关于铀你需要知道的一切

自从德国化学家马丁·海因里希·克拉普罗特于 1789 年发现铀以来，原子序数为 92 的铀就成了地球上最令人不安的物质之一。铀具有天然放射性，但其同位素铀 235 也具有裂变性，纳粹核化学家在 1938 年发现了这一点，他们完成了不可能的任务，将铀原子核一分为二。加州大学伯克利分校的美国物理学家很快发现，他们可以迫使铀 238 衰变成钚 239；此后，这种物质被用于世界各地的武器和发电厂。如今，由于伊朗违反早先的条约囤积铀，朝鲜“火箭人”领导人金正恩继续抵制无核化，这种元素继续加剧国际紧张局势。

但铀到底是什么？除了热门新闻之外，你还需要了解什么？下面我们来回答你最迫切的核问题：

铀从哪里来？

铀是一种常见金属。地质学家达娜·乌尔默-肖勒在新墨西哥州地质和矿产资源局的一篇解释文章中写道：“大多数岩石、土壤和水中都含有微量的铀。”但寻找更丰富的矿床——那些含有真正值得开采的浓缩铀的矿床——则更加困难。

当工程师们发现有希望开采的矿层时，他们就会开采铀矿。科罗拉多大学博尔德分校的物理学家杰里·彼得森说：“现在人们不再用镐头开采铀矿了。”如今，铀矿开采采用浸出法，彼得森将其描述为将“基本是百事可乐——略带酸性”的液体倒入地下，然后将液体从相邻的孔中抽上来。当液体渗透过矿床时，它会将铀分离出来以供开采。

铀有哪些不同类型？

铀有几种重要的同位素——同一种物质的不同种类，只是中子数（也称为原子质量）不同。最常见的是铀-238，占地球上铀元素的 99%。最不常见的同位素是铀-234，它是铀-238 衰变后形成的。这两种产物都不是可裂变的，这意味着它们的原子不容易分裂，所以它们不能维持核链式反应。

这就是铀-235同位素的特殊之处——它是可裂变的，因此只要经过一些巧妙的加工，它就可以支持核链式反应，使其成为核电站和武器制造的理想材料。但稍后我们会详细介绍这一点。

还有铀-233。这是另一种可裂变产物，但其来源完全不同。它是钍的产物，钍是一种比铀更丰富的金属化学物质。如果核物理学家将钍-232 暴露在中子中，钍很可能会吸收中子，导致该物质衰变成铀-233。

就像可以将钍变成铀一样，也可以将铀变成钚。甚至过程也相似：将丰富的铀-238 暴露在中子中，它会吸收一个中子，最终导致其衰变成钚-239，这是另一种用于制造核能和武器的裂变物质。虽然铀在自然界中很丰富，但钚实际上只能在实验室中看到，尽管它可以与铀一起自然产生。

如何从岩石变成核燃料源？

人们并没有确切列出精炼核材料的分步指南。但彼得森已经非常接近了。他说，从地下提取铀后，化学工程师会将富含铀的液体与样品中的其他矿物质分离。当产生的氧化铀干燥后，它的颜色就像粗面粉一样，因此这种中间产品被称为“黄饼”。

从那里，核电站可以以 20 或 30 美元的价格购买一磅黄饼。他们将粉末与氢氟酸混合。产生的气体在离心机中旋转，从铀 238 和铀 235 中分离出来。这个过程被称为“浓缩”。核电站需要的不是天然浓度 0.7%，而是浓缩到 3% 到 5% 之间的铀 235。对于核武器来说，你需要的要多得多：如今，目标是达到 90% 以上。

一旦铀浓缩，发电厂操作员就会将其与水等慢化剂配对，以减慢铀中中子的速度。这增加了持续链式反应的可能性。当反应最终开始时，每个中子将转变为 2.4 个中子，依此类推，同时产生能量。

我应该在下次晚宴上分享哪些有趣的事实？

试试这个：在今年早些时候的PopSci杂志“危险”专刊中，太平洋西北国家实验室的研究员 David Meier 谈到了他创建钚源数据库的工作。原来，每一种钚产品都有一个可见的来源故事，因为“没有一种加工方法”，Meier 说。美国有两个钚生产基地。华盛顿州汉福德（PNNL 的前身是曼哈顿计划基地）生产的中间产品是棕色和黄色的，而南卡罗来纳州阿肯的萨凡纳河基地生产的则是“漂亮的蓝色材料”，Meier 说。执法官员希望这些细微的差别——也可能与材料化学特征、粒度或形状的变化相对应——有朝一日能帮助他们追查非法核开发。

或者，用放射性餐具的简短历史来让你的客人眼花缭乱。铀玻璃（也称为金丝雀玻璃或凡士林玻璃）的制造始于 19 世纪 30 年代。在威廉·亨利·珀金于 1856 年发明第一种合成颜料之前，染料非常昂贵，而且即使到了那时，染料也很快就用不了了。铀成为一种流行的方法，可以让盘子、花瓶和玻璃杯呈现深黄色或薄荷绿色。但将这些家用物品放在紫外线下，它们都会发出令人震惊的霓虹黄绿色荧光。幸运的是，对于积极交易铀玻璃的狂热收藏家来说，大多数这些物品的放射性并不高，不会对人体健康构成威胁。

最后一条：2002 年，医学杂志《柳叶刀》发表了一篇文章，探讨了贫铀（铀 235 提取后剩下的废物）最终可能出现在战场上的可能性。令人担忧的是，贫铀的高密度使其成为一种令人难以置信的射弹，能够穿透最坚固的战斗坦克。更糟糕的是，它可能会污染周围的景观和任何接触过它的人。