爱华网一、浓缩铀与核武器
铀是存在于自然界中的一种稀有化学元素，具有放射性。铀主要含三种同位素，即铀２３８、铀２３５和铀２３４，其中只有铀２３５是可裂变核元素，在中子轰击下可发生链式核裂变反应，可用作原子弹的核装料和核电站反应堆的燃料。
根据国际原子能机构的定义，丰度为３％的铀２３５为核电站发电用低浓缩铀，铀２３５丰度大于８０％的铀为高浓缩铀，其中丰度大于９０％的称为武器级高浓缩铀，主要用于制造核武器。
在天然矿石中铀的三种同位素共生，其中铀２３５的含量非常低，只有约０．７％。为满足核武器和核动力的需求，一些国家建造了铀浓缩厂，以天然铀矿作原料，运用同位素分离法（扩散法、离心法和激光法等）使天然铀的三种同位素分离，以提高铀２３５的丰度，提炼浓缩铀。
获得铀是非常复杂的系列工艺，要经过探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼等流程，而浓缩分离是其中最后的流程，需要很高的科技水平。获得１公斤武器级铀２３５需要２００吨铀矿石。
由于涉及核武器问题，铀浓缩技术是国际社会严禁扩散的敏感技术。目前除了几个核大国之外，日本、德国、印度、巴基斯坦、阿根廷等国家都掌握了铀浓缩技术。提炼浓缩铀通常采用气体离心法，气体离心分离机是其中的关键设备，因此美国等国家通常把拥有该设备作为判断一个国家是否进行核武器研究的标准。
二、铀浓缩
铀浓缩 UraniumEnrichment
来源： 不扩散核武器条约缔约国2005年审议大会
“浓缩”术语的使用涉及旨在提高某一元素特定同位素丰度的同位素分离过程，例如从天然铀生产浓缩铀或从普通水生产重水。浓缩设施分离铀同位素的目的是提高铀-235相对于铀-238的相对丰度或浓度。这种设施的能力用分离功单位衡量。
若要在某些类型反应堆和武器中使用铀，就必须对其进行浓缩。这意味着必须提高易裂变铀-235的浓度，然后才能将其制成燃料。这种同位素的天然浓度是0.7％，而在大多数通用商业核电厂中，持续链式反应的浓度通常约为3.5％。用于武器和舰船推进的丰度通常约为93％。但舰船推进可以只需20％或更低的丰度。鉴于在丰度0.7％至2％之间需要与丰度2％至93％之间同样多的分离功，因此浓缩过程不是线性的。这意味着在能够随时获得商用浓缩铀的情况下，达到武器级的浓缩工作量可减少到不足一半，而铀的供料量可减少到20％以下。 在适用于提高铀-235浓度的技术中，有7项技术特别重要：
气体扩散法——这是商业开发的第一个浓缩方法。该工艺依靠不同质量的铀同位素在转化为气态时运动速率的差异。在每一个气体扩散级，当高压六氟化铀气体透过在级联中顺序安装的多孔镍膜时，其铀-235轻分子气体比铀-238分子的气体更快地通过多孔膜壁。这种泵送过程耗电量很大。已通过膜管的气体随后被泵送到下一级，而留在膜管中的气体则返回到较低级进行再循环。在每一级中，铀-235/铀-238浓度比仅略有增加。浓缩到反应堆级的铀-235丰度需要1000级以上。
气体离心法——在这类工艺中，六氟化铀气体被压缩通过一系列高速旋转的圆筒，或离心机。铀-238同位素重分子气体比铀-235轻分子气体更容易在圆筒的近壁处得到富集。在近轴处富集的气体被导出，并输送到另一台离心机进一步分离。随着气体穿过一系列离心机，其铀-235同位素分子被逐渐富集。与气体扩散法相比，气体离心法所需的电能要小很多，因此该法已被大多数新浓缩厂所采用。
气体动力学分离法——所谓贝克尔技术是将六氟化铀气体与氢或氦的混合气体经过压缩高速通过一个喷嘴，然后穿过一个曲面，这样便形成了可以从铀-238中分离铀-235同位素的离心力。气体动力学分离法为实现浓缩比度所需的级联虽然比气体扩散法要少，但该法仍需要大量电能，因此一般被认为在经济上不具竞争力。在一个与贝克尔法明显不同的气体动力学工艺中，六氟化铀与氢的混合气体在一个固定壁离心机中的涡流板上进行离心旋转。浓缩流和贫化流分别从布置上有些类似于转筒式离心机的管式离心机的两端流出。南非一个能力为25万分离功单位的铀-235最高丰度为5％的工业规模的气体动力学分离厂已运行了近10年，但也由于耗电过大，而在1995年关闭。
