愛華網(wǎng)一、濃縮鈾與核武器
鈾是存在于自然界中的一種稀有化學元素，具有放射性。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(fā)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(jù)國際原子能機構的定義，豐度為３％的鈾２３５為核電站發(fā)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。
獲得鈾是非常復雜的系列工藝，要經(jīng)過探礦、開礦、選礦、浸礦、煉礦、精煉等流程，而濃縮分離是其中最后的流程，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。
由于涉及核武器問題，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。提煉濃縮鈾通常采用氣體離心法，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。
二、鈾濃縮
鈾濃縮 UraniumEnrichment
來源： 不擴散核武器條約締約國2005年審議大會
“濃縮”術語的使用涉及旨在提高某一元素特定同位素豐度的同位素分離過程，例如從天然鈾生產(chǎn)濃縮鈾或從普通水生產(chǎn)重水。濃縮設施分離鈾同位素的目的是提高鈾-235相對于鈾-238的相對豐度或濃度。這種設施的能力用分離功單位衡量。
若要在某些類型反應堆和武器中使用鈾，就必須對其進行濃縮。這意味著必須提高易裂變鈾-235的濃度，然后才能將其制成燃料。這種同位素的天然濃度是0.7％，而在大多數(shù)通用商業(yè)核電廠中，持續(xù)鏈式反應的濃度通常約為3.5％。用于武器和艦船推進的豐度通常約為93％。但艦船推進可以只需20％或更低的豐度。鑒于在豐度0.7％至2％之間需要與豐度2％至93％之間同樣多的分離功，因此濃縮過程不是線性的。這意味著在能夠隨時獲得商用濃縮鈾的情況下，達到武器級的濃縮工作量可減少到不足一半，而鈾的供料量可減少到20％以下。 在適用于提高鈾-235濃度的技術中，有7項技術特別重要：
氣體擴散法——這是商業(yè)開發(fā)的第一個濃縮方法。該工藝依靠不同質(zhì)量的鈾同位素在轉(zhuǎn)化為氣態(tài)時運動速率的差異。在每一個氣體擴散級，當高壓六氟化鈾氣體透過在級聯(lián)中順序安裝的多孔鎳膜時，其鈾-235輕分子氣體比鈾-238分子的氣體更快地通過多孔膜壁。這種泵送過程耗電量很大。已通過膜管的氣體隨后被泵送到下一級，而留在膜管中的氣體則返回到較低級進行再循環(huán)。在每一級中，鈾-235/鈾-238濃度比僅略有增加。濃縮到反應堆級的鈾-235豐度需要1000級以上。
氣體離心法——在這類工藝中，六氟化鈾氣體被壓縮通過一系列高速旋轉(zhuǎn)的圓筒，或離心機。鈾-238同位素重分子氣體比鈾-235輕分子氣體更容易在圓筒的近壁處得到富集。在近軸處富集的氣體被導出，并輸送到另一臺離心機進一步分離。隨著氣體穿過一系列離心機，其鈾-235同位素分子被逐漸富集。與氣體擴散法相比，氣體離心法所需的電能要小很多，因此該法已被大多數(shù)新濃縮廠所采用。
氣體動力學分離法——所謂貝克爾技術是將六氟化鈾氣體與氫或氦的混合氣體經(jīng)過壓縮高速通過一個噴嘴，然后穿過一個曲面，這樣便形成了可以從鈾-238中分離鈾-235同位素的離心力。氣體動力學分離法為實現(xiàn)濃縮比度所需的級聯(lián)雖然比氣體擴散法要少，但該法仍需要大量電能，因此一般被認為在經(jīng)濟上不具競爭力。在一個與貝克爾法明顯不同的氣體動力學工藝中，六氟化鈾與氫的混合氣體在一個固定壁離心機中的渦流板上進行離心旋轉(zhuǎn)。濃縮流和貧化流分別從布置上有些類似于轉(zhuǎn)筒式離心機的管式離心機的兩端流出。南非一個能力為25萬分離功單位的鈾-235最高豐度為5％的工業(yè)規(guī)模的氣體動力學分離廠已運行了近10年，但也由于耗電過大，而在1995年關閉。
