铀

康熙字典

铀 - 概述

物理性质

铀(普通话拼音：yóu ;英语拼写：Uranium)，得名于天王星的名字“Uranus”。铀是元素周期表中第七周期MB族元素，锕系元素之一，是重要的天然放射性元素，元素符号U，原子序数92，原子量238.0289。铀原子有92个质子和92个电子，其中6个是价电子。铀是银白色金属，熔点1132.5`C，沸点3745℃，密度18.95g/c砰，电阻率30.8X10-8n"m，抗拉强度450MPa，屈服强度207MPa，弹性模数172GPa。铀在接近绝对零度时有超导性，有延展性。铀的热中子吸收截面为7.60b，铀有15种同位素，其原子量从227-240。所有铀同位素皆不稳定，具有微弱放射性。铀的天然同位素组成为：238u(自然丰度99.275%，原子量238.0508，半衰期4.51X109a)，235U(自然丰度0.720%，原子量235.0439，丰衰期7.00X108a)，234U(自然丰度0.005%，原子量234.0409，丰衰期2.47X105a)。其中235u是惟一天然可裂变核素，受热中子轰击时吸收一个中子后发生裂变，放出总能量为195MeV，同时放2~3个中子，引发链式核裂变;238U是制取核燃料钚的原料。

化学性质

铀的外电子层构型为[Rn]5f36dl7s2，有+3，+4，+5，+6四种价态，其中+4和+6价化合物稳定。铀的化学性质活泼，能和所有的非金属作用(惰性气体除外)，能与多种金属形成合金。空气中易氧化，生成一层发暗的氧化膜，高度粉碎的铀空气中极易自燃，块状铀在空气中易氧化失去金属光泽，在空气中加热即燃烧，铀能与所有非金属反应，250℃下和硫反应，400℃下和氮反应生成氮化物，1250℃下和碳反应生成碳化物，250-300℃下和氢反应生成UH3，UH3在真空350-400℃下分解，放出氢气。铀与卤素反应生成卤化物，铀能与汞、锡、铜、铅、铝、铋、铁、镍、锰、钴、锌、铍作用生成金属间化合物，金属铀缓慢溶于硫酸和磷酸，有氧化剂存在时会加速溶解，铀易溶于硝酸，铀对碱性溶液呈惰性，但有氧化剂存在时，能使铀溶解，铀及其化合物均有较大的毒性，空气中可溶性铀化合物的允许浓度为0.05mg/m3，不溶性铀化合物允许浓度为0.25mg/m3，人体对天然铀的放射性允许剂量，可溶性铀化合物为7400Bq，不溶性铀化合物为333Bq。

名称由来

铀之英文名称 Uranus 沿自天王星，而天王星名字来自希腊神祇乌拉诺斯。

发现

1789年由 M.J. Klaproth (德国，伯林)发现，1841年由 W.M. Peligot (法国，巴黎)首次作为金属分离出。

存在

存在于许多岩石中，但大量只存在于沥青铀矿和钒钾铀矿中。

在自然界中，铀以铀-238(99.2742%)、铀-235(0.7204%)以及极微量的铀-234(0.0054%)等同位素存在。铀衰变时释放出α粒子，过程缓慢，拥有很长的半衰期。铀-238的半衰期约为44.7亿年，铀-235则为7.04亿年[4]，常用于测定地质年代。少量存在于独居石等稀土矿石中。铀是自然元素中质量次重、原子量次高的元素，仅次于钚-244[3]。它的密度比铅高出约70%，但不如金、钨密食。铀在自然界中以数百万分率的低含量存在于土壤、矿石和水中，可借由开采沥青铀矿等含铀矿物并提炼之。

用途

古时候它被用作玻璃颜料，现在用作核反应及核弹燃料。千百年来铀一直被用作给玻璃染色的色素，然而现在纯金属铀是核反应堆和原子弹中使用的核燃料。少量用于电子管制造业中的除氧剂和惰性气体提纯(除氧、氢)。

铀最初只用做玻璃着色或陶瓷釉料，1938年发现铀核裂变后，开始成为主要的核原料。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镭，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 - 综合性质

基本属性

名称 铀(U)

系列 锕系元素

周期，元素分区 7，f

类型 金属

外表 银白色

太阳中的含量 0.001ppm

海水中的含量 0.00313ppm

发现人 马丁•海因里希•克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)(1789)