激光浓缩法——激光浓缩技术包括3级工艺：激发、电离和分离。有2种技术能够实现这种浓缩，即“原子激光法”和“分子激光法”。原子激光法是将金属铀蒸发，然后以一定的波长应用激光束将铀-235原子激发到一个特定的激发态或电离态，但不能激发或电离铀-238原子。然后，电场对通向收集板的铀-235原子进行扫描。分子激光法也是依靠铀同位素在吸收光谱上存在的差异，并首先用红外线激光照射六氟化铀气体分子。铀-235原子吸收这种光谱，从而导致原子能态的提高。然后再利用紫外线激光器分解这些分子，并分离出铀-235。该法似乎有可能生产出非常纯的铀-235和铀-238，但总体生产率和复合率仍有待证明。在此应当指出的是，分子激光法只能用于浓缩六氟化铀，但不适于“净化”高燃耗金属钚，而既能浓缩金属铀也能浓缩金属钚的原子激光法原则上也能“净化”高燃耗金属钚。因此，分子激光法比原子激光法在防扩散方面会更有利一些。
同位素电磁分离法——同位素电磁分离浓缩工艺是基于带电原子在磁场作圆周运动时其质量不同的离子由于旋转半径不同而被分离的方法。通过形成低能离子的强电流束并使这些低能离子在穿过巨大的电磁体时所产生的磁场来实现同位素电磁分离。轻同位素由于其圆周运动的半径与重同位素不同而被分离出来。这是在20世纪40年代初期使用的一项老技术。正如伊拉克在20世纪80年代曾尝试的那样，该技术与当代电子学结合能够用于生产武器级材料。
化学分离法——这种浓缩形式开拓了这样的工艺，即这些同位素离子由于其质量不同，它们将以不同的速率穿过化学“膜”。有2种方法可以实现这种分离：一是由法国开发的溶剂萃取法，二是日本采用的离子交换法。法国的工艺是将萃取塔中2种不互溶的液体混和，由此产生类似于摇晃1瓶油水混合液的结果。日本的离子交换工艺则需要使用一种水溶液和一种精细粉状树脂来实现树脂对溶液的缓慢过滤。
等离子体分离法——在该法中，利用离子回旋共振原理有选择性地激发铀-235和铀-238离子中等离子体铀-235同位素的能量。当等离子体通过一个由密式分隔的平行板组成的收集器时，具有大轨道的铀-235离子会更多地沉积在平行板上，而其余的铀-235等离子体贫化离子则积聚在收集器的端板上。已知拥有实际的等离子体实验计划的国家只有美国和法国。美国已于1982年放弃了这项开发计划。法国虽然在1990年前后停止了有关项目，但它目前仍将该项目用于稳定同位素分离。
迄今为止，只有气体扩散法和气体离心法达到了商业成熟程度。所有这7项技术均在不同程度上具有扩散敏感性，因为它们都能够在一项秘密计划中不惜代价地被用于从天然铀或低浓铀生产高浓铀。但是，由于这些技术的特征不同，因而将影响到其被探知的可能性。
三、六氟化铀
uraniumhexafluoride
化学式：UF6；分子量：352
性状：无色或淡黄色晶体。具放射性。相对密度4.68～5.09。熔点64.5～64.8℃(三相点温度)。沸点56.4℃。当温度升高或压力降低时，很易升华成为气体(101.3kPa下56.4℃或13.17kPa下25℃时均升华为气体)。化学性质活泼，与水起剧烈反应，与大多数有机化合物起氟化反应，化学腐蚀性强。
制备：通常由二氧化铀与氟化氢在500℃时反应，先制得四氟化铀；再与氟在300～350℃时反应即得。用氟气氟化四氟化铀是六氟化铀的最主要的工业制备方法，它消耗的氟气最少。是目前铀化合物中惟一易挥发的化合物，为气体扩散法、超离心法分离和富集铀235和铀238的最为适宜的工作介质，在原子能工业中具有非常重要的意义。
用途：作核燃料，是铀的惟一稳定的气态化合物，广泛用于铀同位素分离厂的供料。UF4(固)+F2(气)→UF6(气)
反应：剧毒。兔于0.3mg/m3的浓度死亡达14％。动物尸检见肾脏、胃组织及肺脏的病变。吸收后可于第1天自尿中排出50％。职业性急性中毒主要表现为呼吸道刺激，重者引起肺炎、肺水肿及肝、肾病变。皮肤接触可引起灼伤。
四、铀-238是谁先发现?
