怎樣提煉鈾

【專家解說】：最重的天然元素鈾已經(jīng)成為新能源的主角，那么鈾又是怎樣提煉出來的呢？ 在居里夫婦發(fā)現(xiàn)鐳以后，由于鐳具有治療癌癥的特殊功效，鐳的需要量不斷增加，因此許多國家開始從瀝青鈾礦中提煉鐳，而提煉過鐳的含鈾礦渣就堆在一邊，成了“廢料”。 然而，鈾核裂變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，鈾變成了最重要的元素之一。這些“廢料”也就成了“寶貝”。從此，鈾的開采工業(yè)大大地發(fā)展起來，并迅速地建立起了獨立完整的原子能工業(yè)體系。 鈾是一種帶有銀白色光澤的金屬，比銅稍軟，具有很好的延展性，很純的鈾能拉成直徑0.35毫米的細絲或展成厚度0.1毫米的薄箔。鈾的比重很大，與黃金差不多，每立方厘米約重19克，像接力棒那樣的一根鈾棒，竟有十來公斤重。 鈾的化學性質(zhì)很活潑，易與大多數(shù)非金屬元素發(fā)生反應。塊狀的金屬鈾暴露在空氣中時，表面被氧化層覆蓋而失去光澤。粉末狀鈾于室溫下，在空氣中，甚至在水中就會自燃。美國用貧化鈾制造的一種高效的燃燒穿甲彈—“貧鈾彈”，能燒穿30厘米厚的裝甲鋼板，“貧鈾彈”利用的就是鈾極重而又易燃這兩種性質(zhì)。 鈾元素在自然界的分布相當廣泛，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，這比鎢、汞、金、銀等元素的含量還高。鈾在各種巖石中的含量很不均勻。例如在花崗巖中的含量就要高些，平均每噸含3.5克鈾。依此推算，一立方公里的花崗巖就會含有約一萬噸鈾。海水中鈾的濃度相當?shù)?，每噸海水平均只?.3毫克鈾，但由于海水總量極大，且從水中提取有其方便之處，所以目前不少國家，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。 由于鈾的化學性質(zhì)很活潑，所以自然界不存在游離的金屬鈾，它總是以化合狀態(tài)存在著。已知的鈾礦物有一百七十多種，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(主要成分為八氧化三鈾)、品質(zhì)鈾礦(二氧化鈾)、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，我們還記得，正是鈾礦物(鈾化合物)這種發(fā)熒光的特性，才導致了放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。 雖然鈾元素的分布相當廣，但鈾礦床的分布卻很有限。國外鈾資源主要分布在美國、加拿大、南非、西南非、澳大利亞等國家和地區(qū)。據(jù)估計，國外已探明的工業(yè)儲量到1972年已超過一百萬噸。隨著勘探活動的廣泛和深入，鈾儲量今后肯定還會增加。我國鈾礦資源也十分豐富。 鈾礦是怎樣尋找的呢？鈾及其一系列衰變子體的放射性是存在鈾的最好標志。人的肉眼雖然看不見放射性，但是借助于專門的儀器卻可以方便地把它探測出來。因此，鈾礦資源的普查和勘探幾乎都利用了鈾具有放射性這一特點：若發(fā)現(xiàn)某個地區(qū)巖石、土壤、水、甚至植物內(nèi)放射性特別強，就說明那個地區(qū)可能有鈾礦存在。 鈾礦的開采與其它金屬礦床的開采并無多大的區(qū)別。但由于鈾礦石的品位一般很低(約千分之一)，而用作核燃料的最終產(chǎn)品的純度又要求很高(金屬鈾的純度要求在99．9％以上，雜質(zhì)增多，會吸收中子而妨礙鏈式反應的進行)，所以鈾的冶煉不象普通金屬那樣簡單，而首先要采用“水冶工藝”，把礦石加工成含鈾60～70％的化學濃縮物（重鈾酸銨)，再作進一步的加工精制。 