鈾(Uranium)是原子序數(shù)為92的元素，其元素符號(hào)是U，是自然界中能夠找到的最重原生元素。在自然界中存在三種同位素，均帶有放射性，擁有非常長(zhǎng)的半衰期（數(shù)十萬(wàn)年~45億年）。此外還有12種人工同位素(226U~240U)。鈾在1789年由馬丁·海因里希·克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）發(fā)現(xiàn)。鈾化合物早期用于瓷器的著色，在核裂變現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后用作為核燃料。

2023年4月，日本與韓國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種以前未知的鈾同位素——鈾-241。11月21日，鈾的價(jià)格15年來(lái)首次突破80美元/磅。

簡(jiǎn)介

自然產(chǎn)生的最重的金屬。呈銀白色，具有硬度強(qiáng)、密度高、可延展、有放射性等特征。一般在鈾與氧、氧化物或硅酸鹽的結(jié)合中發(fā)現(xiàn)鈾。鈾原子能發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放大量能量從而可以應(yīng)用于發(fā)電，核武器制造等領(lǐng)域。第二次世界大戰(zhàn)中盟軍的核武器計(jì)劃引發(fā)對(duì)鈾的需求，鈾的生產(chǎn)應(yīng)運(yùn)而生。到20世紀(jì)70年代，鈾的生產(chǎn)工業(yè)已穩(wěn)固地建立起來(lái)。

化學(xué)性質(zhì)

鈾是Ⅲb族錒系放射性化學(xué)元素，符號(hào)U，原子序數(shù)92，相對(duì)原子質(zhì)量238.03，是原子序數(shù)和相對(duì)原子質(zhì)量最大的天然元素。鈾在常溫下是銀白色的致密金屬，鈾的新切面呈發(fā)亮的鋼灰色，但在室溫空氣中逐漸生成黑色氧化膜。

鈾原子的外電子層構(gòu)型為[Rn]5f36d17s2，5f36d17s2殼層為價(jià)電子。鈾有 3、 4、 5、 6四種價(jià)態(tài)，以 4和 6價(jià)態(tài)為主。

鈾是正電性很強(qiáng)的活潑元素，與幾乎所有非金屬元素（惰性氣體除外）反應(yīng)生成化合物，常以U3 、U4 、UO2 和UO22 離子形式存在。鈾與氫在523K時(shí)發(fā)生可逆反應(yīng)，生成UH3。鈾-氧系比較復(fù)雜，在UO2～UO3間存在多種相，重要的氧化物有UO2、U3O8和UO3。其中UO2是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的核燃料。鈾與鹵素生成核燃料制備工藝中重要的化合物。如UF4是生產(chǎn)金屬鈾和UF6的中間產(chǎn)物。UF6的三相點(diǎn)為337K，是氣態(tài)鈾同位素分離的原料。碳化鈾、氮化鈾和硅化鈾都是性能優(yōu)越的被認(rèn)為有希望的核燃料。

金屬鈾在空氣中會(huì)變暗，可為蒸汽和酸腐蝕，但耐堿腐蝕。其原子半徑為138.5pm；U3 、U4 、U5 、U6 的離子半徑分別為103、97、89及80pm。鈾的電負(fù)性據(jù)鮑林（Pauling）測(cè)定為1.38；阿爾勒德（Allred）和羅切夫（Rochow）測(cè)定為1.22。

鈾能與大多數(shù)非金屬元素及其化合物發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)的溫度和反應(yīng)速度隨鈾的粒度而異。鈾在室溫的空氣或氧氣中能自燃，細(xì)粒鈾在水中亦能自燃。在一定條件下，鈾氧化放出的能量可引起爆炸。鈾粉塵的爆炸濃度下限為55mg/dm3。鈾能與許多金屬反應(yīng)生成金屬間化合物。鈾可與鈮、鉿、鋯、鉬及鈦生成固溶體。

鈾及其化合物均有較大的化學(xué)毒性，空氣中可溶性鈾化合物的允許濃度為0.05mg/m3，不溶性鈾化合物的允許濃度為0.25mg/m3，人體對(duì)天然鈾的放射性允許劑量，可溶性鈾化合物是7400Bq，不溶性鈾化合物是333Bq。

物理性質(zhì)

鈾是放射性金屬元素，可作為核反應(yīng)的燃料。鈾是銀白色金屬，幾乎與鋼一樣硬，密度高（相對(duì)密度約18.95），熔點(diǎn)1135℃，沸點(diǎn)4134℃。在核能量發(fā)展之前，它被用作制造黃色玻璃。鈾是自然界存在的原子序數(shù)最高的元素。1841年E.佩利（1811-1890）離析出金屬鈾，雖然在此之前鈾已在瀝青鈾礦中被認(rèn)知。它也藏于云母鈾礦、釩鉀鈾礦和獨(dú)居石中；主要分布于加拿大、澳大利亞、南非?？赏ㄟ^(guò)氣體擴(kuò)散技術(shù)從易揮發(fā)氣體六氟化鈾（UF6）中分離各同位素鈾。

鈾存在三種同素異形體，其存在溫度和主要結(jié)構(gòu)特征列于表中。α-U在室溫時(shí)的密度為19.02t/m3。α-U和β-U呈明顯的各向異性，如在298～523K之間，α-U單晶沿a、b、c軸熱膨脹系數(shù)分別為αa= 33.24×10-6/K、αb=-6.49×10-6/K、αc= 30.36×10-6/K。γ-U有各向同性結(jié)構(gòu)。無(wú)序排列的多晶鈾在293～373K范圍的熱膨脹系數(shù)等于16.3×10-6/K。在5～350K之間的比熱為27.66J/（mol·K）。α-U的熱導(dǎo)率隨溫度提高而增加，室溫下為25.1W/（m·K），1033K時(shí)為37.7W/（m·K）。

鈾的力學(xué)性質(zhì)隨試樣爐號(hào)和熱處理的不同而異。對(duì)α軋制α退火的試樣，得到室溫最大屈服強(qiáng)度為206.8-275.8 MPa，對(duì)小變形量擠壓鈾，室溫抗拉強(qiáng)度極限為586.1～861.8MPa。鈾有三種晶格結(jié)構(gòu)：α-U為斜方結(jié)構(gòu)，a=284.785pm，b=585.801pm，c=494.553pm；β-U為正方結(jié)構(gòu)，a=1076.0pm，c=565.2pm；γ-U為體心立方結(jié)構(gòu)，a=352.4pm。它們的轉(zhuǎn)換溫度為941K（α→β）和1047K（β→γ）。