1975年人们发现距今约20亿年前，在今加蓬共和国境内的奥克洛矿区，至少出现过10座“天然反应堆”，这就是所谓“奥克洛现象”一般认为，天然铀由3种同位素组成：铀-235约占0.714%，铀-238约占99.274%，铀-234约占0.0058%。只有铀-235的原子核在中子轰击下才易发生裂变。人们在实践中发现：地球上的天然铀，其中铀-235的含量都在0.714%左右，而且来自宇宙空间的陨石以及月球等处的岩样、土壤，“奥克洛现象”正是人们在分析铀-235的天然丰度时发现的。前苏联科学家В.И.马雷特维耶夫等人于1975年指出，距今46亿年前，铀-235的相对丰度约为25%。据推断，在20亿年前，天然铀中，铀-235的含量约为3.88%。这比现今大多数反应堆里铀-235的浓度（2%-3%）还高。由此可见，在20亿年前，奥克洛矿区既有足够数量的丰度为3.88%的铀-235，又有充沛的水，只要铀、水和二氧化硅均匀分布，并满足一定的比例关系，便可产生铀核的自持链式裂变反应。
铀
最重的天然元素铀已经成为新能源的主角，那么铀又是怎样提炼出来的呢？
在居里夫妇发现镭以后，由于镭具有治疗癌症的特殊功效，镭的需要量不断增加，因此许多国家开始从沥青铀矿中提炼擂，而提炼过镭的含铀矿渣就堆在一边，成了“废料”。
然而，铀核裂变现象发现后，铀变成了最重要的元素之一。这些“废料”也就成了“宝贝”。从此，铀的开采工业大大地发展起来，并迅速地建立起了独立完整的原子能工业体系。
铀是一种带有银白色光泽的金属，比铜稍软，具有很好的延展性，很纯的铀能拉成直径0.35毫米的细丝或展成厚度0.1毫米的薄箔。铀的比重很大，与黄金差不多，每立方厘米约重19克，象接力棒那样的一根铀棒，竟有十来公斤重。
铀的化学性质很活泼，易与大多数非金属元素发生反应。块状的金属铀暴露在空气中时，表面被氧化层覆盖而失去光泽。粉末状铀于室温下，在空气中，甚至在水中就会自燃。美国用贫化铀制造的一种高效的燃烧穿甲弹—“贫铀弹”，能烧穿30厘米厚的装甲锕板，“贫铀弹”利用的就是铀极重而又易燃这两种性质。
铀元素在自然界的分布相当广泛，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。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，且从水中提取有其方便之处，所以目前不少国家，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(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，我们还记得，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。国外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，国外已探明的工业储量到1972年已超过一百万吨。随着勘探活动的广泛和深入，铀储量今后肯定还会增加。我国铀矿资源也十分丰富。
铀矿是怎样寻找的呢？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。
铀矿的开采与其它金属矿床的开采并无多大的区别。但由于铀矿石的品位一般很低(约千分之一)，而用作核燃料的最终产品的纯度又要求很高(金属铀的纯度要求在99．9％以上，杂质增多，会吸收中子而妨碍链式反应的进行)，所以铀的冶炼不象普通金属那样简单，而首先要采用“水冶工艺”，把矿石加工成含铀60～70％的化学浓缩物（重铀酸铵)，再作进一步的加工精制。