原子属性

原子量 238.0289

原子半径(计算值) 175 pm

范德华半径 186 pm

离子半径 0.81(+6)埃

氧化态 U+6(U+2，U+3，U+4，U+5)

负电性 1.38(鲍林标度)

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

第一电离能 597.6 KJ/mol

第二电离能 1420 KJ/mol

晶体结构 晶胞为正交晶胞

结晶变体 斜方晶体、四方晶体、体心立方体

晶胞参数 a=285.37pm

b=586.95pm

c=495.48pm

α=90°

β=90°

γ=90°

物理属性

性质 固体、放射性、顺磁性

密度 18.95 g/cm^3

熔点 1132.0℃(1405K)

沸点 3818.0℃(4407K)

摩尔体积 12.49 cm^3/mol

汽化热 477 kJ/mol

熔化热 15.48 kJ/mol

声速 3155 m/s(293.15K)

比热 120 J/(kg•K)

电导率 3.8×10^6/(m•Ω)

热导率 27.6 W/(m•K)

铀 - 同位素

地球上存量最多的同位素是铀-238，再者是可用作核能发电的燃料的铀-235，丰度最少的是铀-234。此外还有12种人工同位素(铀-226~铀-240)。

同位素及放射线：

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 丰度 半衰期 衰变模式 衰变能量MeV 衰变产物

U-232 人造 68.9年 自发分裂

α衰变 5.414 Th-228

U-233 人造 159200年 自发分裂 197.93

α衰变 4.909 Th-229

U-234 0.006% 245500年 自发分裂 197.78

α衰变 4.859 Th-230

U-235 0.72% 7.038×10^8年 自发分裂 202.48

α衰变 4.679 Th-231

U-235m 人造 约25分钟 同质异构转变 <1 Kr-92，Ba-141，2个种子

U-236 人造 2.342×10^7年 自发分裂 201.82

α衰变 4.572 Th-232

U-236m 人造 121×10^-9秒 自发分裂 <1

U-237 人造 6.75日 β衰变 0.519 Np-237

U-238 99.275% 4.468×10^9年 自发分裂 205.87 -

α衰变 4.270 Th-234

铀 - 化合物

铀的氟化物六氟化铀(UF6)，它的熔点是摄氏56度、三相点是摄氏64度及稍高于大气压力。提炼铀-235的方法之一就是分离不同分子量的六氟化铀。 铀235能产生非常大的动能.约等于10吨多的木炭

铀 - 核反应

铀可以进行核反应，其释放的巨大能量可用来发电或作为武器。

用中子撞击铀-235，可引发链式反应。铀-238经慢中子撞击后会变成铀-239，然后衰变到钚(台湾、港澳译作钸)，也可以进行核反应。

铀-238的衰变

U(铀)-238 → Th(钍)-234 → Pa(镤)-234 → U(铀)-234 → Th(钍)-230 → Ra(镭)-226 → Rn(氡)-222 → Po(钋)-218 → Pb(铅)-214 或 At(砈)-218 → Bi(铋)-214 → Po(钋)-214 或 Tl(铊)-210 → Pb(铅)-210 → Bi(铋)-210 → Po(钋)-210 或 Tl(铊)-206 → Pb(铅)-206。

铀 - 发现

发现人：克拉普罗特(M.H.Klaproth)

发现年代：1789年

发现过程：1789年，由德国化学家克拉普罗特(M.H.Klaproth)从沥青铀矿中分离出，就用1781年新发现的一个行星——天王星命名它为uranium，元素符号定为U。1841年，佩利戈特(E.M.Peligot)指出，克拉普罗特分离出的“铀”，实际上二氧化铀。他用钾还原四氯化铀，成功地获得了金属铀。1896年有人发现了铀的放射性衰变。1939年，哈恩(O.Hahn)和斯特拉斯曼(F.Strassmann)发现了铀的核裂变现象。自此以后，铀便变得声价百倍。