鈾的同素異形體 α-U β-U γ-U

存在溫度范圍 （K） ＜941 941-1048 1048（熔點(diǎn)）

晶體結(jié)構(gòu) 斜方 四方 體心立方

晶胞中原子數(shù) （個(gè)） 4 30 2

晶格常數(shù) （nm） a0 0. 28541 1. 0579 0. 3524

b0 0. 58692 - -

c0 0. 49563 0. 5656 -

鈾的重要物理性質(zhì)列于下表。

性 質(zhì) 數(shù) 據(jù)

熔點(diǎn)T/K 1405.5

沸點(diǎn)T/K 4018

熔化熱Q/kJ·mol-1 15.5

氣化熱Q/kJ·mol-1 417.1

密度ρ/kg·m-3 18950（293K），17907（熔點(diǎn)液體）

熱導(dǎo)率λ/W·m-1·K-1 27.6（300K）

電阻率ρ/Ω·m 30.8×10-8（273K）

摩爾體積Vm/cm3 12.56

線脹系數(shù)αl/K-1 12.6×10-6

同位素及半衰期

天然鈾含有三種同位素：238U、235U和234U，它們的含量分別為99.28%（238U）、0.71%（235U）和0.006%（234U），半衰期分別為（238U）4.51×109、（235U）7.09×108和（234U）2.35×105年。其中以235U為最重要，是目前核動(dòng)力的燃料。一個(gè)235U核吸收一個(gè)熱中子發(fā)生裂變時(shí)放出約2.5個(gè)中子，并釋放出207MeV能量。1kg235U核裂變放出的能量相當(dāng)于燃燒2700t煤所產(chǎn)生的能量。根據(jù)反應(yīng)堆堆型及其工作條件，核燃料可采用天然鈾或提高了U含量的富集鈾。用氣體擴(kuò)散法、離心法或激光法等分離鈾同位素，可使U的富集度達(dá)到90%以上。U俘獲中子后轉(zhuǎn)變成易裂變的Pu（钚）。Pu和U也是制造核武器的主要原料。

在25km地殼內(nèi)含1014t鈾，其中海水含1010t，每噸海水平均含鈾3.3mg。自然界存在幾百種含鈾的礦物，但大多是貧礦，所以經(jīng)濟(jì)地大量開(kāi)采很困難。目前，經(jīng)濟(jì)上有開(kāi)采價(jià)值的鈾礦含U3O8量為0.1%左右。如果發(fā)展快中子增殖堆，則鈾資源利用率可比壓水堆提高60～70倍。

鈾同位素中存量最多的是238U，再者是可用作核能發(fā)電的燃料的235U，豐度最少的是234U。此外還有12種人工同位素。

同位素 豐度 半衰期 衰變模式 衰變能量（MeV）衰變產(chǎn)物

232U 人造 68.9年 自發(fā)分裂 - -

α衰變 5.414 Th-228

233U 人造 159200年 自發(fā)分裂 197.93 -

α衰變 4.909 Th-229

234U 0.01% 245500年 自發(fā)分裂 197.78 -

α衰變 4.859 Th-230

235U 0.72% 7.038×108年 自發(fā)分裂 202.48 -

α衰變 4.679 Th-231

236U 人造 2.342×107年 自發(fā)分裂 201.82 -

α衰變 4.572 Th-232

237U 人造 6.75日 β衰變 0.519 Np-237

238U 99.28% 4.468×109年 自發(fā)分裂 205.87 -

α衰變 4.27 Th-234

核性質(zhì)

鈾的熱中子吸收截面為7.60b±0.07b。鈾的同位素（包括同核異能素）有15種，其質(zhì)量數(shù)從227至240。鈾的天然同位素組成列于下表。

核 素 相對(duì)原子質(zhì)量 自然豐度/% 半衰期T1/2/a 衰變模式及衰變能

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為錒鈾衰變系的始祖核素，238U為鈾鐳系的始祖核素，234U是238U的衰變系產(chǎn)物。235U是惟一天然的可裂變核素。235U核素受熱中子轟擊，吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂變（誘發(fā)裂變）。一個(gè)235U核在裂變時(shí)放出的總能量為195MeV，同時(shí)放出2～3（平均2.5）個(gè)中子。只要其中一個(gè)中子引起另一個(gè)235U核發(fā)生裂變，鏈?zhǔn)胶肆炎兙蜁?huì)持續(xù)進(jìn)行下去。238U不是裂變核素，但238U在反應(yīng)堆活性區(qū)吸收中子后生成239U，239U再經(jīng)兩次β衰變生成能裂變的Pu。因此，可以利用快中子增殖堆充分發(fā)揮238U的作用，提高天然鈾的利用率。

發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)史

鈾（yóu）英文名Uranium，得名于天王星的名字“Uranus”。1789年M.H.克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）首先從瀝青鈾礦中發(fā)現(xiàn)了“鈾”，就用1781年新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)行星——天王星命名它為uranium，元素符號(hào)定為U。但1841年E.M.佩利若（Eugene-Melchior Peligot）證明該物質(zhì)系二氧化鈾，隨后用鉀還原UCl4制備了金屬鈾。1896年A.H.貝可勒爾（Antoine Henri Becquerel）發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性現(xiàn)象。那時(shí)對(duì)鈾的研究屬純理論性的，鈾化合物只用于玻璃和陶瓷的著色。1898年在鈾礦中發(fā)現(xiàn)了鐳，鈾便成為開(kāi)采鐳的副產(chǎn)品。1938年O.哈恩（Otto Hahn）和F.施特拉斯曼（Fritz Strassmann）用中子轟擊鈾核發(fā)現(xiàn)核裂變同時(shí)釋放出能量，引起了人們重新對(duì)鈾的重視。第二次世界大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后，由于核武器和核動(dòng)力的需要，加速了鈾資源的勘探和開(kāi)采。

美國(guó)為此設(shè)立了專(zhuān)門(mén)研究原子彈的機(jī)構(gòu)。1945年美國(guó)在日本廣島投擲了第一顆235U原子彈，幾天后又在日本長(zhǎng)崎投下了一顆239Pu原子彈。1954年蘇聯(lián)建成了第一座核電站。從此，鈾的科研和生產(chǎn)受到世界各國(guó)的高度重視，核武器制造和核發(fā)電工業(yè)便得到迅速發(fā)展。中國(guó)的鈾工業(yè)自20世紀(jì)50年代興起，已形成完整的和具有相當(dāng)規(guī)模的科研和工業(yè)生產(chǎn)體系。

2023年4月，日本與韓國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種以前未知的鈾同位素——鈾-241。其原子序數(shù)為92，質(zhì)量為241，半衰期可能只有40分鐘，這是自1979年以來(lái)科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)富含中子的鈾同位素。

