/190左右。快中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)同238U核的主要作用是非彈性(xing)碰(peng)撞,大(da)部分中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)都(dou)是通過非彈性(xing)碰(peng)撞降低能(neng)(neng)量,再在多次碰(peng)撞中(zhong)(zhong)被238U核吸(xi)(xi)收。
鈾(you)材料(liao)里235U的含量高于0.7%即濃縮(suo)(suo)鈾(you)。鈾(you)是重要的核燃(ran)料(liao)和(he)原子(zi)彈(dan)核心(xin)材料(liao),現在(zai)使(shi)用(yong)的鈾(you)材料(liao)都需提煉、濃縮(suo)(suo),使(shi)之達到一定的純度(du)。比如,制造一顆原子(zi)彈(dan)至少需20-50千克的高濃縮(suo)(suo)鈾(you)(也可用(yong)钚造原子(zi)彈(dan)),其濃縮(suo)(suo)純度(du)應(ying)達到 90%以上。
鈾(you)(you)(you)礦石(shi)里(li)235U的(de)含量(liang)很低(di),絕大部分是238U,鈾(you)(you)(you)礦石(shi)不(bu)(bu)能像(xiang)煤塊(kuai)那(nei)樣(yang)直接做燃料,它類似于大部分是泥沙的(de)煤餅,沒法燃燒。鈾(you)(you)(you)元素(su)(su)(su)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)(su)的(de)豐(feng)度(du)(一元素(su)(su)(su)的(de)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)(su)混合物里(li),某同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)(su)的(de)原(yuan)子數和總的(de)原(yuan)子數之(zhi)(zhi)比)可通(tong)過工藝處理使之(zhi)(zhi)增(zeng)大,以(yi)獲得該(gai)元素(su)(su)(su)濃縮(suo)的(de)某種同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)(su),如(ru)235U,235U與238U物理性質稍有(you)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong),主要(yao)是相對質量(liang)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong),這導致它們形(xing)成的(de)化合物微粒(li)質量(liang)會有(you)點(dian)差異。利用鈾(you)(you)(you)天然(ran)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)(su)原(yuan)子量(liang)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)進(jin)行分離,可使鈾(you)(you)(you)材料中235U對238U的(de)比值(zhi)較天然(ran)鈾(you)(you)(you)高(gao),從而獲得裂變材料——濃縮(suo)鈾(you)(you)(you)。“濃縮(suo)”主指提高(gao)某元素(su)(su)(su)特定同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)(su)豐(feng)度(du)的(de)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)(su)分離過程,如(ru)由(you)天然(ran)鈾(you)(you)(you)生產(chan)濃縮(suo)鈾(you)(you)(you)或由(you)普通(tong)水(shui)(shui)生產(chan)重水(shui)(shui)等。
濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)同位素目(mu)的(de)(de)(de)(de)即提(ti)高(gao)235U相(xiang)(xiang)對于238U等的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對豐(feng)度(du)(du)(du)(濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)),使天然235U的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對含(han)量高(gao)于0.7%的(de)(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you),即濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you),鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)燃(ran)料(liao)中235U的(de)(de)(de)(de)含(han)量達(da)到(dao)3%以上才有可能持續“燃(ran)燒(shao)”;濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)有:3%、3.5%、20%濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)等品種(zhong)。許多(duo)核(he)反(fan)應堆(dui)和(he)核(he)武(wu)器(qi)(qi)中所用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you),必(bi)須對其濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo),即須提(ti)高(gao)易(yi)核(he)裂變的(de)(de)(de)(de)235U濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du),然后將其制(zhi)(zhi)成燃(ran)料(liao)。大(da)多(duo)核(he)電(dian)廠核(he)反(fan)應堆(dui)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)燃(ran)料(liao)235U濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)約在(zai)3%左右、不超過5%。核(he)武(wu)器(qi)(qi)里的(de)(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)材料(liao)235U濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)需(xu)在(zai)90%以上;核(he)艦船所用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)燃(ran)料(liao)為(wei)20%或(huo)更低(di)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)。