主题：【科普分享】铀—最重的天然元素

又学到东东了,还学到了东西!!谢谢!!

原子能世纪的曙光

1895年，德国物理学家伦琴在研究克鲁克斯管中产生的放电现象时，发现了一种奇妙的射线。这种射线肉眼看不见，但能使照相底片感光，使荧光物质发出荧光，并能象普通光线透过玻璃那样透过黑纸、衣服、甚至金属薄片。伦琴为了强调他自己还不能确定这种奇妙射线的真正本质，就把这种射线叫做X射线。

    X射线的发现轰动了当时整个科学界，许多科学家立刻着手对这种射线进行详细的研究，科学杂志上出现了许许多多关于X射线的文章。在匆忙和激动之下，有些研究者竟以为他们自己也发现了其它的新射线，什么“Z射线”、“黑光”之类的报告竞相发表。X射线的狂热，笼罩着整个欧美大陆的所有科学实验室，人们到处都在议论奇妙射线的神秘性质。

    X射线的热潮把法国的一位物理学家兼数学家波因凯也卷了进去。当波因凯得到一本载有伦琴叙述关于X射线发现过程的杂志时，他为其中的一个细节感到十分惊讶。伦琴指出：在克鲁克斯管中，X射线正是发生在受到电微粒流冲击的地方，那里发出的荧光也特别强烈。

    于是，波因凯推想，既然X射线发生在发出强烈荧光的地方，那么所有发出强烈荧光的物质或许都能发射这种奇妙的射线，而不单单是通电的克鲁克斯管才能发出吧！

    另一位法国学者亨利照着波因凯的想法做了实验，实验竟获得了“成功”。1896年2月10日，他在法国科学院宣读了一篇论文，声称荧光材料硫化锌能产生X射线，并使照相底片感光。一星期后，又有人报告说，荧光材料硫化钙被太阳光照射时，也能产生一些穿透性射线，透过黑纸而使照相底片感光。但这些结果实际都是错误的，未能经得起验证。

    这时，专门研究荧光现象的法国物理学家贝克勒耳也着手探索荧光物质能否发射X射线的问题。他试验了许多荧光物质，得到的结果都是否定的。但是贝克勒耳是幸运的，当他用自己十五年前制备的硫酸铀酰钾晶体进行试验时，终于得到了肯定的结果。

    2月24日他报告说：“在太阳光直接照射下，薄层硫酸铀酰钾晶体在几小时的过程中，放出一种穿透性射线，它透过黑纸而使照相底片感光。若在铀化合物和黑纸包着的照相底片之间放一块金属薄片，则这一部分不能感光而在底片上留下了金属片的像。”

    贝克勒耳还发现，散射的太阳光也能使硫酸铀酰钾晶体产生荧光，对照相底片也能产生同样的效果。因此，最初贝克勒耳毫不怀疑自己发现的这种穿透性射线就是X射线，而荧光正是产生X射线的原因。但是，他很快发现自己错了。

    2月26日贝克勒耳做实验时，碰巧遇到阴天，铀盐晶体几乎完全没有发出荧光来。他以为这次实验不顺利，便把照相底片和铀盐晶体一起放进了柜子。

    四天以后，在做新的实验前，贝克勒耳对这块照相底片是否还能使用没有把握，因此就把它冲洗出来。结果使他大为惊讶，照相底片上竟出现了铀盐晶体的黑影，而且感光度很大。

    在黑暗的柜子里，铀盐晶体并没有发出荧光，哪儿来的穿透性射线呢？逻辑的推论必然是：即使没有荧光，也有一种东西在对照相底片发生作用。

    进一步的研究表明，这种穿透性射线的产生确实与荧光毫无关系。早已知道，铀化合物并不是都能产生荧光的。但是，那些不产生荧光的铀化合物却同样地具有使照相底片感光的本领。将铀化合物长期地保存在黑暗处，它的穿透性射线的强度不会发生丝毫的改变。铀盐的溶液以及在未曝光的条件下从铀盐溶液中析出的晶体，也能放出这种射线。这表明，穿透性射线不可能是由于可见光照射晶体以后，晶体把吸收的能量缓慢地放出来的结果。

