地球探索 | 从“核”而来的“铀”惑

2023.08.01 中国矿业报

　　◎ 孙涛吕汉秦

　　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。

　　（作者单位：中国地质调查局呼和浩特自然资源调查中心）