國際原(yuan)子能機構界定:235U豐(feng)度(du)(du)(du)為(wei)3%的(de)(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)材料(liao)屬(shu)核(he)電(dian)站用(yong)(yong)(yong)低(di)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)(工(gong)業級核(he)燃(ran)料(liao)),常是鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)鹽或(huo)氧化鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you);豐(feng)度(du)(du)(du)大(da)于80%的(de)(de)(de)(de)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)材料(liao)為(wei)高(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you),豐(feng)度(du)(du)(du)大(da)于90%的(de)(de)(de)(de)則(ze)是武(wu)器(qi)(qi)級(軍用(yong)(yong)(yong))高(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you),主要用(yong)(yong)(yong)于制(zhi)(zhi)造核(he)武(wu)器(qi)(qi);另一(yi)種(zhong)劃分是:高(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)(豐(feng)度(du)(du)(du)在(zai)20%以上),低(di)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)(2%-20%,商用(yong)(yong)(yong)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you))、微濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)(0.9%-2%)和(he)武(wu)器(qi)(qi)級濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)(90%以上)。鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)(du)達(da)到(dao)20%是一(yi)節點與難關,由此再(zai)提(ti)高(gao)鈾(you)(you)(you)(you)(you)(you)濃(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)(nong)縮(suo)度(du)(du)(du)則(ze)是一(yi)相(xiang)(xiang)對容易(yi)實現的(de)(de)(de)(de)過程。
獲(huo)(huo)得(de)鈾材料(liao)需(xu)經過一系列復雜的工藝,要(yao)(yao)經過探礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)、開(kai)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)、選(xuan)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)、浸礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)、煉礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)、精(jing)煉等流程,分(fen)離、濃縮是主要(yao)(yao)和較難的流程,科(ke)技含量高。鈾礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)石(shi)經碾(nian)磨、分(fen)選(xuan)后得(de)到的較純凈鈾礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)產品,即鈾精(jing)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang),又叫“黃餅”,主成(cheng)分(fen)是八氧化三鈾和重鈾酸(suan)鈉、重鈾酸(suan)銨,它是核燃料(liao)生產過程中的一種中間產品。通(tong)常,獲(huo)(huo)得(de)1千克(ke)武器級235U需(xu)要(yao)(yao)200多噸較高品位的鈾礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)石(shi)。
不論是和(he)平利用(yong)核能,還是制造核能武器,濃縮(suo)(suo)鈾(you)(you)都是必(bi)需的(de)(de)。至(zhi)2006年(nian)(nian)11月,世(shi)(shi)界上運(yun)行或(huo)在(zai)建的(de)(de)470座(zuo)商(shang)業核電(dian)反應堆(dui)大多是以(yi)濃縮(suo)(suo)鈾(you)(you)為燃料;到2010年(nian)(nian),全球至(zhi)少(shao)已(yi)有1600噸(dun)高(gao)濃縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(還有500噸(dun)钚(bu)),我國(guo)是世(shi)(shi)界上第四個(美、英、蘇(su)后)獨立(li)掌握濃縮(suo)(suo)鈾(you)(you)生產(chan)技術的(de)(de)國(guo)家;20世(shi)(shi)紀60年(nian)(nian)代前(qian)期,我國(guo)先后建立(li)了(le)衡陽鈾(you)(you)水冶廠和(he)蘭州氣體擴散廠,獲得了(le)濃縮(suo)(suo)鈾(you)(you)(1958年(nian)(nian)5月,蘭州始建我國(guo)首座(zuo)鈾(you)(you)濃縮(suo)(suo)生產(chan)企業,它先后為我國(guo)的(de)(de)第一(yi)(yi)顆(ke)原子彈、第一(yi)(yi)顆(ke)氫彈、第一(yi)(yi)艘核潛艇和(he)第一(yi)(yi)座(zuo)核電(dian)站,提供了(le)優質核燃料)。2011年(nian)(nian),哈(ha)佛大學肯(ken)尼迪(di)學院下屬貝爾福爾中心的(de)(de)研究報告說,中國(guo)擁(yong)有軍用(yong)級(ji)鈾(you)(you)16噸(dun)、钚(bu)1.8噸(dun)。
