地球探索 | 從“核”而來的“鈾”惑
◎? 孫濤 呂漢秦
鈾(Uranium)是錒系元素中的一種金屬,，原子序數(shù)92,，其元素符號是U,，是目前自然界中能夠找到的最重元素,。由于原子中的中子數(shù)量不同，在自然界中存在著234U,、235U和238U三種鈾同位素,，此外還有12種人工同位素(226U-240U),。鈾化合物早期用于瓷器的著色,，在鈾原子核裂變現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后廣泛應(yīng)用于發(fā)電,、核武器制造等領(lǐng)域。
鈾是如何被發(fā)現(xiàn)的,？
1798年，德國化學(xué)家馬丁·海因里希·克拉普羅特在柏林實驗室中將瀝青鈾礦溶解在硝酸中,，再用氫氧化鈉中和,，成功沉淀出一種黃色化合物（可能為重鈾酸鈉），并利用炭加熱該化合物,，得到一些黑色粉末（鈾的氧化物）,，之后他就用威廉·赫歇爾1781年新發(fā)現(xiàn)的天王星uranium來命名此種新元素，元素符號定為U,，在當時鈾僅以化合物的形式作為染色劑用于陶瓷,、玻璃工業(yè)和紡織業(yè)。
1841年,，法國分析化學(xué)教授E.M.佩利若證明該物質(zhì)系二氧化鈾,，隨后用鉀還原UCl4制備了金屬鈾。
1896年,，法國物理學(xué)家安東尼·亨利·貝克勒爾發(fā)現(xiàn)K2UO2(SO4)2·2H2O樣品能使感光膠片感光,，從而發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性。
1898年,，瑪麗·居里（居里夫人）證明含有鈾元素的化合物都具有放射性,，并發(fā)現(xiàn)了元素鐳，同時從鈾礦石中提取出鐳,，此后鈾的應(yīng)用擴大到了醫(yī)療等方面,。
20世紀30年代，德國科學(xué)家奧托·哈恩分別與莉澤·邁特納,、弗里茨·斯特拉斯曼通過轟擊實驗的方法,，發(fā)現(xiàn)了鈾的鏈式裂變效應(yīng)和能量釋放現(xiàn)象，引起了科學(xué)界對鈾的重視,。鈾元素自此改變了他作為鐳元素的副產(chǎn)品的身份,，并逐漸成為了核工業(yè)的主角。
20世紀40年代,，美國設(shè)立了專門研究原子彈的機構(gòu),。1945年美國分別在日本廣島和長崎投擲了第一顆235U原子彈和第一顆239Pu原子彈，1954年原蘇聯(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,。中國的鈾工業(yè)自20世紀50年代興起,，已形成完整的和具有相當規(guī)模的科研和工業(yè)生產(chǎn)體系。
鈾是如何分布的,？
鈾通常被人們認為是一種稀有金屬,，鈾元素廣泛存在于海水和地殼中,，由于提取鈾的難度較大，所以要遠遠晚于汞,、鉍,、銀這類元素的發(fā)現(xiàn)。
鈾元素的地殼豐度為2.3×10-4%,，地殼中鈾的平均含量約為百萬分之2.5,，即平均每噸地殼物質(zhì)中約含2.5克鈾。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。雖然鈾在地殼中分布廣泛,，已知的鈾礦物有170多種,，但具有工業(yè)開采價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U3O8）,、品質(zhì)鈾礦（主要成分為UO2）,、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),。
海水中鈾的濃度為3×10-7%，每噸海水平均只含3.3毫克鈾,，但由于海水總量極大（海水中總含鈾量可達 4.5×109噸）,，且從水中提取有其方便之處，所以不少國家,，特別是那些缺少鈾礦資源的國家,，正在探索海水提鈾的方法。
雖然鈾元素的分布相當廣,，但鈾礦床的分布卻很有限,。鈾資源主要分布在澳大利亞、哈薩克斯坦,、加拿大,、俄羅斯、納米比亞,、南非,、巴西、尼日爾等國家和地區(qū),。截至2019年,，全球已探明的鈾礦工業(yè)儲量已超過614.78萬噸,，我國鈾礦儲量約為25萬噸，全球總儲量的3.3%,。
鈾的主要用途是什么,？
1942年前鈾主要用作玻璃和陶瓷的著色劑，用量很少,。隨著235U鏈式核裂變反應(yīng)的被發(fā)現(xiàn)，核裂變釋放的巨大能量（1千克單質(zhì)235U通過計算能量相當于20000噸TNT）引起人們的注意,，鈾開始被廣泛用于原子彈,、氫彈的制造。
從20世紀50年代開始,，人類就開始嘗試給不受控制的核裂變釋放的巨大能量套上“枷鎖”,，使之可以穩(wěn)定長久的人類提供“清潔”能源，鈾被越來越多地用作核發(fā)電的核燃料（1千克單質(zhì)235U核完全裂變所釋放的能量相當于燃燒2700噸優(yōu)質(zhì)煤所放出的能量）,。1951年,，美國最先建成世界上第一座實驗性核電站；1985年,，我國第一座核電站秦山核電站建成使用,。2022年，我國核電總裝機容量占全國電力裝機總量的2.2%,，發(fā)電量為4177.8億千瓦時,，同比增加2.5%，約占全國總發(fā)電量的4.7%,，核能發(fā)電量達到世界第二,。
鈾元素又由于其多樣的性能，可以與多種金屬生成金屬間化合物用于制造核燃料元件,；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,；少量的鈾還可用于電子管制造業(yè)中的除氧劑和惰性氣體提純（除氧、氫外）,。
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，可用于放射治療,、放射免疫藥盒,、造影診斷等；在工業(yè)和地質(zhì)等方面,，可用于工業(yè)探傷,、自動控制、地質(zhì)勘探和文物考古等,。
?。ㄗ髡邌挝唬褐袊刭|(zhì)調(diào)查局呼和浩特自然資源調(diào)查中心）
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