基本介紹
- 中文名：鈾同位素
- 外文名：uranium isotope
- 分子量：226～240
- 元素符號：U
- 元素類型：金屬元素、大多為放射性元素
信息表,鈾234,鈾235,基本信息,國際定義,核子彈,鈾238,發現歷史,套用領域,統計數據,人體危害,研究進展,分離鈽239,分離鈾233,貧鈾彈,現狀,分離提純,氣體離心法,雷射法,化學法,套用,地理套用,反應堆,危害,
信息表
| 同位素 | 豐度 | 半衰期 | 衰變模式 | 衰變能量(MeV) | 衰變產物 |
|---|---|---|---|---|---|
U-232 | 人造 | 68.9年 | 自發分裂 | - | - |
α衰變 | 5.414 | Th-228 | |||
U-233 | 人造 | 159200年 | 自發分裂 | 197.93 | - |
α衰變 | 4.909 | Th-229 | |||
U-234 | 0.006% | 245500年 | 自發分裂 | 197.78 | - |
α衰變 | 4.859 | Th-230 | |||
U-235 | 0.72% | 7.038×10^8年 | 自發分裂 | 202.48 | - |
α衰變 | 4.679 | Th-231 | |||
U-235m | 人造 | 約25分鐘 | 同質異構轉變 | <1 | Kr-92，Ba-141，2箇中子 |
U-236 | 人造 | 2.342×10^7年 | 自發分裂 | 201.82 | - |
α衰變 | 4.572 | Th-232 | |||
U-236m | 人造 | 121×10^-9秒 | 自發分裂 | <1 | - |
U-237 | 人造 | 6.75日 | β衰變 | 0.519 | Np-237 |
U-238 | 99.275% | 4.468×10^9年 | 自發分裂 | 205.87 | - |
α衰變 | 4.270 | Th-234 |
鈾234
基本信息
234U是238U的衰變子體.
主要來源大體上可分為三種：
1、天然存在的放射性核素，是238U的衰變子體；
2、核燃料循環產生的“三廢”排出物；
3、核電廠事故排放物。
鈾235
基本信息
235U是鈾(Uranium)元素里中子數為143的放射性同位素，是自然界至今唯一能夠裂變的同位素，主要用做核反應中的核燃料，也是製造核武器的主要原料之一。
國際定義
根據國際原子能機構的定義，豐度為3%的235U為核電站發電用低濃縮鈾，濃度大於80%的鈾為高濃縮鈾，其中豐度大於90%的稱為武器級高濃縮鈾，主要用於製造核武器。獲得1公斤武器級235U需要200噸鈾礦石。
核子彈
235U是核子彈的主要裝藥。要獲得高加濃度的235U並不是一件輕而易舉的事，這是因為，天然的235U的含量很小，大約140個鈾原子中只含有1個235U原子，而其餘139個都是238U原子；尤其是235U和238U是同一種元素的同位素，它們的化學性質幾乎沒有差別，而且它們之間的相對質量差也很小。因此，用普通的化學方法無法將它們分離；採用分離氫元素同位素的方法也無濟於事。
鈾238
發現歷史
1789年，由克拉普羅特（M.H.Klaproth）從瀝青鈾礦中分離出。1841年，佩利戈特（E.M.Peligot）指出，克拉普羅特分離出的"鈾"，實際上二氧化鈾。他用鉀還原四氯化鈾，成功地獲得了金屬鈾。1896年有人發現了鈾的放射性衰變。1939年，哈恩（O.Hahn）和斯特拉斯曼（F.Strassmann）發現了鈾的核裂變現象。自此以後，鈾便變得聲價百倍。
套用領域
貧鈾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。
統計數據
地球上的鈾和釷的總量大約比鈾235一項的蘊藏量多800倍。這就是說，如果適當地利用增殖反應堆，就可以通過原子核裂變發電廠把地球上的潛在能源增加800倍。鈾238同位素的半衰期為44億5千萬年，這已經用於宇宙年齡的測定。通過觀察C31082-001恆星鈾238的光譜，推算出宇宙的年齡大約為125億年。
人體危害
在2003年美國對伊拉克的攻擊行動中，三周內估計使用了約95萬顆、超過1000噸的貧鈾彈，大部份都在市區。目前暫無決定性資料顯示某些人的健康問題與貧鈾有關聯，但人工培養細胞與實驗室動物的研究已發現貧鈾的慢性效應造成白血病、基因疾病、神經疾病等的可能性。台灣“陸軍”亦曾向美國採購一批坦克用貧鈾彈，現儲放於台灣高雄市左營區軍事基地彈藥庫中，存放之庫房四壁添加鉛以防放射性污染。
