鈾

康熙字典

鈾 - 概述

物理性質

鈾(普通話拼音：yóu ;英語拼寫：Uranium)，得名于天王星的名字“Uranus”。鈾是元素周期表中第七周期MB族元素，錒系元素之一，是重要的天然放射性元素，元素符號U，原子序數92，原子量238.0289。鈾原子有92個質子和92個電子，其中6個是價電子。鈾是銀白色金屬，熔點1132.5`C，沸點3745℃，密度18.95g/c砰，電阻率30.8X10-8n"m，抗拉強度450MPa，屈服強度207MPa，彈性模數172GPa。鈾在接近絕對零度時有超導性，有延展性。鈾的熱中子吸收截面為7.60b，鈾有15種同位素，其原子量從227-240。所有鈾同位素皆不穩定，具有微弱放射性。鈾的天然同位素組成為：238u(自然豐度99.275%，原子量238.0508，半衰期4.51X109a)，235U(自然豐度0.720%，原子量235.0439，豐衰期7.00X108a)，234U(自然豐度0.005%，原子量234.0409，豐衰期2.47X105a)。其中235u是惟一天然可裂變核素，受熱中子轟擊時吸收一個中子后發生裂變，放出總能量為195MeV，同時放2~3個中子，引發鏈式核裂變;238U是制取核燃料钚的原料。

化學性質

鈾的外電子層構型為[Rn]5f36dl7s2，有+3，+4，+5，+6四種價態，其中+4和+6價化合物穩定。鈾的化學性質活潑，能和所有的非金屬作用(惰性氣體除外)，能與多種金屬形成合金。空氣中易氧化，生成一層發暗的氧化膜，高度粉碎的鈾空氣中極易自燃，塊狀鈾在空氣中易氧化失去金屬光澤，在空氣中加熱即燃燒，鈾能與所有非金屬反應，250℃下和硫反應，400℃下和氮反應生成氮化物，1250℃下和碳反應生成碳化物，250-300℃下和氫反應生成UH3，UH3在真空350-400℃下分解，放出氫氣。鈾與鹵素反應生成鹵化物，鈾能與汞、錫、銅、鉛、鋁、鉍、鐵、鎳、錳、鈷、鋅、鈹作用生成金屬間化合物，金屬鈾緩慢溶于硫酸和磷酸，有氧化劑存在時會加速溶解，鈾易溶于硝酸，鈾對堿性溶液呈惰性，但有氧化劑存在時，能使鈾溶解，鈾及其化合物均有較大的毒性，空氣中可溶性鈾化合物的允許濃度為0.05mg/m3，不溶性鈾化合物允許濃度為0.25mg/m3，人體對天然鈾的放射性允許劑量，可溶性鈾化合物為7400Bq，不溶性鈾化合物為333Bq。

名稱由來

鈾之英文名稱 Uranus 沿自天王星，而天王星名字來自希臘神祇烏拉諾斯。

發現

1789年由 M.J. Klaproth (德國，伯林)發現，1841年由 W.M. Peligot (法國，巴黎)首次作為金屬分離出。

存在

存在于許多巖石中，但大量只存在于瀝青鈾礦和釩鉀鈾礦中。

在自然界中，鈾以鈾-238(99.2742%)、鈾-235(0.7204%)以及極微量的鈾-234(0.0054%)等同位素存在。鈾衰變時釋放出α粒子，過程緩慢，擁有很長的半衰期。鈾-238的半衰期約為44.7億年，鈾-235則為7.04億年[4]，常用于測定地質年代。少量存在于獨居石等稀土礦石中。鈾是自然元素中質量次重、原子量次高的元素，僅次于钚-244[3]。它的密度比鉛高出約70%，但不如金、鎢密食。鈾在自然界中以數百萬分率的低含量存在于土壤、礦石和水中，可借由開采瀝青鈾礦等含鈾礦物并提煉之。

