鈾(Uranium)是原子序數為92的元素，其元素符號是U，是自然界中能夠找到的最重原生元素。在自然界中存在三種同位素，均帶有放射性，擁有非常長的半衰期（數十萬年~45億年）。此外還有12種人工同位素(U~U)。鈾在1789年由馬丁·海因里希·克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）發現。鈾化合物早期用於瓷器的著色，在核裂變現象被發現後用作為核燃料。
2023年4月，日本與韓國科學家發現了一種以前未知的鈾同位素——鈾-241。11月21日，鈾的價格15年來首次突破80美元/磅。
基本介紹
中文名：鈾 外文名：UraniumCAS登錄號：7440-61-1 熔點：1132.5 ℃沸點：4131 ℃外觀：銀白色金屬元素符號：U 原子量：238.02891元素類型：金屬元素原子序數：92發現人：克拉普羅特元素類別：錒系元素電子排布：[Rn] 5f 6d 7s價態：+3，+4，+5，+6
簡介,化學性質,物理性質,同位素及半衰期,核性質,發現簡史,鈾的化合物,鈾的合金,鈾的賦存及資源,鈾的礦物,分布範圍,提取冶金,安全防護,發展趨勢,鈾原子核裂變,U-235裂變,U-238裂變,鈾濃縮,濃縮鈾簡介,鈾濃縮技術,鈾濃縮方法,氣體擴散法,氣體離心法,其他幾種方法,鈾的用途,鈾核反應堆,核子彈,銷售信息,
簡介自然產生的最重的金屬。呈銀白色，具有硬度強、密度高、可延展、有放射性等特徵。一般在鈾與氧、氧化物或矽酸鹽的結合中發現鈾。鈾原子能發生裂變反應，釋放大量能量從而可以套用於發電，核武器製造等領域。第二次世界大戰中盟軍的核武器計畫引發對鈾的需求，鈾的生產應運而生。到20世紀70年代，鈾的生產工業已穩固地建立起來。化學性質鈾是Ⅲb族錒系放射性化學元素，符號U，原子序數92，相對原子質量238.03，是原子序數和相對原子質量最大的天然元素。鈾在常溫下是銀白色的緻密金屬，鈾的新切面呈發亮的鋼灰色，但在室溫空氣中逐漸生成黑色氧化膜。鈾原子的外電子層構型為[Rn]5f6d7s，5f6d7s殼層為價電子。鈾有+3、+4、+5、+6四種價態，以+4和+6價態為主。鈾是正電性很強的活潑元素，與幾乎所有非金屬元素（惰性氣體除外）反應生成化合物，常以U、U、UO2和UO2離子形式存在。鈾與氫在523K時發生可逆反應， 生成UH3。鈾-氧系比較複雜，在UO2～UO3間存在多種相，重要的氧化物有UO2、U3O8和UO3。其中UO2是當前套用最廣泛的核燃料。鈾與鹵素生成核燃料製備工藝中重要的化合物。如UF4是生產金屬鈾和UF6的中間產物。UF6的三相點為337K，是氣態鈾同位素分離的原料。碳化鈾、氮化鈾和矽化鈾都是性能優越的被認為有希望的核燃料。金屬鈾在空氣中會變暗，可為蒸汽和酸腐蝕，但耐鹼腐蝕。其原子半徑為138.5pm；U、U、U、U的離子半徑分別為103、97、89及80pm。鈾的電負性據鮑林（Pauling）測定為1.38；阿爾勒德（Allred） 和羅切夫 （Rochow） 測定為1.22。鈾能與大多數非金屬元素及其化合物發生反應，反應的溫度和反應速度隨鈾的粒度而異。鈾在室溫的空氣或氧氣中能自燃，細粒鈾在水中亦能自燃。在一定條件下，鈾氧化放出的能量可引起爆炸。鈾粉塵的爆炸濃度下限為55mg/dm。鈾能與許多金屬反應生成金屬間化合物。鈾可與鈮、鉿、鋯、鉬及鈦生成固溶體。鈾及其化合物均有較大的化學毒性，空氣中可溶性鈾化合物的允許濃度為0.05mg/m，不溶性鈾化合物的允許濃度為0.25mg/m，人體對天然鈾的放射性允許劑量，可溶性鈾化合物是7400Bq，不溶性鈾化合物是333Bq。物理性質鈾是放射性金屬元素，可作為核反應的燃料。鈾是銀白色金屬，幾乎與鋼一樣硬，密度高（相對密度約18.95），熔點1135℃，沸點4134℃。