铀水冶得到的化学浓缩物(重铀酸氨)呈黄色，俗称黄饼子，但它仍含有大量的杂质，不能直接应用，需要作进一步的纯化。为此先用硝酸将重铀酸铵溶解，得到硝酸铀酰溶液。再用溶剂萃取法纯化(一般用磷酸三丁酯作萃取剂)，以达到所要求的纯度标准。
纯化后的硝酸铀酰溶液需经加热脱硝，转变成三氧化铀，再还原成二氧化铀。二氧化铀是一种棕黑色粉末，很纯的二氧化铀本身就可以用作反应堆的核燃料。
为制取金属铀，需要先将二氧化铀与无水氟化氢反应，得到四氟化铀；最后用金属钙(或镁)还原四氟化铀，即得到最终产品金属铀。如欲制取六氟化铀以进行铀同位素分离，则可用氟气与四氟化铀反应。
至此，能作核燃料使用的金属铀和二氧化铀都生产出来了，只要按要求制成一定尺寸和形状的燃料棒或燃料块(即燃料元件)，就可以投入反应堆使用了。但是对于铀处理工艺来说，这还只是一半。
我们知道，核燃料铀在反应堆中虽然要比化学燃料煤在锅炉中使用的时间长得多，但是用过一段时间以后，总还是要把用过的核燃料从反应堆中卸出来，再换上一批新的核燃料。从反应维中卸出来的核燃料一般叫辐照燃料或“废燃料”。烧剩下的煤渣一般都丢弃不要了，可这种不能再使用的废燃料却还大有用处呢！
废燃料之所以要从反应堆中卸出来，并不是因为里面的裂变物质(铀235)已全部耗尽，而是因为能大量吸收中子的裂变产物积累得太多，致使链式反应不能正常进行了。所以，废燃料虽“废”，但里面仍有相当可观的裂变物质没有用掉，这是不能丢弃的，必须加以回收。而且在反应堆中，铀238吸收中子，生成钚239。钚239是原子弹的重要装药，它就含在废燃料中，这就使得用过的废燃料甚至比没有用过的燃料还宝贵。除此而外，反应堆运行期间，还生成其它很多种有用的放射性同位素，它们也含在废燃料中，也需要加以回收。
从原理上讲，废燃料的处理与天然铀的生产并无多大差别。一般先把废燃料溶解，再用溶剂萃取法把铀、钚和裂变产物相互分开，然后进行适当的纯化和转化。但实际上，废燃料的处理是十分困难的。世界上很多国家都能生产天然铀，很多国家都有反应堆，但是能处理废燃料的国家却并不多。
废燃料的处理有三个特点：一是废燃料具有极强的放射性，它们的处理必须有严密的防护设施，并实行远距离操作；二是废燃料中钚含量很低而钚又极贵重，所以要求处理过程的分离系数和回收率都很高；三是钚能发生链式反应，因此必须采取严格的措施，防止临界事故的发生。目前，废燃料的处理大都采用自动化程度很高的磷酸三丁酯萃取流程。
我们看到，在铀处理的工艺链中，相对于反应堆而言，铀水冶工艺在反应堆之前进行，所以通常叫做前处理，废燃料处理在反应堆之后进行，所以通常叫做后处理。而从铀矿石加工开始的整个工艺过程，包括铀同位素分离以及核燃料在反应堆中使用在内，一般总称为核燃料循环。
从以上极为简单的介绍就可以看出，铀和钚确是得之不易的。原子能工业犹如一条长长的巨龙，要最重的天然元素铀做出轰轰烈烈的事业，得经过多少次加工和处理、分析和测量、计算和核对啊！原子能工业又犹如一座高高的金字塔，要制造一颗原子弹，就要使用一、二十公斤铀235或钚239；要生产一、二十公斤铀235或钚239，就要消耗十来吨天然铀；要生产十来吨天然铀就要加工近万吨铀矿石。我们赞赏核电站的雄姿，惊叹原子弹的威力，可千万不能忽视支撑这座金字塔塔尖的无数块砖石啊！
2006-06-27 15:38:33