鈾的化合物

鈾有多種化合物，主要鈾化合物的化學(xué)式、存在形態(tài)和用途列于下表。

名稱(chēng) 化學(xué)式 存在形態(tài) 用 途

二氧化鈾 UO2 深褐色或黑色粉末 制造反應(yīng)堆元件或

生產(chǎn)UF4

三氧化鈾 UO3 無(wú)定形UO3或α-UO3，褐色，β-UO3橙色粉末，γ-UO3 還原成UO2

亮黃色，δ-UO3紅色，Σ-UO3磚紅色，η-UO3棕色

八氧化三鈾 U3O8 橄欖綠色（有時(shí)呈墨綠或黑色）粉末翠綠色晶體（綠鹽）儲(chǔ)存、還原成UO2制取金屬鈾或UF6

四氟化鈾 UF4 室溫下近于白色固體，在309K溫度升華，最易揮發(fā)的鈾化合物 同位素分離，濃縮

六氟化鈾 UF6 235U

硝酸鈾酰 UO2(NO3)2 UO2（NO3）2·6H2O亮黃色晶體 脫硝成UO3

重鈾酸銨 (NH4)2U2O7 黃色沉淀物（俗稱(chēng)“黃餅”）質(zhì)量好的呈片狀結(jié)晶 熱分解成UO2或

UO3

三碳酸鈾酰銨 (NH4)4UO2(CO3)3 淡黃色晶體 熱分解成UO2

鈾的合金

鈾能與多種金屬生成金屬間化合物。鈾具有化學(xué)性質(zhì)活潑、各向異性結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能較差等缺陷。鈾合金的某些性質(zhì)優(yōu)于金屬鈾，這在核燃料元件制造中相當(dāng)重要。添加適量的其他金屬，如鈮、鉻、鉬或鋯能改善鈾的熱導(dǎo)率、晶體結(jié)構(gòu)及金相結(jié)構(gòu)、熱處理特性、輻照穩(wěn)定性和耐蝕性等。

貧鈾彈即利用貧鈾合金制造的一種高效燃燒穿甲彈，它借助貧鈾材料密度大（鉛密度的2倍）、強(qiáng)度大（鋼強(qiáng)度的3倍）和穿透力強(qiáng)，且易燃燒的特點(diǎn)制作而成，貧鈾合金含238U、235U等，貧鈾彈爆炸后殘留的235U等能損害腎臟、神經(jīng)系統(tǒng)，可導(dǎo)致肺癌等。密度、硬度較大的貧鈾合金，還可制作防輻射材料等。

鈾的賦存及資源

鈾廣泛存在于地殼和海水中。海水中鈾的濃度為3×10-7%，地殼豐度為2.3×10-4%，但在地殼中很分散。

鈾的礦物

鈾礦物按成因可分為原生鈾礦和次生鈾礦兩大類(lèi)。除瀝青鈾礦外，原生鈾礦均存在于偉晶巖中，原生礦物經(jīng)風(fēng)化和熱液作用易轉(zhuǎn)變成各種次生礦物。鈾礦的成因、產(chǎn)狀、含鈾量及伴生礦物和圍巖均會(huì)影響到鈾礦的加工工藝。已發(fā)現(xiàn)的鈾礦物和含鈾礦物約有500多種。其中常見(jiàn)并具有工業(yè)實(shí)用價(jià)值的僅二三十種。下表所列為重要的鈾礦物。

類(lèi)型 礦物名稱(chēng) 組 成 鈾含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω）/%

原生鈾礦 瀝青鈾礦 UO2·mUO3·nPbO 40～76

晶質(zhì)鈾礦 （U,Th）O2·mUO3·nPbO 65～75.4

鈦鈾礦 (U,Ce,Fe,Y,Th)3Ti5O16 ＜40

次生鈾礦 水（瀝青）鈾礦 UO2·mUO3·nH2O

銅鈾云母 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 K2(UO2)2(VO4)2·(1～3)H2O 50

釩鈣鈾礦 Ca(UO2)2(VO4)2·8H2O 50～60

除澳大利亞、加拿大有一些較大的富鈾礦床（含鈾1%～10%）外，大多數(shù)鈾礦的含鈾品位為0.1%～0.2%。鈾水冶廠大多直接處理鈾原礦，但通過(guò)選礦能提高礦石品位，降低成本。一些國(guó)家正采用放射分選機(jī)對(duì)塊狀鈾礦石進(jìn)行選礦。為了綜合利用或改善鈾礦石加工性能，有的礦石還需經(jīng)配礦、焙燒等預(yù)處理。

此外，含鈾的磷酸鹽礦、褐煤、頁(yè)巖、鈾礦水、含鈾銅廢石堆浸液和海水等都可成為提鈾的原料。例如，1988年美國(guó)從濕法磷酸等副產(chǎn)品中回收的鈾達(dá)1500t，約占其總產(chǎn)量5190t鈾的29%。

分布范圍

鈾通常被人們認(rèn)為是一種稀有金屬，盡管鈾在地殼中的含量很高，比汞、鉍、銀要多得多，但由于提取鈾的難度較大，所以它注定了要比汞這些元素發(fā)現(xiàn)的晚得多。盡管鈾在地殼中分布廣泛，但是只有瀝青鈾礦和鉀釩鈾礦兩種常見(jiàn)的礦床。

地殼中鈾的平均含量約為百萬(wàn)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。在地殼的第一層（距地表20 km）內(nèi)含鈾近1.3×1014噸。依此推算，一立方公里的花崗巖就會(huì)含有約一萬(wàn)噸鈾。海水中鈾的濃度相當(dāng)?shù)停繃嵑Ｋ骄缓?.3毫克鈾，但由于海水總量極大（海水中總含鈾量可達(dá)4.5×109噸），且從水中提取有其方便之處，所以不少?lài)?guó)家，特別是那些缺少鈾礦資源的國(guó)家，正在探索海水提鈾的方法。

由于鈾的化學(xué)性質(zhì)很活潑，所以自然界不存在游離態(tài)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(kāi)采價(jià)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（主要成分為二氧化鈾）、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(qiáng)烈的熒光。正是鈾礦物（鈾化合物）這種發(fā)熒光的特性，才導(dǎo)致了放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。

雖然鈾元素的分布相當(dāng)廣，但鈾礦床的分布卻很有限。鈾資源主要分布在美國(guó)、加拿大、南非、西南非、澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)。據(jù)估計(jì)，已探明的工業(yè)儲(chǔ)量到1972年已超過(guò)一百萬(wàn)噸。