用途

古時候它被用作玻璃顏料，現在用作核反應及核彈燃料。千百年來鈾一直被用作給玻璃染色的色素，然而現在純金屬鈾是核反應堆和原子彈中使用的核燃料。少量用于電子管制造業中的除氧劑和惰性氣體提純(除氧、氫)。

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。在居里夫婦發現鐳以后，由于鐳具有治療癌癥的特殊功效，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，鈾的開采工業大大地發展起來，并迅速地建立起了獨立完整的原子能工業體系。

鈾 - 綜合性質

基本屬性

名稱 鈾(U)

系列 錒系元素

周期，元素分區 7，f

類型 金屬

外表 銀白色

太陽中的含量 0.001ppm

海水中的含量 0.00313ppm

發現人 馬丁•海因里希•克拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)(1789)

原子屬性

原子量 238.0289

原子半徑(計算值) 175 pm

范德華半徑 186 pm

離子半徑 0.81(+6)埃

氧化態 U+6(U+2，U+3，U+4，U+5)

負電性 1.38(鮑林標度)

核外電子排布 [氡]5f3 6d1 7s2(2-8-18-32-21-9-2)

第一電離能 597.6 KJ/mol

第二電離能 1420 KJ/mol

晶體結構 晶胞為正交晶胞

結晶變體 斜方晶體、四方晶體、體心立方體

晶胞參數 a=285.37pm

b=586.95pm

c=495.48pm

α=90°

β=90°

γ=90°

物理屬性

性質 固體、放射性、順磁性

密度 18.95 g/cm^3

熔點 1132.0℃(1405K)

沸點 3818.0℃(4407K)

摩爾體積 12.49 cm^3/mol

汽化熱 477 kJ/mol

熔化熱 15.48 kJ/mol

聲速 3155 m/s(293.15K)

比熱 120 J/(kg•K)

電導率 3.8×10^6/(m•Ω)

熱導率 27.6 W/(m•K)

鈾 - 同位素

地球上存量最多的同位素是鈾-238，再者是可用作核能發電的燃料的鈾-235，豐度最少的是鈾-234。此外還有12種人工同位素(鈾-226~鈾-240)。

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

同位素 豐度 半衰期 衰變模式 衰變能量MeV 衰變產物

U-232 人造 68.9年 自發分裂

α衰變 5.414 Th-228

U-233 人造 159200年 自發分裂 197.93

α衰變 4.909 Th-229

U-234 0.006% 245500年 自發分裂 197.78

α衰變 4.859 Th-230

U-235 0.72% 7.038×10^8年 自發分裂 202.48

α衰變 4.679 Th-231

U-235m 人造 約25分鐘 同質異構轉變 <1 Kr-92，Ba-141，2個種子

U-236 人造 2.342×10^7年 自發分裂 201.82

α衰變 4.572 Th-232

U-236m 人造 121×10^-9秒 自發分裂 <1

U-237 人造 6.75日 β衰變 0.519 Np-237

U-238 99.275% 4.468×10^9年 自發分裂 205.87 -

α衰變 4.270 Th-234

鈾 - 化合物

鈾的氟化物六氟化鈾(UF6)，它的熔點是攝氏56度、三相點是攝氏64度及稍高于大氣壓力。提煉鈾-235的方法之一就是分離不同分子量的六氟化鈾。 鈾235能產生非常大的動能.約等于10噸多的木炭

鈾 - 核反應

鈾可以進行核反應，其釋放的巨大能量可用來發電或作為武器。

用中子撞擊鈾-235，可引發鏈式反應。鈾-238經慢中子撞擊后會變成鈾-239，然后衰變到钚(臺灣、港澳譯作鈽)，也可以進行核反應。

鈾-238的衰變

U(鈾)-238 → Th(釷)-234 → Pa(鏷)-234 → U(鈾)-234 → Th(釷)-230 → Ra(鐳)-226 → Rn(氡)-222 → Po(釙)-218 → Pb(鉛)-214 或 At(砈)-218 → Bi(鉍)-214 → Po(釙)-214 或 Tl(鉈)-210 → Pb(鉛)-210 → Bi(鉍)-210 → Po(釙)-210 或 Tl(鉈)-206 → Pb(鉛)-206。