激光濃縮法——激光濃縮技術包括3級工藝：激發(fā)、電離和分離。有2種技術能夠?qū)崿F(xiàn)這種濃縮，即“原子激光法”和“分子激光法”。原子激光法是將金屬鈾蒸發(fā)，然后以一定的波長應用激光束將鈾-235原子激發(fā)到一個特定的激發(fā)態(tài)或電離態(tài)，但不能激發(fā)或電離鈾-238原子。然后，電場對通向收集板的鈾-235原子進行掃描。分子激光法也是依靠鈾同位素在吸收光譜上存在的差異，并首先用紅外線激光照射六氟化鈾氣體分子。鈾-235原子吸收這種光譜，從而導致原子能態(tài)的提高。然后再利用紫外線激光器分解這些分子，并分離出鈾-235。該法似乎有可能生產(chǎn)出非常純的鈾-235和鈾-238，但總體生產(chǎn)率和復合率仍有待證明。在此應當指出的是，分子激光法只能用于濃縮六氟化鈾，但不適于“凈化”高燃耗金屬钚，而既能濃縮金屬鈾也能濃縮金屬钚的原子激光法原則上也能“凈化”高燃耗金屬钚。因此，分子激光法比原子激光法在防擴散方面會更有利一些。
同位素電磁分離法——同位素電磁分離濃縮工藝是基于帶電原子在磁場作圓周運動時其質(zhì)量不同的離子由于旋轉(zhuǎn)半徑不同而被分離的方法。通過形成低能離子的強電流束并使這些低能離子在穿過巨大的電磁體時所產(chǎn)生的磁場來實現(xiàn)同位素電磁分離。輕同位素由于其圓周運動的半徑與重同位素不同而被分離出來。這是在20世紀40年代初期使用的一項老技術。正如伊拉克在20世紀80年代曾嘗試的那樣，該技術與當代電子學結合能夠用于生產(chǎn)武器級材料。
化學分離法——這種濃縮形式開拓了這樣的工藝，即這些同位素離子由于其質(zhì)量不同，它們將以不同的速率穿過化學“膜”。有2種方法可以實現(xiàn)這種分離：一是由法國開發(fā)的溶劑萃取法，二是日本采用的離子交換法。法國的工藝是將萃取塔中2種不互溶的液體混和，由此產(chǎn)生類似于搖晃1瓶油水混合液的結果。日本的離子交換工藝則需要使用一種水溶液和一種精細粉狀樹脂來實現(xiàn)樹脂對溶液的緩慢過濾。
等離子體分離法——在該法中，利用離子回旋共振原理有選擇性地激發(fā)鈾-235和鈾-238離子中等離子體鈾-235同位素的能量。當?shù)入x子體通過一個由密式分隔的平行板組成的收集器時，具有大軌道的鈾-235離子會更多地沉積在平行板上，而其余的鈾-235等離子體貧化離子則積聚在收集器的端板上。已知擁有實際的等離子體實驗計劃的國家只有美國和法國。美國已于1982年放棄了這項開發(fā)計劃。法國雖然在1990年前后停止了有關項目，但它目前仍將該項目用于穩(wěn)定同位素分離。
迄今為止，只有氣體擴散法和氣體離心法達到了商業(yè)成熟程度。所有這7項技術均在不同程度上具有擴散敏感性，因為它們都能夠在一項秘密計劃中不惜代價地被用于從天然鈾或低濃鈾生產(chǎn)高濃鈾。但是，由于這些技術的特征不同，因而將影響到其被探知的可能性。
三、六氟化鈾
uraniumhexafluoride
化學式：UF6；分子量：352
性狀：無色或淡黃色晶體。具放射性。相對密度4.68～5.09。熔點64.5～64.8℃(三相點溫度)。沸點56.4℃。當溫度升高或壓力降低時，很易升華成為氣體(101.3kPa下56.4℃或13.17kPa下25℃時均升華為氣體)。化學性質(zhì)活潑，與水起劇烈反應，與大多數(shù)有機化合物起氟化反應，化學腐蝕性強。
制備：通常由二氧化鈾與氟化氫在500℃時反應，先制得四氟化鈾；再與氟在300～350℃時反應即得。用氟氣氟化四氟化鈾是六氟化鈾的最主要的工業(yè)制備方法，它消耗的氟氣最少。是目前鈾化合物中惟一易揮發(fā)的化合物，為氣體擴散法、超離心法分離和富集鈾235和鈾238的最為適宜的工作介質(zhì)，在原子能工業(yè)中具有非常重要的意義。
用途：作核燃料，是鈾的惟一穩(wěn)定的氣態(tài)化合物，廣泛用于鈾同位素分離廠的供料。UF4(固)+F2(氣)→UF6(氣)
反應：劇毒。兔于0.3mg/m3的濃度死亡達14％。動物尸檢見腎臟、胃組織及肺臟的病變。吸收后可于第1天自尿中排出50％。職業(yè)性急性中毒主要表現(xiàn)為呼吸道刺激，重者引起肺炎、肺水腫及肝、腎病變。皮膚接觸可引起灼傷。
四、鈾-238是誰先發(fā)現(xiàn)?