鈾及其一系列衰變子體的放射性是存在鈾的最好標(biāo)志。人的肉眼雖然看不見(jiàn)放射性，但是借助于專(zhuān)門(mén)的儀器卻可以方便地把它探測(cè)出來(lái)。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(diǎn)：若發(fā)現(xiàn)某個(gè)地區(qū)巖石、土壤、水、甚至植物內(nèi)放射性特別強(qiáng)，就說(shuō)明那個(gè)地區(qū)可能有鈾礦存在。

提取冶金

鈾的提取冶金具有三個(gè)特點(diǎn)。第一，鈾礦石的品位很低，一般含鈾（238U 235U）0.1%～0.2%，而其中235U僅為0.0007%～0.0014%，為獲得核純鈾，必須經(jīng)過(guò)一系列富集、提純過(guò)程。第二，核純金屬鈾需再經(jīng)同位素分離，制成不同豐度的濃縮235U。第三，工藝過(guò)程繁雜，并存在輻射危害問(wèn)題。因此，鈾生產(chǎn)技術(shù)難度大，安全防護(hù)要求嚴(yán)格。

除了就地浸出以及從其他含鈾物料提鈾外，鈾的提取冶金都是從鈾礦石（原礦或精礦）開(kāi)始的，通常包括鈾提取、四氟化鈾制取、金屬鈾制取、六氟化鈾制取、鈾同位素分離、制取含濃縮U的金屬鈾和鈾燃料元件加工等主要步驟。

（1）鈾提取。包括鈾礦石的浸出、液固分離、富集、提純（常用離子交換或溶劑萃取法）及沉淀產(chǎn)物熱分解制取核純UO2或U3O8。

（2）四氟化鈾制取。將UO2（U3O8可用氫還原成UO2）氫氟化成四氟化鈾（綠鹽）。

（3）金屬鈾制取。用金屬鈣或鎂將UF4還原成金屬鈾，金屬鈾再經(jīng)精煉、澆鑄、加工、鍛造（或擠壓）成形、包殼等處理制成天然鈾的反應(yīng)堆元件，供生產(chǎn)裂變?cè)?39Pu用。

（4）六氟化鈾制取。將UF4氟化成UF6。

（5）鈾同位素分離。利用235U與238U質(zhì)量之間的微小差異，通過(guò)對(duì)UF6的氣體擴(kuò)散（或離心分離），制取不同豐度的濃縮235UF6。

（6）制取含濃縮235U的金屬鈾。將濃縮235UF6經(jīng)氫還原成235UF4，再轉(zhuǎn)化成濃縮235UO2。用鈣或鎂還原235UF4制成含濃縮U的金屬鈾。

（7）鈾燃料元件加工。將濃縮UO2或金屬鈾進(jìn)一步加工制成反應(yīng)堆燃料元件或其他最終產(chǎn)品。

安全防護(hù)

鈾及其化合物既會(huì)放出危害生物的射線，又有化學(xué)毒性，在生產(chǎn)過(guò)程中必須采取安全防護(hù)措施。安全防護(hù)措施的主要內(nèi)容包括嚴(yán)防粉塵及氡氣進(jìn)入人體；使生產(chǎn)場(chǎng)地的輻射劑量低于放射性衛(wèi)生防護(hù)規(guī)定的限值；排放的三廢經(jīng)處理后必須達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。要注意濃縮鈾產(chǎn)物臨界安全。

發(fā)展趨勢(shì)

利用低品位鈾礦石及其他含鈾物料以擴(kuò)大鈾資源。重視鈾的就地浸出、堆浸、細(xì)菌浸出等浸出方法的開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，以節(jié)省能耗和降低生產(chǎn)成本。開(kāi)發(fā)并推廣應(yīng)用快中子增殖堆，提高天然鈾的利用率。研究開(kāi)發(fā)無(wú)廢物工藝，減輕鈾對(duì)環(huán)境的污染。發(fā)展節(jié)能的離心法、激光法等同位素分離方法，替代耗能高的擴(kuò)散法。

鈾原子核裂變

自然界里234U不會(huì)發(fā)生核裂變，通常，238U也不會(huì)發(fā)生裂變，只有235U易發(fā)生核裂變，核燃料主要指235U。235U半衰期為7.038×108年，從235U開(kāi)始，經(jīng)過(guò)11次連續(xù)衰變，最后出現(xiàn)穩(wěn)定的207Pb。238U半衰期為4.468×109年，從238U開(kāi)始，經(jīng)過(guò)14次連續(xù)衰變，最后出現(xiàn)穩(wěn)定的206Pb-206。238U連續(xù)衰變中，子核半衰期最長(zhǎng)的是234U，它的半衰期是2.45×105年。

235U、233U和239Pu是主要的核裂變物質(zhì)，可直接做核燃料，它們能大量獲得、并易吸收慢中子（能量小于1eV）并發(fā)生裂變，234U、238U則不行。235U存在于天然鈾中，233U和239Pu要靠鈾核反應(yīng)堆生產(chǎn)。235U、233U和239Pu，任何能量的中子均可使它們分裂、釋放能量；對(duì)235U來(lái)說(shuō)，速度越慢的中子越易引起裂變。238U吸收一個(gè)中子，也可轉(zhuǎn)變?yōu)榱炎兾镔|(zhì)。

235U和238U都能自發(fā)裂變，但后者自發(fā)裂變的幾率很小。

U-235裂變

研究表明，235U吸收慢中子后，有40多種裂變方式，至少能生產(chǎn)36種元素的300多種核素和快中子（平均2.5個(gè)），并釋放巨大能量。鈾核裂變生成物除中子外，通常有兩種（兩分裂）裂變物，還有三種（三分裂）和四種裂變物（1946 年，我國(guó)物理學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)等在法國(guó)發(fā)現(xiàn)），“三分裂”幾率極小。除中子外，鈾核“兩分裂”的碎塊有許多組合方式，碎塊質(zhì)量比大致為3：2的發(fā)生幾率最大，碎塊質(zhì)量相同的機(jī)會(huì)極小；鈾“三分裂”，其中一塊是α粒子，“三分裂”發(fā)生的幾率是“二分裂”的3/1000。統(tǒng)計(jì)表明，235U裂變發(fā)射的中子能量（動(dòng)能）在0.1-20MeV范圍，平均為2MeV。僅有快中子不能使天然鈾產(chǎn)生持續(xù)的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，慢中子也不能使238U發(fā)生裂變，持續(xù)的裂變反應(yīng)在238U中不可能發(fā)生。235U和240Pu等，除中子可引發(fā)其核裂變外，具有足夠能量的帶電粒子或γ射線等也能引發(fā)裂變。此外，鈾對(duì)約25eV的中子還會(huì)產(chǎn)生俘獲共振，即俘獲而不裂變。