在核能量發展之前，它被用作製造黃色玻璃。鈾是自然界存在的原子序數最高的元素。1841年E.佩利（1811-1890）離析出金屬鈾，雖然在此之前鈾已在瀝青鈾礦中被認知。它也藏於雲母鈾礦、釩鉀鈾礦和獨居石中；主要分布於加拿大、澳大利亞、南非。可通過氣體擴散技術從易揮發氣體六氟化鈾（UF6）中分離各同位素鈾。鈾存在三種同素異形體，其存在溫度和主要結構特徵列於表中。α-U在室溫時的密度為19.02t/m。α-U和β-U呈明顯的各向異性，如在298～523 K之間，α-U單晶沿a、b、c軸熱膨脹係數分別為αa=+33.24×10/K、αb=-6.49×10/K、αc=+30.36×10/K。γ-U有各向同性結構。無序排列的多晶鈾在293～373 K範圍的熱膨脹係數等於16.3×10/K。在5～350K之間的比熱為27.66J/（mol·K）。α-U的熱導率隨溫度提高而增加，室溫下為25.1W/（m·K），1033K時為37.7W/（m·K）。鈾的力學性質隨試樣爐號和熱處理的不同而異。對α軋制α退火的試樣，得到室溫最大屈服強度為206.8-275.8 MPa，對小變形量擠壓鈾，室溫抗拉強度極限為586.1～861.8MPa。鈾有三種晶格結構： α-U為斜方結構，a=284.785pm，b=585.801pm，c=494.553pm；β-U為正方結構，a=1076.0pm，c=565.2pm；γ-U為體心立方結構，a=352.4pm。它們的轉換溫度為941K（α→β）和1047K （β→γ）。鈾的同素異形體α-Uβ-Uγ-U存在溫度範圍 （K）＜941941-10481048（熔點）晶體結構斜方四方體心立方晶胞中原子數 （個）4302晶格常數 （nm）a00. 285411. 05790. 3524b00. 58692--c00. 495630. 5656-鈾的重要物理性質列於下表。性 質數 據熔點T/K沸點T/K熔化熱Q/kJ·mol氣化熱Q/kJ·mol密度ρ/kg·m熱導率λ/W·m-1·K電阻率ρ/Ω·m摩爾體積Vm/cm線脹係數αl/K1405.5401815.5417.118950（293K），17907（熔點液體）27.6（300K）30.8×10（273K）12.5612.6×10同位素及半衰期天然鈾含有三種同位素：U、U和U，它們的含量分別為99.28%（U）、0.71%（U）和0.006%（U），半衰期分別為（U）4.51×10、（U）7.09×10和（U）2.35×10年。其中以U為最重要，是目前核動力的燃料。一個U核吸收一個熱中子發生裂變時放出約2.5箇中子，並釋放出207MeV能量。1 kgU核裂變放出的能量相當於燃燒2700t煤所產生的能量。根據反應堆堆型及其工作條件，核燃料可採用天然鈾或提高了U含量的富集鈾。用氣體擴散法、離心法或雷射法等分離鈾同位素，可使U的富集度達到90%以上。U俘獲中子後轉變成易裂變的Pu（鈽）。Pu和U也是製造核武器的主要原料。在25km地殼內含10t鈾，其中海水含10t，每噸海水平均含鈾3.3mg。自然界存在幾百種含鈾的礦物，但大多是貧礦，所以經濟地大量開採很困難。目前，經濟上有開採價值的鈾礦含U3O8量為0.1%左右。如果發展快中子增殖堆，則鈾資源利用率可比壓水堆提高60～70倍。鈾同位素中存量最多的是U，再者是可用作核能發電的燃料的U，豐度最少的是U。此外還有12種人工同位素。同位素豐度半衰期衰變模式衰變能量（MeV）衰變產物U人造68.9年自發分裂--α衰變5.414Th-228U人造159200年自發分裂197.93-α衰變4.909Th-229U0.006%245500年自發分裂197.78-α衰變4.859Th-230U0.72%7.038×10年自發分裂202.48-α衰變4.679Th-231U人造2.342×10年自發分裂201.82-α衰變4.572Th-232U人造6.75日β衰變0.519Np-237U99.275%4.468×10年自發分裂205.87-α衰變4.270Th-234