    实验终于确定了放射出穿透性射线是铀元素所固有的特性，这种射线被称为铀射线或贝克勒耳射线。

    贝克勒耳发现的铀射线与伦琴发现的X射线有些相仿，它们都能穿过黑纸或不太厚的金属片，对照相底片发生作用。但是两者之间又有着很大的区别，X射线是在极稀薄的气体中放电时产生的，气体的压强大约是一个大气压的百万分之一；在放电的两个电极间需要加上极高的电压，它比我们日常生活中使用的220伏电压高数百倍。在这样的条件下，X射线的产生与放电管中所充气体的性质和电极物质的性质均无关。而铀射线则不需要加任何电压，也用不着什么稀薄气体。X射线只是在放电时才产生，而铀射线却时时刻刻都在放射。

    铀射线时时刻刻都在自发地放射着！它给人们带来了原子核内部的第一个信息，它是原子能世纪的第一缕曙光。铀在它被发现后沉睡了一百多年，终于被贝克勒耳唤醒，这个最重的天然元素，开始在科学史上放射出奇光异彩。

    贝克勒耳发现铀射线以后，很自然使人们联想到：是否还有别的元素也象铀一样能放出这种看不见的射线呢？于是对所有元素进行普查便成了必然的趋势。

    当时，原籍波兰的法国女科学家玛丽·居里大学刚毕业，对贝克勒耳发现的现象特别感兴趣，于是就决定把它作为自己的第一个研究课题。

    要对看不见的射线进行研究，就要有一种探测射线的仪器。当时一般都是使用照相底片进行探测的，但这种方法很麻烦，而且灵敏度也不高。于是玛丽·居里的丈夫皮埃尔·居里设计了一种灵巧的射线探测仪，这种仪器实际上是一种验电器。测量时，只要把待测样品放在验电器的平行金属板电容器之间，然后观察验电器的指针是否摆动，便可知道样品中是否含有放出看不见的射线的物质。

    居里夫人有了这种灵巧的仪器，就可以方便地进行研究工作了。她小心翼翼地测量着她所能得到的每一种化学物质，其中有纯净的盐类，有比黄金还贵重的稀有化合物，有矿物博物馆赠送给她的珍贵的矿物标本。

    很长时间内，居里夫人的研究工作没有什么进展。虽然她在金属板间换放了数百种不同的物质，但是验电器的指针依然纹丝不动。不过，天下无难事，只怕有心人，当她对含钍化合物进行测量时，验电器的指针终于动了。钍也能放射看不见的射线！不难想象，此时此刻的居里夫人，心情该是多么激动！

    初次大捷给年青的居里夫人以极大的鼓舞。在她继续进行探索工作的时候，又遇到了一件更为惊人的事实：她发现提炼铀的矿石—沥青铀矿放出的射线强度竟比金属铀还强！这一异常现象显然说明：在沥青铀矿中，至少存在着另一种未知元素，它放射贝克勒耳射线的能力比铀强得多。

    皮埃尔·居里深深意识到这一发现的重要意义，因而不借放弃自己的研究课题，去全力支持他夫人的工作。

    居里夫妇经过长期顽强的工作，终于在1898年成功地分离出了两种新元素，它们也能放射出很强的贝克勒耳射线，他们把其中的一种命名为钋，以纪念居里夫人的祖国—波兰；而把另一种命名为镭(放射光芒的意思)。

    钋和镭的发现说明：诚然，并不是所有的元素都能放出射线，但也并不是只有铀才会放出射线。贝克勒耳发现的现象并不是一种罕见现象，因此居里夫人给所有放射贝克勒耳射线的物质取了一个总的名称，叫做放射性物质，而把放射贝克勒耳射线的现象叫做放射性现象。

    镭的放射性要比铀强几百万倍，镭的化合物在黑暗中甚至能够闪闪发光，奇妙无比。请看居里夫人的一段描述：“晚间到工作室去，已成了我们的赏心乐事之一。举目四望，那珍藏着我们制品的小瓶小管，都在黑暗中闪烁着微弱的光亮。这委实是一种可爱的景象，这景象对我们永远是新奇的。这些发光的小管，看上去宛若轻盈炯娜的小仙女。”

铀的提炼

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！

感谢LZ的好资料