235U結(jié)合能小，核裂變勢(shì)壘較低，任何能量的中子都能使它裂變，且對(duì)慢中子（中子速率為2.2×103m/s，與常溫下氣體分子運(yùn)動(dòng)速率相當(dāng)。這樣，它在鈾核附近的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，容易擊中鈾核使之裂變）有很大的裂變截面（裂變幾率大）。235U吸收一個(gè)慢中子，通常先形成激發(fā)態(tài)的236U（復(fù)核），然后裂變成兩塊，同時(shí)釋放中子和能量等。熱中子（慢中子的一種）反應(yīng)堆里，235U熱中子裂變截面比238U的熱中子裂變截面要大200倍，這樣，就會(huì)有足夠數(shù)量的中子引起235U核裂變，這可彌補(bǔ)天然鈾或濃縮鈾中235U含量較少之弱點(diǎn)；這種反應(yīng)堆工作時(shí)，鈾的利用率為1%-2%。

U-238裂變

238U（240Pu、232Th）裂變是有閥的，小于1.1MeV的中子會(huì)被其吸收或散射，不能引發(fā)裂變；較大能量的中子才能使它們裂變，但可能性又極小。238U結(jié)合能較大，裂變勢(shì)壘較高，能量超過(guò)1.4MeV的快中子才能使它裂變，釋放的中子能量較大。研究顯示，238U在幾MeV以上有很多共振吸收峰，其裂變幾率隨中子能量增大而增大。238U不易產(chǎn)生裂變，但吸收中子后能變成239Pu和233U等較好的核裂變物質(zhì)。熱中子被238U俘獲的幾率是熱中子使235U裂變幾率的1/190左右?？熘凶油?38U核的主要作用是非彈性碰撞，大部分中子都是通過(guò)非彈性碰撞降低能量，再在多次碰撞中被238U核吸收。

鈾濃縮

濃縮鈾簡(jiǎn)介

鈾材料里235U的含量高于0.7%即濃縮鈾。鈾是重要的核燃料和原子彈核心材料，現(xiàn)在使用的鈾材料都需提煉、濃縮，使之達(dá)到一定的純度。比如，制造一顆原子彈至少需20-50千克的高濃縮鈾（也可用钚造原子彈），其濃縮純度應(yīng)達(dá)到 90%以上。

鈾礦石里235U的含量很低，絕大部分是238U，鈾礦石不能像煤塊那樣直接做燃料，它類(lèi)似于大部分是泥沙的煤餅，沒(méi)法燃燒。鈾元素同位素的豐度（一元素的同位素混合物里，某同位素的原子數(shù)和總的原子數(shù)之比）可通過(guò)工藝處理使之增大，以獲得該元素濃縮的某種同位素，如235U，235U與238U物理性質(zhì)稍有不同，主要是相對(duì)質(zhì)量不同，這導(dǎo)致它們形成的化合物微粒質(zhì)量會(huì)有點(diǎn)差異。利用鈾天然同位素原子量不同進(jìn)行分離，可使鈾材料中235U對(duì)238U的比值較天然鈾高，從而獲得裂變材料——濃縮鈾。“濃縮”主指提高某元素特定同位素豐度的同位素分離過(guò)程，如由天然鈾生產(chǎn)濃縮鈾或由普通水生產(chǎn)重水等。

濃縮鈾同位素目的即提高235U相對(duì)于238U等的相對(duì)豐度（濃度），使天然235U的相對(duì)含量高于0.7%的鈾，即濃縮鈾，鈾燃料中235U的含量達(dá)到3%以上才有可能持續(xù)“燃燒”；濃縮鈾有：3%、3.5%、20%濃縮鈾等品種。許多核反應(yīng)堆和核武器中所用的鈾，必須對(duì)其濃縮，即須提高易核裂變的235U濃度，然后將其制成燃料。大多核電廠核反應(yīng)堆用的鈾燃料235U濃度約在3%左右、不超過(guò)5%。核武器里的鈾材料235U濃度需在90%以上；核艦船所用的鈾燃料為20%或更低濃度的鈾。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)界定：235U豐度為3%的鈾材料屬核電站用低濃縮鈾（工業(yè)級(jí)核燃料），常是鈾鹽或氧化鈾；豐度大于80%的鈾材料為高濃縮鈾，豐度大于90%的則是武器級(jí)（軍用）高濃縮鈾，主要用于制造核武器；另一種劃分是：高濃縮鈾（豐度在20%以上），低濃縮鈾（2%-20%，商用濃縮鈾）、微濃縮鈾（0.9%-2%）和武器級(jí)濃縮鈾（90%以上）。鈾濃縮濃度達(dá)到20%是一節(jié)點(diǎn)與難關(guān)，由此再提高鈾濃縮度則是一相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。

獲得鈾材料需經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的工藝，要經(jīng)過(guò)探礦、開(kāi)礦、選礦、浸礦、煉礦、精煉等流程，分離、濃縮是主要和較難的流程，科技含量高。鈾礦石經(jīng)碾磨、分選后得到的較純凈鈾礦產(chǎn)品，即鈾精礦，又叫“黃餅”，主成分是八氧化三鈾和重鈾酸鈉、重鈾酸銨，它是核燃料生產(chǎn)過(guò)程中的一種中間產(chǎn)品。通常，獲得1千克武器級(jí)235U需要200多噸較高品位的鈾礦石。

不論是和平利用核能，還是制造核能武器，濃縮鈾都是必需的。至2006年11月，世界上運(yùn)行或在建的470座商業(yè)核電反應(yīng)堆大多是以濃縮鈾為燃料；到2010年，全球至少已有1600噸高濃縮鈾（還有500噸钚），我國(guó)是世界上第四個(gè)（美、英、蘇后）獨(dú)立掌握濃縮鈾生產(chǎn)技術(shù)的國(guó)家；20世紀(jì)60年代前期，我國(guó)先后建立了衡陽(yáng)鈾水冶廠和蘭州氣體擴(kuò)散廠，獲得了濃縮鈾（1958年5月，蘭州始建我國(guó)首座鈾濃縮生產(chǎn)企業(yè)，它先后為我國(guó)的第一顆原子彈、第一顆氫彈、第一艘核潛艇和第一座核電站，提供了優(yōu)質(zhì)核燃料）。2011年，哈佛大學(xué)肯尼迪學(xué)院下屬貝爾福爾中心的研究報(bào)告說(shuō)，中國(guó)擁有軍用級(jí)鈾16噸、钚1.8噸。

鈾濃縮技術(shù)

