地球探索 | 从“核”而来的“铀”惑
铀(Uranium)是锕系元素中的一种金属,原子序数92,其元素符号是U,是目前自然界中能够找到的最重元素。由于原子中的中子数量不同,在自然界中存在着234U、235U和238U三种铀同位素,此外还有12种人工同位素(226U-240U)。铀化合物早期用于瓷器的着色,在铀原子核裂变现象被发现后广泛应用于发电、核武器制造等领域。
铀是如何被发现的?
1798年,德国化学家马丁·海因里希·克拉普罗特在柏林实验室中将沥青铀矿溶解在硝酸中,再用氢氧化钠中和,成功沉淀出一种黄色化合物(可能为重铀酸钠),并利用炭加热该化合物,得到一些黑色粉末(铀的氧化物),之后他就用威廉·赫歇尔1781年新发现的天王星uranium来命名此种新元素,元素符号定为U,在当时铀仅以化合物的形式作为染色剂用于陶瓷、玻璃工业和纺织业。
1841年,法国分析化学教授E.M.佩利若证明该物质系二氧化铀,随后用钾还原UCl4制备了金属铀。
1896年,法国物理学家安东尼·亨利·贝克勒尔发现K2UO2(SO4)2·2H2O样品能使感光胶片感光,从而发现了铀的放射性。
1898年,玛丽·居里(居里夫人)证明含有铀元素的化合物都具有放射性,并发现了元素镭,同时从铀矿石中提取出镭,此后铀的应用扩大到了医疗等方面。
20世纪30年代,德国科学家奥托·哈恩分别与莉泽·迈特纳、弗里茨·斯特拉斯曼通过轰击实验的方法,发现了铀的链式裂变效应和能量释放现象,引起了科学界对铀的重视。铀元素自此改变了他作为镭元素的副产品的身份,并逐渐成为了核工业的主角。
20世纪40年代,美国设立了专门研究原子弹的机构。1945年美国分别在日本广岛和长崎投掷了第一颗235U原子弹和第一颗239Pu原子弹,1954年原苏联建成了第一座核电站。从此,铀的科研和生产受到世界各国的高度重视,核武器制造和核发电工业便得到迅速发展。中国的铀工业自20世纪50年代兴起,已形成完整的和具有相当规模的科研和工业生产体系。
铀是如何分布的?
铀通常被人们认为是一种稀有金属,铀元素广泛存在于海水和地壳中,由于提取铀的难度较大,所以要远远晚于汞、铋、银这类元素的发现。
铀元素的地壳丰度为2.3×10-4%,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。由于铀的化学性质很活泼,所以自然界不存在游离态的金属铀,它总是以化合状态存在着。虽然铀在地壳中分布广泛,已知的铀矿物有170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U3O8)、品质铀矿(主要成分为UO2)、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,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。
海水中铀的浓度为3×10-7%,每吨海水平均只含3.3毫克铀,但由于海水总量极大(海水中总含铀量可达 4.5×109吨),且从水中提取有其方便之处,所以不少国家,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。
虽然铀元素的分布相当广,但铀矿床的分布却很有限。铀资源主要分布在澳大利亚、哈萨克斯坦、加拿大、俄罗斯、纳米比亚、南非、巴西、尼日尔等国家和地区。截至2019年,全球已探明的铀矿工业储量已超过614.78万吨,我国铀矿储量约为25万吨,全球总储量的3.3%。
铀的主要用途是什么?
1942年前铀主要用作玻璃和陶瓷的着色剂,用量很少。随着235U链式核裂变反应的被发现,核裂变释放的巨大能量(1千克单质235U通过计算能量相当于20000吨TNT)引起人们的注意,铀开始被广泛用于原子弹、氢弹的制造。
从20世纪50年代开始,人类就开始尝试给不受控制的核裂变释放的巨大能量套上“枷锁”,使之可以稳定长久的人类提供“清洁”能源,铀被越来越多地用作核发电的核燃料(1千克单质235U核完全裂变所释放的能量相当于燃烧2700吨优质煤所放出的能量)。1951年,美国最先建成世界上第一座实验性核电站;1985年,我国第一座核电站秦山核电站建成使用。2022年,我国核电总装机容量占全国电力装机总量的2.2%,发电量为4177.8亿千瓦时,同比增加2.5%,约占全国总发电量的4.7%,核能发电量达到世界第二。
铀元素又由于其多样的性能,可以与多种金属生成金属间化合物用于制造核燃料元件;添加适量的其他金属,如铌、铬、钼或锆能改善铀的热导率、晶体结构及金相结构、热处理特性、辐照稳定性和耐蚀性等;少量的铀还可用于电子管制造业中的除氧剂和惰性气体提纯(除氧、氢外)。
此外,铀核反应堆也可用作辐照源,用于农业辐照育种、食品工业食品保鲜和灭菌,也可用于生产人造元素;在医药方面,可用于放射治疗、放射免疫药盒、造影诊断等;在工业和地质等方面,可用于工业探伤、自动控制、地质勘探和文物考古等。