核性質鈾的熱中子吸收截面為7.60b±0.07b。鈾的同位素（包括同核異能素）有15種，其質量數從227至240。鈾的天然同位素組成列於下表。核 素相對原子質量自然豐度/%半衰期T1/2/a衰變模式及衰變能α/MeVUUU234.0409235.0439238.05080.0050.72099.2752.47×107.00×104.51×10α（4.856）；γα（4.681）；SF； γα（4.268）；SF；γU為錒鈾衰變系的始祖核素，U為鈾鐳系的始祖核素，U是U的衰變系產物 。U是惟一天然的可裂變核素。U核素受熱中子轟擊，吸收一個中子後發生裂變（誘發裂變）。一個U核在裂變時放出的總能量為195MeV，同時放出2～3（平均2.5）箇中子。只要其中一個中子引起另一個U核發生裂變，鏈式核裂變就會持續進行下去。U不是裂變核素，但U在反應堆活性區吸收中子後生成U，U再經兩次β衰變生成能裂變的Pu。因此，可以利用快中子增殖堆充分發揮U的作用，提高天然鈾的利用率。發現簡史鈾（yóu）英文名Uranium，得名於天王星的名字“Uranus”。1789年M.H.克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）首先從瀝青鈾礦中發現了“鈾”，就用1781年新發現的一個行星——天王星命名它為uranium，元素符號定為U。但1841年E.M.佩利若（Eugene-Melchior Peligot）證明該物質系二氧化鈾，隨後用鉀還原UCl4製備了金屬鈾。1896年A.H.貝可勒爾（Antoine Henri Becquerel）發現了鈾的放射性現象。那時對鈾的研究屬純理論性的，鈾化合物只用於玻璃和陶瓷的著色。1898年在鈾礦中發現了鐳，鈾便成為開採鐳的副產品。1938年O.哈恩（Otto Hahn）和F.施特拉斯曼（Fritz Strassmann）用中子轟擊鈾核發現核裂變同時釋放出能量，引起了人們重新對鈾的重視。第二次世界大戰期間和戰後，由於核武器和核動力的需要，加速了鈾資源的勘探和開採。美國為此設立了專門研究核子彈的機構。1945年美國在日本廣島投擲了第一顆U核子彈，幾天后又在日本長崎投下了一顆Pu核子彈。1954年蘇聯建成了第一座核電站。從此，鈾的科研和生產受到世界各國的高度重視，核武器製造和核發電工業便得到迅速發展。中國的鈾工業自20世紀50年代興起，已形成完整的和具有相當規模的科研和工業生產體系。2023年4月，日本與韓國科學家發現了一種以前未知的鈾同位素——鈾-241。其原子序數為92，質量為241，半衰期可能只有40分鐘，這是自1979年以來科學家首次發現富含中子的鈾同位素。鈾的化合物鈾有多種化合物，主要鈾化合物的化學式、存在形態和用途列於下表。名稱化學式存在形態用 途二氧化鈾UO2深褐色或黑色粉末製造反應堆元件或生產UF4三氧化鈾UO3無定形UO3或α-UO3，褐色，β-UO3橙色粉末，γ-UO3亮黃色，δ-UO3紅色，Σ-UO3磚紅色，η-UO3棕色還原成UO2八氧化三鈾四氟化鈾六氟化鈾U3O8UF4UF6橄欖綠色（有時呈墨綠或黑色）粉末翠綠色晶體（綠鹽）室溫下近於白色固體，在309K溫度升華，最易揮發的鈾化合物儲存、還原成UO2製取金屬鈾或UF6同位素分離，濃縮U硝酸鈾醯UO2(NO3)2UO2（NO3）2·6H2O亮黃色晶體脫硝成UO3重鈾酸銨(NH4)2U2O7黃色沉澱物（俗稱“黃餅”）質量好的呈片狀結晶熱分解成UO2或UO3三碳酸鈾醯銨(NH4)4UO2(CO3)3淡黃色晶體熱分解成UO2鈾的合金鈾能與多種金屬生成金屬間化合物。鈾具有化學性質活潑、各向異性結構和機械性能較差等缺陷。鈾合金的某些性質優於金屬鈾，這在核燃料元件製造中相當重要。添加適量的其他金屬，如鈮、鉻、鉬或鋯能改善鈾的熱導率、晶體結構及金相結構、熱處理特性、輻照穩定性和耐蝕性等。