因涉及核武器問(wèn)題，鈾濃縮技術(shù)一直是國(guó)際社會(huì)嚴(yán)禁擴(kuò)散的敏感技術(shù)，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)與聯(lián)合國(guó)希望能控制各國(guó)鈾濃縮活動(dòng)。中國(guó)臺(tái)灣曾有核計(jì)劃。1985年起，羅馬尼亞秘密的從事武器級(jí)濃縮鈾提煉工作；1991年，羅馬尼亞政府同樣將其核設(shè)備、核研究置于國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)監(jiān)管之下；2003年，美國(guó)、俄羅斯將其十幾千克、濃度達(dá)80%的濃縮鈾運(yùn)到俄羅斯予以處理。利比亞違反國(guó)際承諾，秘密獲得鈾濃縮技術(shù)以發(fā)展核武器，2003年“伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)”后，該國(guó)向西方妥協(xié)將有關(guān)設(shè)備、圖紙交給了美國(guó)、英國(guó)。

除幾個(gè)核大國(guó)外，日本、德國(guó)、印度、以色列、巴基斯坦、阿根廷、朝鮮（2011年1月，聯(lián)合國(guó)安理會(huì)“對(duì)朝制裁委員會(huì)”專(zhuān)家組擬訂了《朝鮮鈾濃縮計(jì)劃報(bào)告》，以期防止核擴(kuò)散、核競(jìng)賽升級(jí)）、伊朗（2011年6月12日，伊朗常駐國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)代表蘇丹尼耶在第二屆核裁軍國(guó)際會(huì)議期間對(duì)新華社記者說(shuō)，伊朗已生產(chǎn)出逾50公斤純度為20%的濃縮鈾，伊朗的目標(biāo)是有120公斤這種核材料）等國(guó)都掌握了鈾濃縮技術(shù)。

鈾濃縮方法

提純、濃縮235U的技術(shù)較復(fù)雜，鈾元素的各種同位素，如同“孿生姐妹”，物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)十分相似。利用同位素在物理、化學(xué)性質(zhì)上的微小差異，通過(guò)擴(kuò)散、蒸發(fā)或化學(xué)交換等方法與過(guò)程，可使鈾元素同位素的比例發(fā)生變化。用同位素分離法處理天然鈾，可增加鈾235U的濃度，使天然鈾里235U的相對(duì)含量高于0.7%，進(jìn)而獲得供多種需要的不同濃度的鈾材料。工業(yè)規(guī)模分離鈾同位素的技術(shù)（適用于提高U-235濃度）有氣體擴(kuò)散法、氣體離心法、離子交換法以及蒸餾法、電解法、電流法、液體熱擴(kuò)散法、電磁分離法和激光分離法等。這些濃縮方法，工藝過(guò)程都復(fù)雜，投資大、耗能高、且產(chǎn)量低，即生產(chǎn)鈾燃料成本較大。

氣體擴(kuò)散法

這是最早、最成熟的濃縮方法，也是商業(yè)開(kāi)發(fā)的第一種濃縮方法，它據(jù)分子滲透、擴(kuò)散原理，利用不同質(zhì)量鈾同位素轉(zhuǎn)化為氣態(tài)時(shí)運(yùn)動(dòng)速率的不同而進(jìn)行分離。UF6是一種劇毒、腐蝕性強(qiáng)和有放射性的白色晶體，加熱后升華為氣體。由于238U、235U的質(zhì)量數(shù)不同，所以UF6氣體中二者的分子質(zhì)量也不同，UF6里235U的質(zhì)量數(shù)是349、238U的質(zhì)量數(shù)是352。當(dāng)高壓UF6混合氣體（鈾同位素的混合氣體）透過(guò)級(jí)聯(lián)安裝的多孔薄膜時(shí)，UF6中U-235輕分子氣體會(huì)比UF6中238U重分子的氣體更快地通過(guò)多孔膜。通過(guò)膜管的氣體立即被泵送到下一級(jí)，留在膜管中的氣體則返回到較低級(jí)再循環(huán)。在每一個(gè)氣體擴(kuò)散級(jí)中235U與238U濃度比僅略有增加，如此分離、濃縮到工業(yè)級(jí)235U濃度則需1000級(jí)以上。

該技術(shù)的核心是多孔擴(kuò)散分離膜（蘇聯(lián)曾叫它是“社會(huì)主義陣營(yíng)安全的心臟”），我國(guó)于1964年研制出優(yōu)質(zhì)的分離膜元件（時(shí)稱(chēng)甲種分離膜，該技術(shù)獲1984年國(guó)家發(fā)明一等獎(jiǎng)）。分離膜是每平方分米有數(shù)百萬(wàn)個(gè)超微細(xì)孔的多孔薄金屬板或薄膜，將這些薄膜（板）卷成管子并裝在密封的擴(kuò)散器里，當(dāng)UF6氣體加壓送到由這些管子組成的級(jí)聯(lián)裝置中，混合氣體便會(huì)逐漸被分離，含235U多的濃縮UF6氣體沿著級(jí)聯(lián)裝置向前流動(dòng)，含238U多的稀薄UF6氣體則因流動(dòng)滯后而落下、分流了。該方法擴(kuò)散、濃縮過(guò)程需要幾千個(gè)連續(xù)的級(jí)聯(lián)裝置，連續(xù)擴(kuò)散可將UF6混合氣體里含238U的分子與含235U的分子分離，再用化學(xué)方法處理已濃縮的UF6-235U氣體分子，進(jìn)而獲得235U。這種方法鈾濃縮的效率不高、能耗大。

氣體離心法

1919年，德國(guó)科學(xué)家G．瑞皮完成了氣體離心機(jī)的基本設(shè)計(jì)。鈾濃縮離心機(jī)概念和應(yīng)用則是20世紀(jì)30-40年代由美囯弗吉尼亞大學(xué)的高速離心機(jī)專(zhuān)家J．W．伯莫斯提出的。1934年，伯莫斯成功地分離了兩種氯同位素；1941年，他和同事利用離心機(jī)首次成功地分離了鈾同位素。分離共設(shè)計(jì)了3種離心機(jī)，其工作曾引起美國(guó)當(dāng)時(shí)正實(shí)施的“曼哈頓計(jì)劃”（研制原子彈的計(jì)劃）領(lǐng)導(dǎo)人的注意，但美國(guó)最終選擇了氣體擴(kuò)散法。