研究進展
分離鈽239
鈾238是最常見的一種鈾，但它卻不是實用的核燃料。鈾238也能在中子作用下發生裂變，但只有快中子才能做到這一點。那些分裂成兩半的鈾238會產生一些慢中子，而慢中子不足以引起進一步的裂變。鈾238可以比作潮濕的木頭：你可以把它燒著，但它最後還是要熄滅的。
但是，假定把鈾235同鈾238分離開來（這是一個相當艱巨的任務），並且用鈾235來建造一個原子核反應堆，這時，構成反應堆燃料的那些鈾235原子就會發生裂變，並向四面八方發射出無數慢中子。如果這個反應堆包著一個用普通鈾（其中絕大部分是鈾238）製成的外殼，那么，射入這個外殼的中子就會被鈾238所吸收。這些中子不可能迫使鈾238發生裂變，但卻會使鈾238發生另外的變化，最後就會產生鈽239。如果把這些鈽239從鈾裡面分離出來（這是個相當容易完成的任務），它們就可以用作實用的核燃料了。
能夠用這種方式產生新燃料去代替用掉的燃料的反應堆就是增殖反應堆。一座設計得當的增殖反應堆所生產的鈽239，在數量上要多於消耗掉的鈾235。利用這種辦法，就可以使地球上的全部鈾——而不僅僅是稀有的鈾235——都變成潛在的燃料來源。
分離鈾233
天然存在的釷完全是由釷232組成的。釷232就象鈾238一樣，也不是實用的核燃料，因為要有快中子才能使它發生裂變。不過，如果把釷232放進包著核反應堆的外殼裡，釷232原子就會吸收慢中子，並且儘管它不發生裂變，最後卻會變成鈾233原子。由於鈾233是一種很容易同釷分離開來的實用燃料，這樣做的結果便又實現了另一種增殖反應堆，它會把地球上現有的釷資源變成潛在的核燃料。
貧鈾彈
鈾238，又稱貧鈾，由於其擁有高強度，高密度，高韌性的特點，曾在1999年的科索沃戰爭中被用於戰場。
貧鈾彈是指使用含98%濃度的鈾與鋁和鈦合成的高密度、高韌性合金製作彈芯的炮彈和炸彈，由於鈾238的半衰期有4.51X109年那么長，並在爆炸中有很多殘留，導致其有分布廣泛、清理困難的危害。
現狀
芬蘭總統阿赫蒂薩里曾在戰後明確表示，由於科索沃的環境狀況十分惡劣，因此他不會允許芬蘭向那裡派遣一名維和部隊士兵。聯合國環境保護項目官員表示，對於科索沃和南聯盟的核輻射污染危險不應有僥倖心理。俄軍總參謀部表示，北約轟炸所造成的實際損失要比人們想像得嚴重得多 ，而且其後果要到幾年以後才能顯現。
分離提純
名稱 | 氣體擴散法 | 氣體離心法 | 原子雷射法 | CHEM EX 法 | 離子交換色譜法 |
工廠規模/(MSWU ·a-1) | 10.8 | 13.2 | 10 | 4 | 9 |
比投資/(美元·SWU-1) | 377.7 | 515 | 90 | 381.7 | 209 |
比電耗/(kW·h·SWU-1) | 2450 | 150 | 100 | 380 | 46 |
分離功成本/(美元·SWU-1) | 110 | 72.8 | 22.4 | 65.8 | 41.2 |
氣體離心法
世界各國採用氣體離心法濃縮鈾的生產能力約22.7MSWU/a，占世界濃縮鈾總生產能力的42.8%。氣體離心法主要採用小型超臨界離心機，單級分離係數(與轉速成正比)較大是它與其他方法比較的主要優點，但是，它的單級設備處理量小，比投資高於氣體擴散法（見上表；而與化學法比較，除了比投資高外，使用UF6氣體也是一個問題。目前各國離心法工廠的比電耗差別很大，這可能與各國選用的離心機類型有關。氣體離心法對離心機的技術要求很高，因此對材料、軸承和氣體動力學的研究工作仍在進行。
雷射法
雷射法分離鈾同位素是採用合適的雷射，使需要的同位素(例如235U)原子或分子(UF6)激發為激發態，利用激發態的同位素原子或分子與非激發態的同位素原子或分子性質的不同，採用適當的方法進行分離。理論上雷射法分離鈾同位素的分離係數可以無限，與其他方法比較具有明顯優勢，但是目前仍處於研究狀態。分子雷射法以UF6為分離對象，目前最好的分離係數為2.12，至今尚未找到一種理想的雷射光源。1992年，美國LLNL實驗室花費12.7億美元建立1MSWU/a的原子雷射法分離裝置，進行商業化的論證。目前對雷射法的經濟性仍有爭議，大規模工業套用仍然存在許多問題。
化學法