因(yin)涉及核(he)武器問題,鈾(you)濃縮技術(shu)一直是國(guo)際(ji)社會嚴禁擴散的(de)敏感技術(shu),國(guo)際(ji)原子能機構與(yu)聯合國(guo)希(xi)望能控制各國(guo)鈾(you)濃縮活(huo)動(dong)。中國(guo)臺灣曾有(you)核(he)計劃。1985年起,羅(luo)馬(ma)尼亞(ya)秘密的(de)從事武器級濃縮鈾(you)提煉(lian)工作;1991年,羅(luo)馬(ma)尼亞(ya)政府同樣將其核(he)設備、核(he)研究置于國(guo)際(ji)原子能機構監管之下;2003年,美(mei)國(guo)、俄羅(luo)斯將其十(shi)幾(ji)千克、濃度達80%的(de)濃縮鈾(you)運到俄羅(luo)斯予以處理。利比亞(ya)違反國(guo)際(ji)承諾,秘密獲得鈾(you)濃縮技術(shu)以發(fa)展核(he)武器,2003年“伊拉克戰(zhan)爭”后(hou),該國(guo)向西方妥協將有(you)關設備、圖紙交給了美(mei)國(guo)、英國(guo)。
除幾個核(he)大(da)國外,日本、德國、印(yin)度(du)(du)、以色(se)列、巴基斯(si)坦、阿根(gen)廷、朝(chao)鮮(2011年1月,聯合國安理會(hui)“對朝(chao)制裁(cai)委員會(hui)”專家組擬訂(ding)了《朝(chao)鮮鈾(you)濃(nong)縮計劃報告(gao)》,以期防止核(he)擴散、核(he)競賽升級)、伊朗(lang)(2011年6月12日,伊朗(lang)常駐國際原子能機構(gou)代表(biao)蘇(su)丹尼耶在(zai)第二屆核(he)裁(cai)軍國際會(hui)議期間對新華社記者說,伊朗(lang)已生產出逾50公斤純度(du)(du)為(wei)20%的(de)濃(nong)縮鈾(you),伊朗(lang)的(de)目標是有120公斤這種核(he)材料)等國都掌(zhang)握了鈾(you)濃(nong)縮技術。
提(ti)純(chun)、濃(nong)縮(suo)235U的技術較復(fu)雜,鈾(you)(you)(you)元素(su)(su)(su)(su)的各種同位素(su)(su)(su)(su),如同“孿生(sheng)姐妹”,物理性(xing)質(zhi)與(yu)化(hua)學(xue)性(xing)質(zhi)十分相(xiang)似。利(li)用(yong)同位素(su)(su)(su)(su)在物理、化(hua)學(xue)性(xing)質(zhi)上的微(wei)小差異,通過擴(kuo)散、蒸發或化(hua)學(xue)交(jiao)換(huan)等方(fang)法(fa)與(yu)過程,可使(shi)鈾(you)(you)(you)元素(su)(su)(su)(su)同位素(su)(su)(su)(su)的比例發生(sheng)變化(hua)。用(yong)同位素(su)(su)(su)(su)分離法(fa)處理天然鈾(you)(you)(you),可增加鈾(you)(you)(you)235U的濃(nong)度,使(shi)天然鈾(you)(you)(you)里(li)235U的相(xiang)對含量高(gao)于(yu)0.7%,進(jin)而獲得供多(duo)種需要(yao)的不(bu)同濃(nong)度的鈾(you)(you)(you)材料(liao)。工(gong)業規模分離鈾(you)(you)(you)同位素(su)(su)(su)(su)的技術(適用(yong)于(yu)提(ti)高(gao)U-235濃(nong)度)有氣體(ti)擴(kuo)散法(fa)、氣體(ti)離心法(fa)、離子交(jiao)換(huan)法(fa)以及蒸餾法(fa)、電解法(fa)、電流(liu)法(fa)、液體(ti)熱擴(kuo)散法(fa)、電磁分離法(fa)和(he)激光分離法(fa)等。這些濃(nong)縮(suo)方(fang)法(fa),工(gong)藝過程都復(fu)雜,投資大、耗能(neng)高(gao)、且產量低,即(ji)生(sheng)產鈾(you)(you)(you)燃料(liao)成(cheng)本較大。
這(zhe)是最早、最成熟的(de)(de)(de)(de)濃(nong)縮(suo)方(fang)法,也是商(shang)業開發的(de)(de)(de)(de)第一種濃(nong)縮(suo)方(fang)法,它據分(fen)子(zi)滲透、擴散(san)原(yuan)理,利用不(bu)同(tong)質(zhi)量(liang)(liang)鈾(you)同(tong)位素(su)轉(zhuan)化(hua)為氣態時運動(dong)速率的(de)(de)(de)(de)不(bu)同(tong)而進行分(fen)離。UF6是一種劇毒、腐蝕性強(qiang)和有放射性的(de)(de)(de)(de)白(bai)色晶體(ti)(ti),加熱后升(sheng)華為氣體(ti)(ti)。由于238U、235U的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)數不(bu)同(tong),所(suo)以UF6氣體(ti)(ti)中(zhong)二者的(de)(de)(de)(de)分(fen)子(zi)質(zhi)量(liang)(liang)也不(bu)同(tong),UF6里235U的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)數是349、238U的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)數是352。當(dang)高壓UF6混(hun)合(he)氣體(ti)(ti)(鈾(you)同(tong)位素(su)的(de)(de)(de)(de)混(hun)合(he)氣體(ti)(ti))透過級(ji)(ji)聯安裝的(de)(de)(de)(de)多(duo)孔(kong)薄膜(mo)(mo)時,UF6中(zhong)U-235輕分(fen)子(zi)氣體(ti)(ti)會比(bi)UF6中(zhong)238U重分(fen)子(zi)的(de)(de)(de)(de)氣體(ti)(ti)更快地(di)通(tong)過多(duo)孔(kong)膜(mo)(mo)。通(tong)過膜(mo)(mo)管(guan)的(de)(de)(de)(de)氣體(ti)(ti)立即被(bei)泵送到下一級(ji)(ji),留在膜(mo)(mo)管(guan)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氣體(ti)(ti)則返回到較低(di)級(ji)(ji)再循環。在每(mei)一個氣體(ti)(ti)擴散(san)級(ji)(ji)中(zhong)235U與238U濃(nong)度比(bi)僅(jin)略有增加,如此分(fen)離、濃(nong)縮(suo)到工業級(ji)(ji)235U濃(nong)度則需(xu)1000級(ji)(ji)以上(shang)。