氣體離心法也適用于處理鈾的混合液體或鈾蒸汽，它使用獨(dú)特設(shè)計(jì)的離心機(jī)使氣體或液體能不間斷地在各個(gè)離心機(jī)中流動(dòng)，可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)加工鈾氣流或鈾液體流。當(dāng)前，濃縮鈾常用這種機(jī)械式分離法。此法中，真空高速離心機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備，國(guó)際上常把有無(wú)該設(shè)備作為判斷一個(gè)國(guó)家是否進(jìn)行核武器研究的標(biāo)志。與氣體擴(kuò)散法相比，氣體離心法工效較高、所需電能大幅減少，所以該法已被大多的濃縮鈾工廠采用。

將高壓UF6氣體注入高速轉(zhuǎn)動(dòng)的封閉式離心機(jī)里，由于質(zhì)量存在差異，長(zhǎng)時(shí)間旋轉(zhuǎn)依靠慣性離心力，較輕的UF6中235U分子大多集中在容器轉(zhuǎn)軸處，較重的UF6-238U分子則大多結(jié)集在邊緣。若沿軸向從外部導(dǎo)入氣流，并使轉(zhuǎn)軸處的這股氣體向上流動(dòng)，邊緣處外部導(dǎo)入的氣體向下流動(dòng)。如此，離心機(jī)下方收集的是較重的UF6-238U氣體，上方則是需要的、較輕的UF6-235U氣體。在近軸處富集的UF6-235U氣體被導(dǎo)出，再輸送到下一臺(tái)離心機(jī)繼續(xù)分離——逐漸累積、純化、濃縮。隨著較輕的UF6-235U氣體穿過(guò)一系列高速離心機(jī)，其235U同位素分子富集度會(huì)越來(lái)越大。最后，利用化學(xué)法處理已收集的、較輕的UF6-235U氣體，就可獲得工業(yè)或軍用級(jí)濃縮鈾。

通常，氣體離心機(jī)廠需要幾千臺(tái)高速真空離心機(jī)連續(xù)、長(zhǎng)期地工作才能得到武器級(jí)濃縮鈾等（2010年下半年，因外界攻擊，伊朗納坦茲鈾濃縮工廠至少有1/5的離心機(jī)因感染“震網(wǎng)”病毒被迫關(guān)閉；2011年2月末，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的報(bào)告說(shuō)，該廠現(xiàn)有低純度濃縮鈾約3600公斤）。

其他幾種方法

（1）激光分離法

氣體離心法濃縮成本較高、效率也不理想，先進(jìn)的濃縮法是激光分離法。利用激光濃縮鈾，能降低生產(chǎn)成本。其原理基于激光有較好的單色性和原子核的同位素光譜位移等。各同位素原子核的中子數(shù)不同，它們的能級(jí)會(huì)發(fā)生同位素位移，發(fā)出的輻波長(zhǎng)會(huì)有小差異。激光的單色性好，這樣能做到用和某同位素原子核的輻射波長(zhǎng)相同的激光去激發(fā)其中的某種原子，而不會(huì)把其他同位素原子一起激發(fā)，即用激光可單獨(dú)地把同位素原子團(tuán)中的某同位素原子先電離；再用電場(chǎng)將電離的原子從同位素混合物中單獨(dú)分離出來(lái)，將這些原子激發(fā)到高能級(jí)；最后利用高能級(jí)的原子和基態(tài)的原子參加化學(xué)反應(yīng)的活力不同，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)法便可把它分離，聚集后就獲得了所需的同位素原子。

激光分離法濃縮235U，比其他方法優(yōu)越，設(shè)備可大大簡(jiǎn)化，成本可大幅降低。據(jù)估計(jì)，該法生產(chǎn)投資約是氣體擴(kuò)散法的1/2，生產(chǎn)過(guò)程耗能只有氣體擴(kuò)散法的1/10左右。所以，多個(gè)國(guó)家已重視開(kāi)發(fā)這種鈾燃料生產(chǎn)技術(shù)。1977年美國(guó)開(kāi)始研究用激光提純濃縮鈾，并證實(shí)此法的可行性等；1982年美國(guó)能源部確定，今后美國(guó)使用激光分離法生產(chǎn)鈾燃料。此法利用238U、235U形成的化合物化學(xué)鍵的鍵能不同，利用激光單一頻率的性質(zhì)可有選擇的使一種鈾化合物的化學(xué)鍵斷裂達(dá)到分離效果。

激光分離技術(shù)現(xiàn)有激光原子法和激分子法：

原子法濃縮用的原料是提煉鈾礦后的鈾塊，再把鈾塊加熱到高溫，形成鈾原子蒸氣，鈾蒸氣里含有234U、235U、238U原子。然后用可見(jiàn)光波段的激光（如用銅蒸氣激光泵浦的染料激光器）照射鈾原子蒸氣，調(diào)諧激光器的輸出波長(zhǎng)，讓它落在235U的原子吸收譜線中心，使235U原子電離，但不激發(fā)或電離238U原子等。然后，利用電場(chǎng)對(duì)通過(guò)收集板的235U原子掃描、分離，如此235U原子就從鈾同位素混合氣體里中分出來(lái)了。這種技術(shù)較成熟，已處于生產(chǎn)應(yīng)用階段。

分子法濃縮法則依靠鈾同位素吸收光譜上存在差異，它用的原料是鈾的分子化合物（如UF6），先用中紅外波段的激光（如波長(zhǎng)16微米的激光）照射UF6混合氣體分子，激光波長(zhǎng)正好是讓235U化合物分子電離，235U分子吸收了這些光子，能態(tài)會(huì)提高；再用紫外線激光器分解UF6混合氣體分子，便可從中分離出235U，最后讓含235U化合物通過(guò)分解反應(yīng)，就可得到235U。理論上它能生產(chǎn)出很純的235U等，但此法還未達(dá)到生產(chǎn)階段；從發(fā)展?jié)摿?，分子法則比原子法優(yōu)越。分子法濃縮用的原料是鈾的分子化合物，原料來(lái)源較豐富，且分離過(guò)程不需加熱；原子法濃縮則需加熱到2000多℃，高溫鈾蒸氣有很強(qiáng)的腐蝕性。相對(duì)而言，分子激光法生產(chǎn)設(shè)備較簡(jiǎn)單，成本較低。

分子激光法只能用于濃縮UF6，不適于純化、濃縮金屬钚（制造原子彈等更好的核材料）的化合物；原子激光法既能濃縮金屬鈾，也能濃縮金屬钚。可見(jiàn)，分子激光法比原子激光法在防核擴(kuò)散方面會(huì)有利一些。