1975年人們發(fā)現(xiàn)距今約20億年前，在今加蓬共和國境內(nèi)的奧克洛礦區(qū)，至少出現(xiàn)過10座“天然反應堆”，這就是所謂“奧克洛現(xiàn)象”一般認為，天然鈾由3種同位素組成：鈾-235約占0.714%，鈾-238約占99.274%，鈾-234約占0.0058%。只有鈾-235的原子核在中子轟擊下才易發(fā)生裂變。人們在實踐中發(fā)現(xiàn)：地球上的天然鈾，其中鈾-235的含量都在0.714%左右，而且來自宇宙空間的隕石以及月球等處的巖樣、土壤，“奧克洛現(xiàn)象”正是人們在分析鈾-235的天然豐度時發(fā)現(xiàn)的。前蘇聯(lián)科學家В.И.馬雷特維耶夫等人于1975年指出，距今46億年前，鈾-235的相對豐度約為25%。據(jù)推斷，在20億年前，天然鈾中，鈾-235的含量約為3.88%。這比現(xiàn)今大多數(shù)反應堆里鈾-235的濃度（2%-3%）還高。由此可見，在20億年前，奧克洛礦區(qū)既有足夠數(shù)量的豐度為3.88%的鈾-235，又有充沛的水，只要鈾、水和二氧化硅均勻分布，并滿足一定的比例關系，便可產(chǎn)生鈾核的自持鏈式裂變反應。
鈾
最重的天然元素鈾已經(jīng)成為新能源的主角，那么鈾又是怎樣提煉出來的呢？
在居里夫婦發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象發(fā)現(xiàn)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(yè)大大地發(fā)展起來，并迅速地建立起了獨立完整的原子能工業(yè)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(zhì)很活潑，易與大多數(shù)非金屬元素發(fā)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(zhì)。
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(zhì)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?shù)?，每噸海水平均只?.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(zhì)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(tài)存在著。已知的鈾礦物有一百七十多種，但具有工業(yè)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(zhì)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(fā)出強烈的熒光，我們還記得，正是鈾礦物(鈾化合物)這種發(fā)熒光的特性，才導致了放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。
雖然鈾元素的分布相當廣，但鈾礦床的分布卻很有限。國外鈾資源主要分布在美國、加拿大、南非、西南非、澳大利亞等國家和地區(qū)。據(jù)估計，國外已探明的工業(yè)儲量到1972年已超過一百萬噸。隨著勘探活動的廣泛和深入，鈾儲量今后肯定還會增加。我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(fā)現(xiàn)某個地區(qū)巖石、土壤、水、甚至植物內(nèi)放射性特別強，就說明那個地區(qū)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(qū)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(chǎn)品的純度又要求很高(金屬鈾的純度要求在99．9％以上，雜質(zhì)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(zhì)，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(jīng)加熱脫硝，轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)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。
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后，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，并不是因為里面的裂變物質(zhì)(鈾235)已全部耗盡，而是因為能大量吸收中子的裂變產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)物相互分開，然后進行適當?shù)募兓娃D(zhuǎn)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(chǎn)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。
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，并實行遠距離操作；二是廢燃料中钚含量很低而钚又極貴重，所以要求處理過程的分離系數(shù)和回收率都很高；三是钚能發(fā)生鏈式反應，因此必須采取嚴格的措施，防止臨界事故的發(fā)生。目前，廢燃料的處理大都采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，相對于反應堆而言，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后進行，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(nèi)，一般總稱為核燃料循環(huán)。
從以上極為簡單的介紹就可以看出，鈾和钚確是得之不易的。原子能工業(yè)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(yè)，得經(jīng)過多少次加工和處理、分析和測量、計算和核對?。≡幽芄I(yè)又猶如一座高高的金字塔，要制造一顆原子彈，就要使用一、二十公斤鈾235或钚239；要生產(chǎn)一、二十公斤鈾235或钚239，就要消耗十來噸天然鈾；要生產(chǎn)十來噸天然鈾就要加工近萬噸鈾礦石。我們贊賞核電站的雄姿，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(shù)塊磚石??！
2006-06-27 15:38:33