貧鈾彈即利用貧鈾合金製造的一種高效燃燒穿甲彈，它藉助貧鈾材料密度大（鉛密度的2倍）、強度大（鋼強度的3倍）和穿透力強，且易燃燒的特點製作而成，貧鈾合金含U、U等，貧鈾彈爆炸後殘留的U等能損害腎臟、神經系統，可導致肺癌等。密度、硬度較大的貧鈾合金，還可製作防輻射材料等。鈾的賦存及資源鈾廣泛存在於地殼和海水中。海水中鈾的濃度為3×10%，地殼豐度為2.3×10%，但在地殼中很分散。鈾的礦物鈾礦物按成因可分為原生鈾礦和次生鈾礦兩大類。除瀝青鈾礦外，原生鈾礦均存在於偉晶岩中，原生礦物經風化和熱液作用易轉變成各種次生礦物。鈾礦的成因、產狀、含鈾量及伴生礦物和圍岩均會影響到鈾礦的加工工藝。已發現的鈾礦物和含鈾礦物約有500多種。其中常見並具有工業實用價值的僅二三十種。下表所列為重要的鈾礦物。類型礦物名稱組 成鈾含量（質量分數ω）/%原生鈾礦瀝青鈾礦晶質鈾礦鈦鈾礦UO2·mUO3·nPbO（U,Th）O2·mUO3·nPbO(U,Ce,Fe,Y,Th)3Ti5O1640～7665～75.4＜40次生鈾礦水（瀝青）鈾礦UO2·mUO3·nH2O銅鈾雲母鈣鈾雲母鉀釩鈾礦釩鈣鈾礦Cu(UO2)2(PO4)2·(8～12)H2OCa(UO2)2(PO4)2·(8～12)H2OK2(UO2)2(VO4)2·(1～3)H2OCa(UO2)2(VO4)2·8H2O50505050～60除澳大利亞、加拿大有一些較大的富鈾礦床（含鈾1%～10%）外，大多數鈾礦的含鈾品位為0.1%～0.2%。鈾水冶廠大多直接處理鈾原礦，但通過選礦能提高礦石品位，降低成本。一些國家正採用放射分選機對塊狀鈾礦石進行選礦。為了綜合利用或改善鈾礦石加工性能，有的礦石還需經配礦、焙燒等預處理。此外，含鈾的磷酸鹽礦、褐煤、頁岩、鈾礦水、含鈾銅廢石堆浸液和海水等都可成為提鈾的原料。例如，1988年美國從濕法磷酸等副產品中回收的鈾達1500t，約占其總產量5190t鈾的29%。分布範圍鈾通常被人們認為是一種稀有金屬，儘管鈾在地殼中的含量很高，比汞、鉍、銀要多得多，但由於提取鈾的難度較大，所以它注定了要比汞這些元素髮現的晚得多。儘管鈾在地殼中分布廣泛，但是只有瀝青鈾礦和鉀釩鈾礦兩種常見的礦床。銅鈾雲母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。鈾在各種岩石中的含量很不均勻。例如在花崗岩中的含量就要高些，平均每噸含3.5克鈾。在地殼的第一層（距地表 20 km）內含鈾近1.3×10噸。依此推算，一立方公里的花崗岩就會含有約一萬噸鈾。海水中鈾的濃度相當低，每噸海水平均只含3.3毫克鈾，但由於海水總量極大（海水中總含鈾量可達 4.5×10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。由於鈾的化學性質很活潑，所以自然界不存在游離態的金屬鈾，它總是以化合狀態存在著。已知的鈾礦物有一百七十多種，但具有工業開採價值的鈾礦只有二、三十種，其中最重要的有瀝青鈾礦（主要成分為八氧化三鈾）、品質鈾礦（主要成分為二氧化鈾）、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出強烈的螢光。正是鈾礦物（鈾化合物）這種發螢光的特性，才導致了放射性現象的發現。綠鈾礦雖然鈾元素的分布相當廣，但鈾礦床的分布卻很有限。鈾資源主要分布在美國、加拿大、南非、西南非、澳大利亞等國家和地區。據估計，已探明的工業儲量到1972年已超過一百萬噸。