（2）氣體動(dòng)力學(xué)法

該技術(shù)將UF6氣體與氫或氦的混合氣體經(jīng)過(guò)壓縮高速通過(guò)一個(gè)噴嘴，然后穿過(guò)一個(gè)特定的曲面，這樣便可獲得從鈾的混合氣體中分離235U同位素的離心力。氣體動(dòng)力學(xué)分離法為實(shí)現(xiàn)濃縮純度所需的級(jí)聯(lián)比氣體擴(kuò)散法少，但它需大量的電能。UF6與氫的混合氣體在離心機(jī)中的渦流板上高速離心旋轉(zhuǎn)后，UF6氣體濃縮流和UF6氣體貧化流分別由兩條管道流出；處理收集的已經(jīng)多次分離的UF6氣體濃縮流，最后可得到濃縮鈾。

（3）電磁分離法

鈾同位素電磁分離濃縮技術(shù)，基于電離的原子在磁場(chǎng)作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量不同的離子因旋轉(zhuǎn)半徑不同而被分離。它是使鈾同位素原子離子同時(shí)穿過(guò)電磁體的磁場(chǎng)，由于235U圓周運(yùn)動(dòng)半徑與235U不同而被分離。這是20世紀(jì)40年代初使用的技術(shù)，伊拉克20世紀(jì)80年代的實(shí)驗(yàn)研究表明，該技術(shù)與當(dāng)代電子學(xué)結(jié)合能生產(chǎn)武器級(jí)鈾材料。

（4）離子交換法

鈾的幾種同位素在質(zhì)量上的微小差異，能引起化學(xué)反應(yīng)平衡的小的變化，這可用來(lái)作同位素分離的基礎(chǔ)。該方法有兩種工藝過(guò)程：液—液化學(xué)交換過(guò)程和固—液離子交換過(guò)程，后者須用直徑大于1米離子交換柱，這是一耐腐蝕、耐高壓的圓筒狀柱。1964年10月，我國(guó)爆炸的第一顆原子彈就是用此法濃縮的235U制造而成的。當(dāng)時(shí)，以放射化學(xué)家楊承宗（1951年6月，他獲得巴黎大學(xué)理學(xué)院博士學(xué)位，其答辯通過(guò)的博士論文就是《離子交換法分離放射性元素的研究》）為首的我國(guó)科研人員，在通州“五所”（鈾濃縮研究所）利用離子交換法純化處理了上百?lài)嵏鞣N土法冶煉生產(chǎn)的重鈾酸銨。經(jīng)過(guò)兩年多的奮戰(zhàn)，他們生產(chǎn)出了2.5噸符合原子彈原料要求的純鈾化合物，提前3個(gè)月為我國(guó)成功試爆原子彈提供了核心物質(zhì)。

鈾的用途

1942年前鈾主要用作玻璃和陶瓷的著色劑，用量很少。隨著235U鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)的被發(fā)現(xiàn)，核裂變釋放的巨大能量 （1kg235U釋放的裂變能相當(dāng)于1800tTNT炸藥）引起人們的注意，首先用于制造原子彈、氫彈。

鈾核反應(yīng)堆

從50年代后期開(kāi)始，鈾被越來(lái)越多地用作核發(fā)電的核燃料。1kg235U核完全裂變所釋放的能量相當(dāng)于燃燒2700t優(yōu)質(zhì)煤所放出的能量。

此外，鈾核反應(yīng)堆也可用作輻照源，用于農(nóng)業(yè)輻照育種、食品工業(yè)食品保鮮和滅菌，也可用于生產(chǎn)人造元素。在醫(yī)藥方面用于放射治療、放射免疫藥盒、造影診斷等，在工業(yè)和地質(zhì)等方面用于工業(yè)探傷、自動(dòng)控制、地質(zhì)勘探和文物考古等。

科學(xué)研究及工業(yè)實(shí)踐證明，鈾是惟一的一次天然核燃料，核能工業(yè)必須依靠鈾。由于核能工業(yè)具有和平和軍事應(yīng)用兩種目的，因此鈾便成為一種特殊商品金屬，其生產(chǎn)受到政治、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)多種因素的影響。20世紀(jì)40～50年代，鈾主要用于核武器，50年代以后主要用于核發(fā)電。世界鈾的產(chǎn)量長(zhǎng)期供過(guò)于需，有大量庫(kù)存。國(guó)際市場(chǎng)每公斤U3O8的價(jià)格從1978年初的97美元降至1990年的19.84美元。西方國(guó)家鈾年產(chǎn)量亦由1980年的43960t降至1985年的35278t。但在這段時(shí)期內(nèi)，核電站發(fā)展迅速，1980年裝機(jī)總?cè)萘繛?.35億kW，1989年增至3.18億kW。1985年鈾的年產(chǎn)量低于核發(fā)電的需要量。

原子彈

把常規(guī)炸藥有規(guī)律地安放在鈾的周?chē)?，然后使用電子雷管使這些炸藥精確的同時(shí)爆炸，產(chǎn)生的巨大壓力將鈾壓到一起，并被壓縮，達(dá)到臨界條件，發(fā)生爆炸。或者將兩塊總質(zhì)量超過(guò)臨界質(zhì)量的鈾塊合到一起，也會(huì)發(fā)生猛烈的爆炸。臨界質(zhì)量是指維持核子連鎖反應(yīng)所需的裂變材料質(zhì)量。不同的可裂變材料，受核子的性質(zhì)（如裂變橫切面）、物理性質(zhì)、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(huì)有不同的臨界質(zhì)量。剛好可能以產(chǎn)生連鎖反應(yīng)的組合，稱(chēng)為已達(dá)臨界點(diǎn)。比這樣更多質(zhì)量的組合，核反應(yīng)的速率會(huì)以指數(shù)增長(zhǎng)，稱(chēng)為超臨界。如果組合能夠在沒(méi)有延遲放出中子之下進(jìn)行連鎖反應(yīng)，這種臨界被稱(chēng)為即發(fā)臨界，是超臨界的一種。即發(fā)臨界組合會(huì)產(chǎn)生核爆炸。如果組合比臨界點(diǎn)小，裂變會(huì)隨時(shí)間減少，稱(chēng)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(shù)大塊，每塊質(zhì)量維持在臨界以下。引爆時(shí)把鈾塊迅速結(jié)合。投擲在廣島的“小男孩”原子彈是把一小塊的鈾透過(guò)槍管射向另一大塊鈾上，造成足夠的質(zhì)量。這種設(shè)計(jì)稱(chēng)為“槍式”。

銷(xiāo)售信息

2023年11月21日，由于對(duì)核能的需求復(fù)蘇和供應(yīng)中斷，鈾的價(jià)格15年來(lái)首次突破80美元/磅。紐商所追蹤實(shí)物市場(chǎng)鈾原料黃餅（yellowcake）合約的期貨當(dāng)天觸及80.25美元/磅。