該技術(shu)的(de)(de)核心是多孔擴散分(fen)(fen)離(li)(li)膜(蘇聯曾(ceng)叫(jiao)它是“社會(hui)主(zhu)義陣營安全的(de)(de)心臟(zang)”),我國(guo)于1964年(nian)研制(zhi)出優質的(de)(de)分(fen)(fen)離(li)(li)膜元件(時稱(cheng)甲種(zhong)分(fen)(fen)離(li)(li)膜,該技術(shu)獲1984年(nian)國(guo)家發明一等獎)。分(fen)(fen)離(li)(li)膜是每平方(fang)(fang)分(fen)(fen)米有數百萬個(ge)(ge)超微細孔的(de)(de)多孔薄(bo)金屬板或薄(bo)膜,將這(zhe)(zhe)些(xie)薄(bo)膜(板)卷(juan)成管子(zi)(zi)(zi)并裝在(zai)密封的(de)(de)擴散器里,當UF6氣(qi)體加壓送到由這(zhe)(zhe)些(xie)管子(zi)(zi)(zi)組(zu)成的(de)(de)級聯裝置中,混(hun)合氣(qi)體便會(hui)逐漸(jian)被分(fen)(fen)離(li)(li),含235U多的(de)(de)濃(nong)縮(suo)UF6氣(qi)體沿著級聯裝置向前(qian)流動(dong),含238U多的(de)(de)稀薄(bo)UF6氣(qi)體則因流動(dong)滯(zhi)后而落下(xia)、分(fen)(fen)流了。該方(fang)(fang)法擴散、濃(nong)縮(suo)過程需要幾千個(ge)(ge)連(lian)續的(de)(de)級聯裝置,連(lian)續擴散可(ke)將UF6混(hun)合氣(qi)體里含238U的(de)(de)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)與含235U的(de)(de)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)分(fen)(fen)離(li)(li),再用(yong)化學方(fang)(fang)法處(chu)理已濃(nong)縮(suo)的(de)(de)UF6-235U氣(qi)體分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi),進而獲得235U。這(zhe)(zhe)種(zhong)方(fang)(fang)法鈾濃(nong)縮(suo)的(de)(de)效率不高、能耗大(da)。
1919年,德(de)國科學家G.瑞皮完(wan)成了氣體離(li)(li)(li)心(xin)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)基本(ben)設計。鈾(you)濃縮離(li)(li)(li)心(xin)機(ji)(ji)(ji)(ji)概念和(he)應用(yong)則是20世紀(ji)30-40年代由美囯弗吉尼(ni)亞大(da)學的(de)高速離(li)(li)(li)心(xin)機(ji)(ji)(ji)(ji)專家J.W.伯(bo)莫斯提出的(de)。1934年,伯(bo)莫斯成功地(di)分(fen)離(li)(li)(li)了兩種氯同(tong)位素;1941年,他(ta)和(he)同(tong)事利(li)用(yong)離(li)(li)(li)心(xin)機(ji)(ji)(ji)(ji)首次成功地(di)分(fen)離(li)(li)(li)了鈾(you)同(tong)位素。分(fen)離(li)(li)(li)共(gong)設計了3種離(li)(li)(li)心(xin)機(ji)(ji)(ji)(ji),其(qi)工作曾引起美國當時正實施的(de)“曼(man)哈頓計劃(hua)”(研制原子彈的(de)計劃(hua))領導人的(de)注(zhu)意(yi),但美國最(zui)終選擇了氣體擴(kuo)散法。
氣(qi)(qi)(qi)體(ti)離心(xin)(xin)(xin)法(fa)(fa)也適用于處理鈾(you)(you)(you)的混合液體(ti)或鈾(you)(you)(you)蒸汽,它使(shi)用獨特設(she)(she)計的離心(xin)(xin)(xin)機(ji)使(shi)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)或液體(ti)能不間斷地在各個離心(xin)(xin)(xin)機(ji)中(zhong)流(liu)(liu)動,可連續運轉加工鈾(you)(you)(you)氣(qi)(qi)(qi)流(liu)(liu)或鈾(you)(you)(you)液體(ti)流(liu)(liu)。當前(qian),濃縮(suo)鈾(you)(you)(you)常(chang)用這(zhe)種機(ji)械式分離法(fa)(fa)。此法(fa)(fa)中(zhong),真空高速離心(xin)(xin)(xin)機(ji)是關鍵設(she)(she)備(bei)(bei),國(guo)際(ji)上常(chang)把有(you)無該設(she)(she)備(bei)(bei)作(zuo)為判斷一個國(guo)家是否進行(xing)核武器(qi)研究的標志(zhi)。與氣(qi)(qi)(qi)體(ti)擴散法(fa)(fa)相比,氣(qi)(qi)(qi)體(ti)離心(xin)(xin)(xin)法(fa)(fa)工效較高、所需電能大(da)幅(fu)減少,所以該法(fa)(fa)已被大(da)多的濃縮(suo)鈾(you)(you)(you)工廠采用。
將高(gao)壓UF6氣(qi)體(ti)注入(ru)高(gao)速轉(zhuan)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)封閉式(shi)離(li)心(xin)(xin)(xin)機里,由(you)于質(zhi)量存在(zai)差異,長時間旋轉(zhuan)依靠慣性離(li)心(xin)(xin)(xin)力,較輕(qing)(qing)的(de)(de)(de)(de)UF6中(zhong)235U分子大(da)多集(ji)(ji)(ji)(ji)中(zhong)在(zai)容器轉(zhuan)軸(zhou)處,較重的(de)(de)(de)(de)UF6-238U分子則大(da)多結集(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)邊(bian)緣(yuan)。若(ruo)沿軸(zhou)向從外部導(dao)入(ru)氣(qi)流(liu),并使轉(zhuan)軸(zhou)處的(de)(de)(de)(de)這股氣(qi)體(ti)向上流(liu)動(dong)(dong),邊(bian)緣(yuan)處外部導(dao)入(ru)的(de)(de)(de)(de)氣(qi)體(ti)向下(xia)流(liu)動(dong)(dong)。如(ru)此,離(li)心(xin)(xin)(xin)機下(xia)方(fang)收(shou)集(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)是較重的(de)(de)(de)(de)UF6-238U氣(qi)體(ti),上方(fang)則是需要的(de)(de)(de)(de)、較輕(qing)(qing)的(de)(de)(de)(de)UF6-235U氣(qi)體(ti)。在(zai)近軸(zhou)處富(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)UF6-235U氣(qi)體(ti)被導(dao)出,再輸送到下(xia)一(yi)臺離(li)心(xin)(xin)(xin)機繼續分離(li)——逐漸累積(ji)、純化(hua)、濃縮。隨著較輕(qing)(qing)的(de)(de)(de)(de)UF6-235U氣(qi)體(ti)穿過(guo)一(yi)系列高(gao)速離(li)心(xin)(xin)(xin)機,其235U同位素分子富(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)度(du)會越(yue)來(lai)越(yue)大(da)。最后,利用化(hua)學(xue)法(fa)處理已(yi)收(shou)集(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)、較輕(qing)(qing)的(de)(de)(de)(de)UF6-235U氣(qi)體(ti),就可獲(huo)得(de)工業(ye)或軍(jun)用級濃縮鈾。
