基本介紹
簡介,物理、化學性質,物理性質,化學性質,貧鈾的利用,貧鈾彈,貧鈾裝甲,貧鈾活化燃料電池,危害,
簡介
貧鈾，也稱為貧化鈾或耗乏鈾或衰變鈾等等，英文簡寫為DU，是一種主要由鈾-238構成的物質，為核燃料製程中的的副產物，故也是一種核廢料。
自然界中的鈾，含有U238、U235、U234三種同位素，其中有約99.27%的鈾-238，0.72%的鈾-235，及0.0055%的鈾-234，而只有U235才能用於核裂變反應，才能作為核武器和核電站燃料，純天然鈾中U235僅占0.72%，U238占絕對優勢，因此天然鈾必須加工處理成高含U235的濃縮鈾。獲取濃縮鈾後剩餘的鈾，U235含量更低。這種U235含量比天然鈾更低的鈾叫貧鈾。其中鈾-235和鈾-234的濃度大約只有天然鈾的三分之一，放射性則約為天然鈾的60%。也有部分貧鈾通過再處理已使用的核燃料生產，但這類貧鈾會含有鈾-236。
美國原子能標準委員會（NRC）將 U235低於0.711%的鈾定為貧鈾，美國國防部定的國防部標準為U235含量在0.3%以下，而實際使用的標準是0.20%。表1為天然鈾和美國國防部使用的貧鈾中各種同位素比率的比較。從表中可以看出，貧鈾中不但 U235含量減少了，U234也大大減少了。
重量百分數 | 輻射 (貝克勒爾/克) | ||||
U234 | U235 | U236 | U238 | ||
一般天然鈾 （對輻射能的貢獻率） | 0.0057% （50.7%） | 0.72% （2.2%） | 0% （0%） | 99.28% （47.1%） | 25900 |
美國國防部使用的貧鈾 （對輻射能的貢獻率） | 0.001% （15.6%） | 0.20% （1.1%） | 0.00030% （0.10%） | 99.8% （83.2%） | 14800 |
半衰期（年） | 2.47×10^5 | 7.1×10^8 | 2.4×10^7 | 4.5×10^9 | |
物理、化學性質
物理性質
鈾的各種同位素都具有放射性，主要是α射線，其中U234的輻射能占絕對優勢。天然鈾中U234含量雖少，但其輻射能幾乎占全部輻射能的一半。貧鈾也有放射性，由於貧鈾中U234、U235含量減少，因此貧鈾的輻射能僅是天然鈾的60%，雖然弱一些，但並無本質減少，貧鈾的輻射能主要是由U238貢獻的。
貧鈾除了具有放射性外，它的金屬性能也是其他金屬不可替代的。它具有高密度、高硬度、高韌性等物理特性。貧鈾的密度高達19.1g/cm3可以和鎢匹敵，幾乎是鉛的2倍。可做為飛行器的配重塊，或放射線療法及工業用放射造影器材的禁止物，及放射性物質使用的貨箱。軍事上則常用做貧鈾彈或裝甲板材，這是因為貧鈾能大幅提升穿甲強度或裝甲抗度，並且貧鈾彈在命中後另具有攝氏三千度的高溫燒灼效果。
貧鈾是為生產核反應堆和核武器所需加濃鈾而對天然鈾採取濃縮工藝的副產品。天然鈾中235U 的同位素含量是0. 7% , 與其相比, 貧鈾中235U 的同位素含量耗減到了原含量的大約三分之一, 約為0. 2%。
貧鈾作為金屬, 理論密度為19. 07 gö cm 3(是鉛密度的1. 7 倍)。貧鈾中只存在有微量的234U 以後的衰變產物。這是因為後面所有的衰變產物在鈾礦石的加工過程中已經被分離, 而234U 以後的新衰變產物還沒有來得及生成(234U 的子體230Th 的半衰期長達7. 50×104 a)。這樣, 由於貧鈾的污染, 不存在鐳和氡(234U 以後的衰變產物) , 在任何有意義的量生成之前需要幾千年的時間。貧鈾中的同位素每單位時間發射的A輻射的能量和是238U 系處於放射平衡時每單位時間發射的所有A輻射的能量總和的11%。貧鈾發射的B輻射能量約為總B輻射的42% , C輻射約為總C輻射1. 4%。鈾存在於所有的岩石和土壤中。地殼中238U 的正常活度濃度為5～ 125 Bq/k g (0. 5～ 10ppm , 1 ppm = 1 göt ) , 235U 的正常活度濃度為0. 2～ 5 Bq/k g。在某些富鈾的岩石類型(如明礬頁岩) 中, 238U 的活度濃度約為600～ 5 000 Bq/kg (50～ 400 ppm )。優質鈾礦石(1%～ 30% 的鈾) 中的活度濃度為1. 2×103～ 3. 6×106 Bq/kg。純鈾在與其最近的衰變產物處於放射平衡時, 活度濃度為50. 23 ×106 Bqök g。含238U、235U、234U、234Th、234Pa 和231Th 的貧鈾的活度濃度為39. 42×106 Bq/kg, 即(12. 27+ 0. 16+ 2.29+ 12. 27+ 12. 27+ 0. 16) ×106 Bq/k g。
化學性質