铀 - 资源

铀的地壳丰度为2.3X10-4%，海水中铀浓度3X10-7%，已发现铀矿和含铀矿物约有500多种，其中常见并具有工业价值的约20-30种，如原生铀矿中的沥青铀矿物(含铀40%-76%)，晶质铀矿物(含铀65%-75%)和钦铀矿(含铀>40%)，次生铀矿中的钒钙铀矿(含铀50%-60%)，钾矾铀矿(含铀约50%)等。此外含铀的磷酸盐矿、褐煤、页岩等都可成为提铀的原料。世界铀矿资源主要分布在6大聚集区：①北美(加拿大、美国);②澳大利亚;③中非和南非(尼日尔、纳米比亚、加蓬、南非);④西欧(法国、西班牙);⑤南美(巴西、阿根廷);⑥独联体国家。20世纪80年代公布的世界铀储量约443万吨。中国有丰富的铀资源，到目前为止已找到10多种类型的铀矿床，中国铀资源的95%分布于花岗岩型矿床(38%)、砂岩型矿床(21%)、火山岩型矿床(20%)和碳酸铀的提取冶金包括铀精矿和富集物浸出、铀的富集和分离。高纯铀化合物(UO2、UF6、UF4、U308等)的制取，同位素分离和金属铀制取等阶段。铀的提取冶金具有两个特点：①铀矿石的品位很低，一般含(238U十235U)0.1%-0.2%，而其中235U仅为0.0007%-0.0014%，为获得核纯铀，必须经过多次富集和提纯;②核纯铀需再经同位素分离，制成不同丰度的浓缩235U。

铀 - 应用

1、铀是重要的核燃料，主要用于原子能发电和核武器，1kg235U核完全裂变所释放的能量相当于燃烧2500t优质煤所放出的能量，核燃料动力堆用于原子能发电、供热和潜水艇等船艇的动力装置，世界核能发电量约占总发电量的23%。

核电站应用较多的反应堆为：轻水堆(以烧结低浓UO2为燃料)、重水堆(以天然UO2芯块作燃料)和块中心增殖堆(以PUO2和天然UO2混合物作燃料)。

2、军事上铀用作核武器燃料，用纯净235 92U制造的原子弹叫原子弹。估计一颗铀原子弹约需10kg纯铀。另一种原子弹是由238 92U产出的怀弹。

3、同时铀和怀也是热核武器氢弹的引爆剂，铀核裂变时产生的200多种放射性同位素，经分离后广泛用于国民经济各个部门，如农业上用于辐照育种，食品工业用于食品保鲜灭菌，医药上用于放射治疗，工业上用于无损探伤、地质勘探、文物考古等。利用铀的高密度，还用于制造杀伤力大的穿甲弹(铀弹)。

铀 - 提炼

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。

铀—分布：世界铀资源量超过1500万吨。据WISE资料，截止2003年1月1日，世界已知常规铀可靠资源回收成本小于130美元/kg 铀的资源量为316.92万吨。其中回收成本小于40美元/kg铀资源量约173.05万吨;回收成本小于80美元/kg铀资源量约245.82万吨。世界铀资源量较多的国家有澳大利亚、哈萨克斯坦、美国、加拿大、南非、纳米比亚、俄罗斯、和尼日尔，铀资源量均在10万吨以上。我国铀矿资源也十分丰富。

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。

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。

铀 - 铀与原子弹

使用常规炸药有规律的安放在铀的周围，然后使用电子雷管使这些炸药精确的同时爆炸，产生的巨大压力将铀压到一起，并被压缩，达到临界条件，发生爆炸。或者将两块总质量超过临界质量的铀块合到一起，也会发生猛烈的爆炸。

临界质量是指维持核子连锁反应所需的裂变材料质量。不同的可裂变材料，受核子的性质(如裂变横切面)、物理性质、物料形状、纯度、是否被中子反射物料包围、是否有中子吸收物料等等因素影响，而会有不同的临界质量。

刚好可能以产生连锁反应的组合，称为已达临界点。比这样更多质量的组合，核反应的速率会以指数增长，称为超临界。如果组合能够在没有延迟放出中子之下进行连锁反应，这种临界被称为即发临界，是超临界的一种。即发临界组合会产生核爆炸。如果组合比临界点小，裂变会随时间减少，称之为次临界。

核子武器在引爆以前必须维持在次临界。以铀核弹为例，可以把铀分成数大块，每块质量维持在临界以下。引爆时把铀块迅速结合。投掷在广岛的“小男孩”原子弹是把一小块的铀透过枪管射向另一大块铀上，造成足够的质量。这种设计称为“枪式”。 钚核弹不能以这种方法引爆。第一枚钚原子弹“胖子”的钚是造成一个在次临界以下的中空球状。引爆时使用包围在四周的炸药把钚挤压，增加密度及减少空间，造成即发临界。这成设计称为“内爆式”。

铀 - 浓缩铀

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。