通常,氣體(ti)離心機廠(chang)(chang)(chang)需要(yao)幾千臺高速(su)真(zhen)空離心機連續、長(chang)期(qi)地工(gong)作才(cai)能得到武器級濃縮鈾等(2010年(nian)下半年(nian),因(yin)外界攻擊(ji),伊(yi)朗納坦(tan)茲鈾濃縮工(gong)廠(chang)(chang)(chang)至少有(you)1/5的離心機因(yin)感(gan)染(ran)“震網”病毒被迫關閉;2011年(nian)2月末,國際(ji)原子(zi)能機構的報告說,該廠(chang)(chang)(chang)現有(you)低純度濃縮鈾約3600公斤)。
(1)激光分離法
氣體離(li)心法(fa)濃(nong)(nong)縮成(cheng)本較高(gao)、效率也不理想,先進的(de)濃(nong)(nong)縮法(fa)是激(ji)(ji)(ji)光(guang)分離(li)法(fa)。利(li)用(yong)(yong)激(ji)(ji)(ji)光(guang)濃(nong)(nong)縮鈾,能降(jiang)低(di)生(sheng)產成(cheng)本。其原(yuan)(yuan)(yuan)理基(ji)于激(ji)(ji)(ji)光(guang)有較好的(de)單色性和原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)的(de)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素光(guang)譜位(wei)(wei)(wei)移(yi)等。各同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)的(de)中子(zi)(zi)(zi)(zi)數不同(tong)(tong)(tong)(tong),它們的(de)能級會發生(sheng)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素位(wei)(wei)(wei)移(yi),發出(chu)的(de)輻(fu)(fu)波(bo)長會有小差(cha)異。激(ji)(ji)(ji)光(guang)的(de)單色性好,這(zhe)樣能做到用(yong)(yong)和某(mou)(mou)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)的(de)輻(fu)(fu)射波(bo)長相同(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)去激(ji)(ji)(ji)發其中的(de)某(mou)(mou)種原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi),而不會把其他同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)一起激(ji)(ji)(ji)發,即用(yong)(yong)激(ji)(ji)(ji)光(guang)可(ke)單獨地把同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)團中的(de)某(mou)(mou)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)先電離(li);再(zai)用(yong)(yong)電場將(jiang)電離(li)的(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)從同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素混合(he)物(wu)中單獨分離(li)出(chu)來,將(jiang)這(zhe)些原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)激(ji)(ji)(ji)發到高(gao)能級;最后(hou)利(li)用(yong)(yong)高(gao)能級的(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)和基(ji)態的(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)參(can)加化(hua)學反(fan)(fan)應的(de)活力不同(tong)(tong)(tong)(tong),通過化(hua)學反(fan)(fan)應法(fa)便可(ke)把它分離(li),聚(ju)集(ji)后(hou)就獲得了所(suo)需的(de)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)(wei)(wei)素原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)。
激(ji)光分(fen)離(li)法(fa)(fa)(fa)濃縮235U,比其他方法(fa)(fa)(fa)優越,設備可大大簡化(hua)(hua)(hua),成本可大幅(fu)降低。據估計,該法(fa)(fa)(fa)生產投資約是氣體(ti)擴(kuo)散法(fa)(fa)(fa)的(de)1/2,生產過(guo)程耗(hao)能只有氣體(ti)擴(kuo)散法(fa)(fa)(fa)的(de)1/10左(zuo)右(you)。所以,多個(ge)國家已重視開(kai)發這種鈾(you)燃料生產技術(shu)。1977年(nian)美國開(kai)始研究用(yong)激(ji)光提純濃縮鈾(you),并證實(shi)此法(fa)(fa)(fa)的(de)可行(xing)性(xing)等;1982年(nian)美國能源部確定,今后美國使(shi)用(yong)激(ji)光分(fen)離(li)法(fa)(fa)(fa)生產鈾(you)燃料。此法(fa)(fa)(fa)利用(yong)238U、235U形成的(de)化(hua)(hua)(hua)合物化(hua)(hua)(hua)學鍵的(de)鍵能不同,利用(yong)激(ji)光單一(yi)頻率的(de)性(xing)質可有選擇的(de)使(shi)一(yi)種鈾(you)化(hua)(hua)(hua)合物的(de)化(hua)(hua)(hua)學鍵斷裂達到分(fen)離(li)效果。
激光(guang)分(fen)離(li)技(ji)術現有激光(guang)原子法和激分(fen)子法:
原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)法濃縮用(yong)的(de)原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)是提煉(lian)鈾(you)(you)(you)(you)礦后(hou)的(de)鈾(you)(you)(you)(you)塊(kuai),再把鈾(you)(you)(you)(you)塊(kuai)加熱到高溫,形(xing)成(cheng)(cheng)鈾(you)(you)(you)(you)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)蒸(zheng)氣(qi)(qi),鈾(you)(you)(you)(you)蒸(zheng)氣(qi)(qi)里含有234U、235U、238U原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)。然(ran)后(hou)用(yong)可見(jian)光(guang)(guang)波段的(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(如用(yong)銅蒸(zheng)氣(qi)(qi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)泵浦(pu)的(de)染(ran)料(liao)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器)照射鈾(you)(you)(you)(you)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)蒸(zheng)氣(qi)(qi),調諧激(ji)(ji)光(guang)(guang)器的(de)輸出波長,讓它落在235U的(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)吸收譜線中心(xin),使235U原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)電(dian)離(li),但(dan)不激(ji)(ji)發或電(dian)離(li)238U原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)等。然(ran)后(hou),利用(yong)電(dian)場對通過(guo)收集板的(de)235U原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)掃描、分離(li),如此235U原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)就從鈾(you)(you)(you)(you)同位素混合氣(qi)(qi)體里中分出來了(le)。這種技術較成(cheng)(cheng)熟,已(yi)處于生(sheng)產應用(yong)階段。
分(fen)子(zi)(zi)法(fa)濃縮法(fa)則(ze)依(yi)靠鈾(you)同位素吸(xi)收光(guang)(guang)(guang)譜上存在差異,它用(yong)(yong)的(de)原(yuan)料(liao)是鈾(you)的(de)分(fen)子(zi)(zi)化(hua)合(he)物(如UF6),先用(yong)(yong)中紅外(wai)波段的(de)激光(guang)(guang)(guang)(如波長16微米(mi)的(de)激光(guang)(guang)(guang))照(zhao)射UF6混(hun)(hun)合(he)氣體分(fen)子(zi)(zi),激光(guang)(guang)(guang)波長正好是讓235U化(hua)合(he)物分(fen)子(zi)(zi)電離(li),235U分(fen)子(zi)(zi)吸(xi)收了這些光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi),能(neng)態會提高;再用(yong)(yong)紫外(wai)線(xian)激光(guang)(guang)(guang)器分(fen)解UF6混(hun)(hun)合(he)氣體分(fen)子(zi)(zi),便可從(cong)中分(fen)離(li)出235U,最(zui)后讓含235U化(hua)合(he)物通過分(fen)解反(fan)應(ying),就(jiu)可得到(dao)235U。理論上它能(neng)生產(chan)出很純(chun)的(de)235U等(deng),但此法(fa)還未達到(dao)生產(chan)階段;從(cong)發展潛(qian)力(li)看,分(fen)子(zi)(zi)法(fa)則(ze)比(bi)原(yuan)子(zi)(zi)法(fa)優越。分(fen)子(zi)(zi)法(fa)濃縮用(yong)(yong)的(de)原(yuan)料(liao)是鈾(you)的(de)分(fen)子(zi)(zi)化(hua)合(he)物,原(yuan)料(liao)來源(yuan)較(jiao)豐富(fu),且分(fen)離(li)過程不需(xu)加熱(re);原(yuan)子(zi)(zi)法(fa)濃縮則(ze)需(xu)加熱(re)到(dao)2000多℃,高溫鈾(you)蒸氣有(you)很強的(de)腐(fu)蝕性。相對(dui)而言(yan),分(fen)子(zi)(zi)激光(guang)(guang)(guang)法(fa)生產(chan)設(she)備較(jiao)簡單,成本較(jiao)低(di)。
分子激(ji)光法只(zhi)能用于濃(nong)縮(suo)(suo)(suo)UF6,不(bu)適于純化(hua)、濃(nong)縮(suo)(suo)(suo)金屬(shu)(shu)钚(bu)(bu)(制造(zao)原子彈(dan)等更好的核材料)的化(hua)合物(wu);原子激(ji)光法既能濃(nong)縮(suo)(suo)(suo)金屬(shu)(shu)鈾,也能濃(nong)縮(suo)(suo)(suo)金屬(shu)(shu)钚(bu)(bu)。可見,分子激(ji)光法比原子激(ji)光法在防(fang)核擴散方(fang)面會有利一些。
(2)氣(qi)體動(dong)力學法
該技術將UF6氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)與(yu)氫或氦的(de)(de)(de)混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)經(jing)過壓縮高速通過一(yi)個(ge)噴嘴(zui),然后(hou)(hou)穿(chuan)過一(yi)個(ge)特定(ding)的(de)(de)(de)曲(qu)面,這樣便可獲得從鈾(you)的(de)(de)(de)混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)中分(fen)(fen)(fen)離(li)235U同位(wei)素(su)的(de)(de)(de)離(li)心力。氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)動力學分(fen)(fen)(fen)離(li)法(fa)為(wei)實現濃(nong)縮純(chun)度所需的(de)(de)(de)級聯比氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)擴散(san)法(fa)少,但它需大量的(de)(de)(de)電能。UF6與(yu)氫的(de)(de)(de)混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)在離(li)心機(ji)中的(de)(de)(de)渦流板上高速離(li)心旋轉后(hou)(hou),UF6氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)濃(nong)縮流和(he)UF6氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)貧化(hua)流分(fen)(fen)(fen)別由兩(liang)條(tiao)管道流出;處(chu)理收集的(de)(de)(de)已經(jing)多次分(fen)(fen)(fen)離(li)的(de)(de)(de)UF6氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)濃(nong)縮流,最(zui)后(hou)(hou)可得到濃(nong)縮鈾(you)。