鈾 - 發現

發現人：克拉普羅特(M.H.Klaproth)

發現年代：1789年

發現過程：1789年，由德國化學家克拉普羅特(M.H.Klaproth)從瀝青鈾礦中分離出，就用1781年新發現的一個行星——天王星命名它為uranium，元素符號定為U。1841年，佩利戈特(E.M.Peligot)指出，克拉普羅特分離出的“鈾”，實際上二氧化鈾。他用鉀還原四氯化鈾，成功地獲得了金屬鈾。1896年有人發現了鈾的放射性衰變。1939年，哈恩(O.Hahn)和斯特拉斯曼(F.Strassmann)發現了鈾的核裂變現象。自此以后，鈾便變得聲價百倍。

鈾 - 資源

鈾的地殼豐度為2.3X10-4%，海水中鈾濃度3X10-7%，已發現鈾礦和含鈾礦物約有500多種，其中常見并具有工業價值的約20-30種，如原生鈾礦中的瀝青鈾礦物(含鈾40%-76%)，晶質鈾礦物(含鈾65%-75%)和欽鈾礦(含鈾>40%)，次生鈾礦中的釩鈣鈾礦(含鈾50%-60%)，鉀礬鈾礦(含鈾約50%)等。此外含鈾的磷酸鹽礦、褐煤、頁巖等都可成為提鈾的原料。世界鈾礦資源主要分布在6大聚集區：①北美(加拿大、美國);②澳大利亞;③中非和南非(尼日爾、納米比亞、加蓬、南非);④西歐(法國、西班牙);⑤南美(巴西、阿根廷);⑥獨聯體國家。20世紀80年代公布的世界鈾儲量約443萬噸。中國有豐富的鈾資源，到目前為止已找到10多種類型的鈾礦床，中國鈾資源的95%分布于花崗巖型礦床(38%)、砂巖型礦床(21%)、火山巖型礦床(20%)和碳酸鈾的提取冶金包括鈾精礦和富集物浸出、鈾的富集和分離。高純鈾化合物(UO2、UF6、UF4、U308等)的制取，同位素分離和金屬鈾制取等階段。鈾的提取冶金具有兩個特點：①鈾礦石的品位很低，一般含(238U十235U)0.1%-0.2%，而其中235U僅為0.0007%-0.0014%，為獲得核純鈾，必須經過多次富集和提純;②核純鈾需再經同位素分離，制成不同豐度的濃縮235U。

鈾 - 應用

1、鈾是重要的核燃料，主要用于原子能發電和核武器，1kg235U核完全裂變所釋放的能量相當于燃燒2500t優質煤所放出的能量，核燃料動力堆用于原子能發電、供熱和潛水艇等船艇的動力裝置，世界核能發電量約占總發電量的23%。

核電站應用較多的反應堆為：輕水堆(以燒結低濃UO2為燃料)、重水堆(以天然UO2芯塊作燃料)和塊中心增殖堆(以PUO2和天然UO2混合物作燃料)。

2、軍事上鈾用作核武器燃料，用純凈235 92U制造的原子彈叫原子彈。估計一顆鈾原子彈約需10kg純鈾。另一種原子彈是由238 92U產出的懷彈。

3、同時鈾和懷也是熱核武器氫彈的引爆劑，鈾核裂變時產生的200多種放射性同位素，經分離后廣泛用于國民經濟各個部門，如農業上用于輻照育種，食品工業用于食品保鮮滅菌，醫藥上用于放射治療，工業上用于無損探傷、地質勘探、文物考古等。利用鈾的高密度，還用于制造殺傷力大的穿甲彈(鈾彈)。