化學法分離鈾同位素在70年代末期取得了突破性的進展，1977年，在 Salzburg召開的國際原子能會議上，法國原子能委員會宣布化學交換法分離鈾同位素(CHEMEX法)獲得成功，1980年通過比分離能力為180SWU/(m3·a)的中間工廠試驗。1978年，日本宣布離子交換色譜法分離鈾同位素成功，1988年通過比分離能力為240SWU/(m3·a)的中間工廠試驗，得到豐度為3.1%的低濃鈾產品17kg。經過多年的研究，化學法分離鈾同位素(包括法國的CHEMEX法和日本的離子交換色譜法)已經成為可以工業套用的方法。由表1數據可見，化學法分離鈾同位素經濟技術指標明顯優於氣體擴散法，比投資也比氣體離心法低。與其他方法比較，化學法分離鈾同位素還具有以下優點:
1) 低能耗 化學法分離鈾同位素的依據是同位素交換反應，這個過程不需要體系以外的能量。雖然在回流過程或相分離時要消耗一定的能量，但與其他方法 (包括原子雷射法 )相比，化學法分離鈾同位素的能耗較小。
2) 設備簡單，容易運行和維修 化學法的基本設備都屬於通用化工設備，轉動設備比擴散法和離心法少得多，因此工廠的建設、運行和維修都比較容易。
3) 有利於環境保護 化學法分離鈾同位素的介質是鈾的溶液，不採用氟化物，也不向外擴散有害氣體。
4) 有效利用天然鈾資源 化學法的尾料235U的豐度可達0.1%，不僅可以有效利用天然鈾資源，而且使氣體擴散法的尾料(235U的豐度為0.25%)也可得到利用。
5) 有利於防止核擴散 化學法分離鈾同位素的分離係數小，它可以生產反應堆用的低濃鈾。但是化學法達到生產平衡的時間長，生產高濃鈾的周期比較長；同時，設備內鈾的滯留量較大，高濃鈾容易達到臨界。因此，化學法不宜用於軍事目的，有利於防止核擴散，技術可以出口。
套用
反應堆和核子彈的燃料。
鋼鐵的冶煉和螢光玻璃。
早期用作化工和陶瓷工業中的著色劑（黃色顏料）。
地理套用
利用天然物質中234U/238U比值估價地下水的前景、研究鈾同位素比值變化與地震關係、尋找鈾礦床、測定某些天然物質的年齡、研究鈾及其同位素在海洋環境的地球化學行為及海洋沉積物。
自切爾登采夫1955年發現天然鈾中存在234U/238U放射性不平衡以來，陸續證明了在自然界許多物質中普遍地存在234U/238U放射性比值異常。利用鈾放射系列的不平衡，不但對年代學和核子地球化學有著相當重要的意義，而且還可作為研究鈾在水圈和沉積圈的地球化學行為的示蹤同位素。
鑒於上述234U和母體238U的天然分離現象，因而造成了天然物質中234U/238U比值的不平衡。不平衡的大小與地球化學環境是密切相關的。鈾的地球化學行為強烈地受到氧化還原條件的影響。在氧化條件下，鈾一般形成鈾醯碳酸鹽絡合物，溶於水，但在還原條件下，溶解度變小，容易沉澱或被吸附在有機物上。天然鈾同位素均為α發射體，所以在鈾濃度很低情況下，其同位素的測量較為簡單，而且234U是238U的子體，234U/238U的比值又不平衡到平衡，完全受234U的半衰期（T1/2=2.48×105年）控制的。有的這些重要的地球化學行為和核性質決定了他對地球化學的研究有十分重要的意義，尤其對水圈和沉積圈的套用更為廣泛。
反應堆
危害
毒性分組：極毒組
可經呼吸道、消化道、皮膚、傷口及眼結膜進入人體。
鈾及其化合物對機體的作用，表現為化學損害和輻射損害。經各種途徑攝入的天然U6+化合物，不論是急性中毒還是慢性中毒，都主要表現為對腎臟的化學損害。U4+經口攝入時也是這樣。只有在吸入U4+化合物並在肺內沉積大量難溶性鈾顆粒時，才有可能使局部肺組織的輻射劑量達到引起輻射損害的水平。可溶性低濃縮鈾、天然鈾和貧化鈾的化學損害大於輻射損害。
①不同鈾化合物的化學毒性不同。不同鈾化合物的化學毒性，主要取決於它們的溶解性。各種鈾化合物不僅具有鈾的毒性作用，而且鈾化合物中其他成分對機體也有不同程度的毒性作用。
②鈾對腎臟的損傷效應。鈾中毒後可導致一系列生物化學變化，出現尿蛋白，尿過氧化氫酶升高，尿胺基酸氮與肌酐比值升高，鹼性磷酸酶升高，非蛋白氮增加，酸中毒。
③鈾對肝臟的損傷效應。鈾中毒時，肝細胞可出現變性壞死，並伴有不同程度肝功能變化。如急性鈾中毒者可出現GPT增高，BSP排出減少，血漿白蛋白減少，β球蛋白升高，白蛋白與球蛋白比值下降，血紅蛋白減少等。
④鈾引起的骨髓損傷和外周血象變化。鈾中毒早期，骨髓細胞明顯增生，尤其是粒細胞和巨核細胞增生更為明顯，出現核左移。急性鈾中毒後，開始白細胞升高，隨後波動下降，中性粒細胞和酸性粒細胞分類升高，紅細胞和血紅蛋白下降。
⑤鈾對呼吸道的損傷效應。吸入難溶性鈾化合物後，鈾主要對肺和肺門淋巴結造成輻射損傷。