(3)電磁分離法
鈾同(tong)(tong)位素電(dian)(dian)(dian)磁(ci)分離(li)濃縮(suo)技術(shu)(shu),基于電(dian)(dian)(dian)離(li)的(de)(de)原子(zi)(zi)在磁(ci)場(chang)(chang)作圓周(zhou)運動時,質量不同(tong)(tong)的(de)(de)離(li)子(zi)(zi)因旋轉半徑(jing)不同(tong)(tong)而被(bei)分離(li)。它是使鈾同(tong)(tong)位素原子(zi)(zi)離(li)子(zi)(zi)同(tong)(tong)時穿過電(dian)(dian)(dian)磁(ci)體的(de)(de)磁(ci)場(chang)(chang),由于235U圓周(zhou)運動半徑(jing)與235U不同(tong)(tong)而被(bei)分離(li)。這(zhe)是20世紀40年代初使用的(de)(de)技術(shu)(shu),伊拉克(ke)20世紀80年代的(de)(de)實驗研究(jiu)表明,該技術(shu)(shu)與當代電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)學結合能生產武器級鈾材料。
(4)離子交換法
鈾(you)的(de)(de)(de)幾種同(tong)位(wei)素在質(zhi)量上的(de)(de)(de)微小差異,能引起化學反應平衡的(de)(de)(de)小的(de)(de)(de)變化,這可用來作同(tong)位(wei)素分(fen)離(li)(li)的(de)(de)(de)基礎。該方法(fa)(fa)有(you)兩(liang)(liang)種工(gong)藝過(guo)程:液(ye)(ye)—液(ye)(ye)化學交(jiao)(jiao)換(huan)過(guo)程和固(gu)—液(ye)(ye)離(li)(li)子交(jiao)(jiao)換(huan)過(guo)程,后者(zhe)須用直徑大于(yu)1米(mi)離(li)(li)子交(jiao)(jiao)換(huan)柱,這是一(yi)耐腐蝕(shi)、耐高壓(ya)的(de)(de)(de)圓(yuan)筒狀(zhuang)柱。1964年10月,我(wo)(wo)國爆炸的(de)(de)(de)第(di)一(yi)顆原子彈就是用此法(fa)(fa)濃(nong)縮的(de)(de)(de)235U制造而成的(de)(de)(de)。當時,以(yi)放射化學家楊承宗(1951年6月,他(ta)(ta)獲得巴(ba)黎大學理學院(yuan)博士學位(wei),其答辯通(tong)過(guo)的(de)(de)(de)博士論文(wen)就是《離(li)(li)子交(jiao)(jiao)換(huan)法(fa)(fa)分(fen)離(li)(li)放射性(xing)元素的(de)(de)(de)研究》)為(wei)首(shou)的(de)(de)(de)我(wo)(wo)國科研人員(yuan),在通(tong)州“五所”(鈾(you)濃(nong)縮研究所)利用離(li)(li)子交(jiao)(jiao)換(huan)法(fa)(fa)純化處理了(le)(le)上百噸各種土法(fa)(fa)冶煉生產的(de)(de)(de)重鈾(you)酸銨(an)。經過(guo)兩(liang)(liang)年多的(de)(de)(de)奮戰(zhan),他(ta)(ta)們生產出了(le)(le)2.5噸符合原子彈原料要求的(de)(de)(de)純鈾(you)化合物(wu),提前3個月為(wei)我(wo)(wo)國成功試(shi)爆原子彈提供了(le)(le)核心(xin)物(wu)質(zhi)。
1942年前鈾主要(yao)用作玻璃和陶(tao)瓷的(de)著色劑,用量很少(shao)。隨著235U鏈(lian)式核裂變反應(ying)的(de)被(bei)發現,核裂變釋(shi)放(fang)的(de)巨大能(neng)量 (1kg235U釋(shi)放(fang)的(de)裂變能(neng)相當(dang)于1800tTNT炸藥)引起人(ren)們的(de)注(zhu)意,首(shou)先(xian)用于制造(zao)原(yuan)子彈、氫彈。
從50年(nian)代后期開始,鈾被越來越多地用作(zuo)核發(fa)電的核燃料。1kg235U核完全(quan)裂變所釋放的能(neng)(neng)量相當于燃燒2700t優質煤所放出的能(neng)(neng)量。
此(ci)外(wai),鈾(you)核反應堆也(ye)可(ke)用作輻(fu)照(zhao)(zhao)源,用于(yu)(yu)農(nong)業(ye)輻(fu)照(zhao)(zhao)育種、食(shi)品(pin)工業(ye)食(shi)品(pin)保鮮和(he)滅菌(jun),也(ye)可(ke)用于(yu)(yu)生產人造(zao)(zao)元素。在(zai)醫(yi)藥方面用于(yu)(yu)放射治療、放射免疫藥盒、造(zao)(zao)影診斷等(deng)(deng),在(zai)工業(ye)和(he)地質(zhi)等(deng)(deng)方面用于(yu)(yu)工業(ye)探(tan)傷(shang)、自(zi)動控制、地質(zhi)勘探(tan)和(he)文(wen)物考古等(deng)(deng)。