金屬貧鈾的化學反應方式與金屬鈾一樣,被認為是一種活性金屬。它易於同非金屬元素反應, 也能形成多種金屬間化合物。鈾的一般化學特性是強還原劑特性, 在含水體系中尤為突出。
鈾作為粉末是一種引燃物, 就是說在600～ 700 ℃時可以自燃。貧鈾在燃燒時, 高溫使金屬鈾氧化為一系列複雜的氧化物, 主要是八氧化三鈾(U 3O 8) , 但也有二氧化鈾(UO 2 ) 和三氧化鈾(UO 3)。
貧鈾的利用
貧鈾彈
貧鈾作為核燃料的副產品，在過去相當長的時間內被作為核廢料，而用於核廢料的管理費用是相當巨大的。因此各生產核燃料的國家都為貧鈾的利用尋找出路。目前已有不少國家將貧鈾用於新彈藥的研製，生產了貧鈾彈。美國在貧鈾的利用方面取得了突破性進展，美國生產的新式M1A1坦克採用了貧鈾裝甲，大大提高了坦克防護能力。在海灣戰爭期間，美國使用了貧鈾穿甲彈。
貧鈾彈--脫殼尾翼穩定穿甲彈
貧鈾彈--脫殼尾翼穩定穿甲彈貧鈾穿甲彈穿甲性能很強。一是由於貧鈾密度大，製成相同體積的彈丸時質量大。根據物理學原理，在同等火藥的情況下，彈丸獲得的動能相同，而一個物體的動量P和動能Ek的關係為EK=P^2/2m，可見彈丸在動能相同的情況下，其動量和質量m的平方根成正比。而根據物理學中的動量原理，彈丸穿甲時的平均穿透力F、穿甲時間和彈丸動量P有如下關係：
Fdt—P…F=P/t=ZmE/t
因此彈丸穿透力和彈丸質量平方根成正比，這就是貧鈾穿甲彈為什麼穿甲性能很強的主要原因。其次貧鈾的高硬度也是重要因素，又由於鈾易氧化，穿甲時發熱燃燒，形成較大的後破壞作用，殺傷乘員及破壞坦克的內部設備。
貧鈾用於彈頭的頂端, 可以穿透裝甲板。也可用於巡航飛彈的錐形頭部和坦克的裝甲。貧鈾有許多其他用途, 如用於飛機和飛彈中的配重和壓載、賽艇的龍骨、工業和醫用X 射線和伽瑪輻射的禁止材料、放射源的運輸容器。貧鈾之所以有這些用途, 主要原因之一是它的密度高。貧鈾用於武器, 可使武器極為堅硬, 能夠穿透裝甲板。除了密度高之外, 貧鈾用於軍事用途的其他原因還在於它價格便宜, 可以大量獲取。
貧鈾裝甲
貧鈾裝甲即為摻雜了貧鈾金屬的複合裝甲。純貧鈾的硬度和強度都不高，必須添加別的成分製成貧鈾合金，再經過熱處理。把貧鈾合金製成網狀結構嵌入鋼質基體內做成裝甲塊，然後嵌入坦克外殼，就成為貧鈾裝甲，網狀貧鈾合金在其中所起的作用是對包裹在其中每一個格線中的陶瓷塊起約束緊固作用。貧鈾密度為18.7克/厘米，是鋼鐵密度的2.5倍。因為密度高，可有效減少裝甲陶瓷在應力波下的損傷，提高了裝甲整體強度並帶有一定約束環裝甲的特性，防護力得以增強。
裝備貧鈾裝甲的美國M1A1“艾布拉姆斯”坦克
裝備貧鈾裝甲的美國M1A1“艾布拉姆斯”坦克貧鈾活化燃料電池
貧鈾活化燃料電池結構與一般燃料電池相同，但電極採用多孔石墨電極，內部摻入少量貧鈾，陽極表面沉積一層鉑，陰極表面沉積一層鈀。鉑和鈀是吸收氧，氫的材料，使活化材料附近燃料密度更大催化效率更高。U-238進行衰變放出α射線，α射線在空氣中每前進1cm就產生幾萬對離子，因此可使燃料大量電離參與反應。
危害
引起貧鈾的有害健康效應。貧鈾的比活度低(39. 4 kBq/g ) , 可以認為是“僅有弱放射性”。儘管如此, 按線性劑量回響關係, 必須認為貧鈾的照射具有潛在的癌症危險, 雖然其水平要比環境中的其他許多來自天然源和人工源的放射性物質要低。
食入或吸入的鈾及其化學毒性可以引起有害的健康效應。與放射效應相比, 化學效應通常是主要的。關於攝入鈾引起人體有害效應的報導並不多見。幾乎沒有人攝入了攝入量大得足以引起有害效應的鈾。因之, 關於鈾的攝入量的可能健康效應的資料主要取自於與人類有類似消化系統的動物實驗, 這些動物包括大白鼠、犬、豬和猴, 但不包括兔子和反芻動物。
一般可以得出這樣的結論: 可溶性鈾化合物的化學毒性大於不可溶性的。這種毒性主要導致腎損傷。腎功能的損傷與暴露程度有關, 在攝入幾天后發生。這些效往往在停止暴露後消失, 但腎的形態學結構不再恢復正常。
海灣戰爭後, 伊拉克一篇關於貧鈾的報導猜測伊拉克目前的健康和環境效應與貧鈾有一些聯繫。報導指出, 某些癌症的發生率增加了,包括兒童白血病。報導還指出先天性畸形和免疫系統疾病也增加了。數千名參加過海灣戰爭的美、加、英士兵事後宣稱患有多種不適症狀, 一般稱之為“海灣戰爭綜合症”。這些退伍老兵曾暴露於各種各樣的損壞性或潛在損壞性危險因素之下, 包括環境不適、殺蟲劑如有機磷酸脂化學藥劑、皮膚昆蟲防護劑、醫學藥品如乙嘧啶溴化物(NA PS)、低水平化學戰藥劑、多種接種疫苗和貧鈾。總之, 今天的研究已經表明許多患有“海灣戰爭綜合症”的老兵曾暴露於許多物質之下。貧鈾是否起著“海灣戰爭綜合症”藥劑的作用, 仍在討論之中。