鈾 - 提煉

在居里夫婦發現鐳以后，由于鐳具有治療癌癥的特殊功效，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擂，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，鈾的開采工業大大地發展起來，并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，象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發生反應。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。粉末狀鈾于室溫下，在空氣中，甚至在水中就會自燃。美國用貧化鈾制造的一種高效的燃燒穿甲彈—“貧鈾彈”，能燒穿30厘米厚的裝甲錒板，“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布相當廣泛，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。鈾在各種巖石中的含量很不均勻。例如在花崗巖中的含量就要高些，平均每噸含3.5克鈾。依此推算，一立方公里的花崗巖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，但由于海水總量極大，且從水中提取有其方便之處，所以目前不少國家，特別是那些缺少鈾礦資源的國家，正在探索海水提鈾的方法。由于鈾的化學性質很活潑，所以自然界不存在游離的金屬鈾，它總是以化合狀態存在著。已知的鈾礦物有一百七十多種，但具有工業開采價值的鈾礦只有二、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，我們還記得，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。

鈾—分布：世界鈾資源量超過1500萬噸。據WISE資料，截止2003年1月1日，世界已知常規鈾可靠資源回收成本小于130美元/kg 鈾的資源量為316.92萬噸。其中回收成本小于40美元/kg鈾資源量約173.05萬噸;回收成本小于80美元/kg鈾資源量約245.82萬噸。世界鈾資源量較多的國家有澳大利亞、哈薩克斯坦、美國、加拿大、南非、納米比亞、俄羅斯、和尼日爾，鈾資源量均在10萬噸以上。我國鈾礦資源也十分豐富。

鈾及其一系列衰變子體的放射性是存在鈾的最好標志。人的肉眼雖然看不見放射性，但是借助于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：若發現某個地區巖石、土壤、水、甚至植物內放射性特別強，就說明那個地區可能有鈾礦存在。

鈾礦的開采與其它金屬礦床的開采并無多大的區別。但由于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)，所以鈾的冶煉不象普通金屬那樣簡單，而首先要采用“水冶工藝”，把礦石加工成含鈾60～70%的化學濃縮物(重鈾酸銨)，再作進一步的加工精制。

鈾水冶得到的化學濃縮物(重鈾酸氨)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，得到硝酸鈾酰溶液。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.純化后的硝酸鈾酰溶液需經加熱脫硝，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，很純的二氧化鈾本身就可以用作反應堆的核燃料。

為制取金屬鈾，需要先將二氧化鈾與無水氟化氫反應，得到四氟化鈾;最后用金屬鈣(或鎂)還原四氟化鈾，即得到最終產品金屬鈾。如欲制取六氟化鈾以進行鈾同位素分離，則可用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，只要按要求制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。但是對于鈾處理工藝來說，這還只是一半。

廢燃料之所以要從反應堆中卸出來，并不是因為里面的裂變物質(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”，但里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，生成钚239。钚239是原子彈的重要裝藥，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并無多大差別。一般先把廢燃料溶解，再用溶劑萃取法把鈾、钚和裂變產物相互分開，然后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并不多。

鈾 - 鈾與原子彈

使用常規炸藥有規律的安放在鈾的周圍，然后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，并被壓縮，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”。 钚核彈不能以這種方法引爆。第一枚钚原子彈“胖子”的钚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钚擠壓，增加密度及減少空間，造成即發臨界。這成設計稱為“內爆式”。

鈾 - 濃縮鈾

鈾主要含三種同位素，即鈾238、鈾235和鈾234，其中只有鈾235是可裂變核元素，在中子轟擊下可發生鏈式核裂變反應，可用作原子彈的核裝料和核電站反應堆的燃料。

根據國際原子能機構的定義，豐度為3%的鈾235為核電站發電用低濃縮鈾，鈾235豐度大于80%的鈾為高濃縮鈾，其中豐度大于90%的稱為武器級高濃縮鈾，主要用于制造核武器。

在天然礦石中鈾的三種同位素共生，其中鈾235的含量非常低，只有約0.7%。為滿足核武器和核動力的需求，一些國家建造了鈾濃縮廠，以天然鈾礦作原料，運用同位素分離法(擴散法、離心法和激光法等)使天然鈾的三種同位素分離，以提高鈾235的豐度，提煉濃縮鈾。