科(ke)學研究及(ji)工業實踐證(zheng)明,鈾是(shi)惟一(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)次天然核(he)(he)(he)燃料,核(he)(he)(he)能(neng)工業必須依靠鈾。由于(yu)核(he)(he)(he)能(neng)工業具有(you)和平和軍事應(ying)用兩種(zhong)(zhong)目的(de)(de)(de)(de)(de),因此(ci)鈾便成(cheng)為(wei)(wei)一(yi)種(zhong)(zhong)特殊(shu)商品金屬(shu),其生產(chan)受到政治、社會和經濟(ji)多種(zhong)(zhong)因素的(de)(de)(de)(de)(de)影響。20世紀40~50年(nian)(nian)代(dai),鈾主要(yao)用于(yu)核(he)(he)(he)武器,50年(nian)(nian)代(dai)以后主要(yao)用于(yu)核(he)(he)(he)發電(dian)。世界鈾的(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)量(liang)(liang)長期供過于(yu)需(xu),有(you)大量(liang)(liang)庫存。國際市場每公斤(jin)U3O8的(de)(de)(de)(de)(de)價格從1978年(nian)(nian)初的(de)(de)(de)(de)(de)97美元降(jiang)至1990年(nian)(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)19.84美元。西方國家鈾年(nian)(nian)產(chan)量(liang)(liang)亦由1980年(nian)(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)43960t降(jiang)至1985年(nian)(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)35278t。但在這段時期內,核(he)(he)(he)電(dian)站發展迅速,1980年(nian)(nian)裝機總容量(liang)(liang)為(wei)(wei)1.35億kW,1989年(nian)(nian)增至3.18億kW。1985年(nian)(nian)鈾的(de)(de)(de)(de)(de)年(nian)(nian)產(chan)量(liang)(liang)低于(yu)核(he)(he)(he)發電(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)需(xu)要(yao)量(liang)(liang)。
把(ba)常規(gui)炸(zha)藥有(you)(you)規(gui)律地(di)安放(fang)在(zai)鈾的(de)(de)(de)(de)(de)周圍(wei),然后使(shi)用電子雷管使(shi)這(zhe)(zhe)(zhe)些炸(zha)藥精確的(de)(de)(de)(de)(de)同(tong)時(shi)(shi)爆(bao)炸(zha),產生的(de)(de)(de)(de)(de)巨大壓力將(jiang)鈾壓到(dao)一起(qi),并被壓縮,達(da)到(dao)臨(lin)(lin)界(jie)(jie)條件,發(fa)(fa)生爆(bao)炸(zha)。或者將(jiang)兩塊總質量超過臨(lin)(lin)界(jie)(jie)質量的(de)(de)(de)(de)(de)鈾塊合(he)(he)(he)(he)到(dao)一起(qi),也會(hui)(hui)發(fa)(fa)生猛(meng)烈(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)爆(bao)炸(zha)。臨(lin)(lin)界(jie)(jie)質量是(shi)(shi)指(zhi)維(wei)持(chi)核(he)(he)子連鎖反(fan)應所需的(de)(de)(de)(de)(de)裂(lie)變(bian)(bian)材料(liao)質量。不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)可裂(lie)變(bian)(bian)材料(liao),受核(he)(he)子的(de)(de)(de)(de)(de)性質(如裂(lie)變(bian)(bian)橫切面)、物(wu)理性質、物(wu)料(liao)形狀、純度、是(shi)(shi)否被中(zhong)(zhong)子反(fan)射(she)物(wu)料(liao)包圍(wei)、是(shi)(shi)否有(you)(you)中(zhong)(zhong)子吸收物(wu)料(liao)等等因素影響,而(er)會(hui)(hui)有(you)(you)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)臨(lin)(lin)界(jie)(jie)質量。剛(gang)好可能以產生連鎖反(fan)應的(de)(de)(de)(de)(de)組(zu)合(he)(he)(he)(he),稱(cheng)(cheng)為(wei)(wei)(wei)已達(da)臨(lin)(lin)界(jie)(jie)點(dian)。比(bi)這(zhe)(zhe)(zhe)樣更多質量的(de)(de)(de)(de)(de)組(zu)合(he)(he)(he)(he),核(he)(he)反(fan)應的(de)(de)(de)(de)(de)速率會(hui)(hui)以指(zhi)數增長,稱(cheng)(cheng)為(wei)(wei)(wei)超臨(lin)(lin)界(jie)(jie)。如果(guo)組(zu)合(he)(he)(he)(he)能夠在(zai)沒(mei)有(you)(you)延遲放(fang)出(chu)中(zhong)(zhong)子之下(xia)(xia)進行連鎖反(fan)應,這(zhe)(zhe)(zhe)種臨(lin)(lin)界(jie)(jie)被稱(cheng)(cheng)為(wei)(wei)(wei)即(ji)發(fa)(fa)臨(lin)(lin)界(jie)(jie),是(shi)(shi)超臨(lin)(lin)界(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)一種。即(ji)發(fa)(fa)臨(lin)(lin)界(jie)(jie)組(zu)合(he)(he)(he)(he)會(hui)(hui)產生核(he)(he)爆(bao)炸(zha)。如果(guo)組(zu)合(he)(he)(he)(he)比(bi)臨(lin)(lin)界(jie)(jie)點(dian)小,裂(lie)變(bian)(bian)會(hui)(hui)隨時(shi)(shi)間減少(shao),稱(cheng)(cheng)之為(wei)(wei)(wei)次(ci)臨(lin)(lin)界(jie)(jie)。核(he)(he)子武器在(zai)引爆(bao)以前必須維(wei)持(chi)在(zai)次(ci)臨(lin)(lin)界(jie)(jie)。以鈾核(he)(he)彈為(wei)(wei)(wei)例,可以把(ba)鈾分成(cheng)數大塊,每塊質量維(wei)持(chi)在(zai)臨(lin)(lin)界(jie)(jie)以下(xia)(xia)。引爆(bao)時(shi)(shi)把(ba)鈾塊迅速結合(he)(he)(he)(he)。投擲在(zai)廣(guang)島的(de)(de)(de)(de)(de)“小男(nan)孩”原子彈是(shi)(shi)把(ba)一小塊的(de)(de)(de)(de)(de)鈾透過槍管射(she)向另一大塊鈾上,造成(cheng)足(zu)夠的(de)(de)(de)(de)(de)質量。這(zhe)(zhe)(zhe)種設(she)計(ji)稱(cheng)(cheng)為(wei)(wei)(wei)“槍式(shi)”。
2023年(nian)11月21日,由(you)于對核能的(de)需(xu)求復(fu)蘇和供應(ying)中斷,鈾的(de)價格15年(nian)來首次(ci)突(tu)破80美元(yuan)/磅。紐商所追蹤實物市場鈾原料黃餅(yellowcake)合約的(de)期貨當天觸及80.25美元(yuan)/磅。