鈾水冶得到的化學濃縮物(重鈾酸氨)呈黃色，俗稱黃餅子，但它仍含有大量的雜質(zhì)，不能直接應用，需要作進一步的純化。為此先用硝酸將重鈾酸銨溶解，得到硝酸鈾酰溶液。再用溶劑萃取法純化(一般用磷酸三丁酯作萃取劑)，以達到所要求的純度標準。 純化后的硝酸鈾酰溶液需經(jīng)加熱脫硝，轉(zhuǎn)變成三氧化鈾，再還原成二氧化鈾。二氧化鈾是一種棕黑色粉末，很純的二氧化鈾本身就可以用作反應堆的核燃料。 為制取金屬鈾，需要先將二氧化鈾與無水氟化氫反應，得到四氟化鈾；最后用金屬鈣(或鎂)還原四氟化鈾，即得到最終產(chǎn)品金屬鈾。如欲制取六氟化鈾以進行鈾同位素分離，則可用氟氣與四氟化鈾反應。 至此，能作核燃料使用的金屬鈾和二氧化鈾都生產(chǎn)出來了，只要按要求制成一定尺寸和形狀的燃料棒或燃料塊(即燃料元件)，就可以投入反應堆使用了。但是對于鈾處理工藝來說，這還只是一半。 我們知道，核燃料鈾在反應堆中雖然要比化學燃料煤在鍋爐中使用的時間長得多，但是用過一段時間以后，總還是要把用過的核燃料從反應堆中卸出來，再換上一批新的核燃料。從反應維中卸出來的核燃料一般叫輻照燃料或“廢燃料”。燒剩下的煤渣一般都丟棄不要了，可這種不能再使用的廢燃料卻還大有用處呢！ 廢燃料之所以要從反應堆中卸出來，并不是因為里面的裂變物質(zhì)(鈾235)已全部耗盡，而是因為能大量吸收中子的裂變產(chǎn)物積累得太多，致使鏈式反應不能正常進行了。所以，廢燃料雖“廢”，但里面仍有相當可觀的裂變物質(zhì)沒有用掉，這是不能丟棄的，必須加以回收。而且在反應堆中，鈾238吸收中子，生成钚239。钚239是原子彈的重要裝藥，它就含在廢燃料中，這就使得用過的廢燃料甚至比沒有用過的燃料還寶貴。除此而外，反應堆運行期間，還生成其它很多種有用的放射性同位素，它們 蘑菇云 也含在廢燃料中，也需要加以回收。 從原理上講，廢燃料的處理與天然鈾的生產(chǎn)并無多大差別。一般先把廢燃料溶解，再用溶劑萃取法把鈾、钚和裂變產(chǎn)物相互分開，然后進行適當?shù)募兓娃D(zhuǎn)化。但實際上，廢燃料的處理是十分困難的。世界上很多國家都能生產(chǎn)天然鈾，很多國家都有反應堆，但是能處理廢燃料的國家卻并不多。 廢燃料的處理有三個特點：一是廢燃料具有極強的放射性，它們的處理必須有嚴密的防護設施，并實行遠距離操作；二是廢燃料中钚含量很低而钚又極貴重，所以要求處理過程的分離系數(shù)和回收率都很高；三是钚能發(fā)生鏈式反應，因此必須采取嚴格的措施，防止臨界事故的發(fā)生。目前，廢燃料的處理大都采用自動化程度很高的磷酸三丁酯萃取流程。 我們看到，在鈾處理的工藝鏈中，相對于反應堆而言，鈾水冶工藝在反應堆之前進行，所以通常叫做前處理，廢燃料處理在反應堆之后進行，所以通常叫做后處理。而從鈾礦石加工開始的整個工藝過程，包括鈾同位素分離以及核燃料在反應堆中使用在內(nèi)，一般總稱為核燃料循環(huán)。 從以上極為簡單的介紹就可以看出，鈾和钚確是得之不易的。原子能工業(yè)猶如一條長長的巨龍，要最重的天然元素鈾做出轟轟烈烈的事業(yè)，得經(jīng)過多少次加工和處理、分析和測量、計算和核對啊！原子能工業(yè)又猶如一座高高的金字塔，要制造一顆原子彈，就要使用一、二十公斤鈾235或钚239；要生產(chǎn)一、二十公斤鈾235或钚239，就要消耗十來噸天然鈾；要生產(chǎn)十來噸天然鈾就要加工近萬噸鈾礦石。我們贊賞核電站的雄姿，驚嘆原子彈的威力，可千萬不能忽視支撐這座金字塔塔尖的無數(shù)塊磚石啊！