金属铀

处于金属状态的铀

指处于金属状态的铀。引表面具有银白色金属光泽，熔点1130℃，100℃时的热导率为0.25W/（cm·℃）。金属铀多用作石墨或重水型生产堆棒状燃料元件的燃料芯，用热中子吸收截面较小的铝、镁及其合金作包壳材料。铀与锆、钼、铌等许多金属组成的合金，具有良好的机械性能、耐腐蚀和抗辐照性能。金属铀的化学性质很活泼，能自燃。氧化性的酸，如硝酸可快速溶解铀。工业上金属铀系通过四氟化铀（UF4）的钙（镁）金属热还原法来制备的。

铀元素简介

元素名称

铀（拼音：yóu，英语：Uranium）

元素原子量

238.0

元素类型

金属

元素描述

致密而有延展性的银白色放射性金属。铀在接近绝对零度时有超导性，有延展性。铀的化学性质活泼，易与绝大多数非金属反应，能与多种金属形成合金。铀最初只用做玻璃着色或陶瓷釉料，1938年发现铀核裂变后，开始成为主要的核原料。

氧化态

Main U+6

Other U+2, U+3, U+4, U+5

原子体积:(立方厘米/摩尔)

12.59

发现人

克拉普罗特（M.H.Klaproth）

发现年代

1789年

发现过程

1789年，由德国。他用钾还原四氯化铀，成功地获得了金属铀。1896年有人发现了铀的放射性衰变。1939年，哈恩（O.Hahn）和斯特拉斯曼（F.Strassmann）发现了铀的核裂变现象。自此以后，铀便变得身价百倍。

元素物理特性

密度19.05±0.02克/立方厘米

熔点1132℃

沸点3818℃

元素在太阳中的含量:(ppm)

0.001

元素在海水中的含量:(ppm)

0.00313

晶体结构：晶胞为正交晶胞。

晶胞参数：

a = 285.37 pm

b = 586.95 pm

c = 495.48 pm

α = 90°

β = 90°

γ = 90°

共有三种结晶变体：斜方晶体、四方晶体、体心立方体。铀是银白色活泼的金属，可延展、锻造，能和所有的非金属作用（惰性气体除外）。和许多金属作用，生成金属间化合物。在空气中易氧化，生成一层发暗的氧化膜，能与酸作用，以U-234、U-235、U-238混合体存在于铀矿中。少量存在于独居石等稀土矿石中。U-238的半衰期为45亿年。

元素来源

可用电解法、分解法、还原法等从铀矿中制得。许多种类的岩石都含有铀，但富矿只有沥青铀矿和钒钾铀矿等几种。

元素用途

千百年来铀一直被用作给玻璃染色的色素，古代使用的颜料铀黄就是一个典型的例子然而现在纯金属铀主要用作核反应堆和原子弹中使用的核燃料。少量用于电子管制造业中的除氧剂和惰性气体提纯（用于除氧等）。

元素辅助资料

200年前发现的一种普通的金属元素居然会成为今天核动力和核武器的原料。就是在20世纪40年代以前，这种普通的金属一直被看作是没有什么用处的东西，这就是铀。铀通常被人们认为是一种稀有金属，尽管铀在地壳中的含量很高，比汞、铋、银要多得多，但由于提取铀的难度较大，所以它注定了要比汞这些元素发现的晚得多。尽管铀在地壳中分布广泛，但是只有沥青铀矿和钾钒铀矿两种常见的矿床。人们认识铀正是从这两种矿石开始。

相对原子质量：238

常见化合价： +2,+3,+4,+5,+6

电负性： 0

外围电子排布：5f3 6d1 7s2

核外电子排布： 2,8,18,32,21,9,2

同位素及放射线：

U-230[20.8d]

U-231[4.2d]

U-232[70y]

U-233[159000y]

U-234（放 α[247000y]）

U-235（放 α[700040000y]）

U-236[23400000y]

U-237[6.75d]

U-238（放 α[4479000000）

电子亲合和能： 0 KJ·mol-1

第一电离能： 0 KJ·mol-1 第二电离能： 0 KJ·mol-1 第三电离能： 0 KJ·mol-1

单质密度： 18.95 g/cm3

单质熔点： 1132.0 ℃

单质沸点： 3818.0 ℃

原子半径： 0 埃

离子半径： 0.81(+6) 埃

共价半径： 0 埃

名称由来：Uranium得名于天王星的名字“Uranus”。

电子构型: 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10f14 5s2p6d10f3 6s2p6d1 7s2

铀的开采提炼

最重的天然元素铀已经成为新能源的主角，那么铀又是怎样提炼出来的呢？

在居里夫妇发现镭以后，由于镭具有治疗癌症的特殊功效，镭的需要量不断增加，因此许多国家开始从沥青铀矿中提炼镭，而提炼过镭的含铀矿渣就堆在一边，成了“废料”。

然而，铀核裂变现象发现后，铀变成了最重要的元素之一。这些“废料”也就成了“宝贝”。从此，铀的开采工业大大地发展起来，并迅速地建立起了独立完整的原子能工业体系。

铀是一种带有银白色光泽的金属，比铜稍软，具有很好的延展性，很纯的铀能拉成直径0.35毫米的细丝或展成厚度0.1毫米的薄箔。铀的比重很大，与黄金差不多，每立方厘米约重19克，像接力棒那样的一根铀棒，竟有十来公斤重。

铀的化学性质很活泼，易与大多数非金属元素发生反应。块状的金属铀暴露在空气中时，表面被氧化层覆盖而失去光泽。粉末状铀于室温下，在空气中，甚至在水中就会自燃。美国用贫化铀制造的一种高效的燃烧穿甲弹—“贫铀弹”，能烧穿30厘米厚的装甲钢板，“贫铀弹”利用的就是铀极重而又易燃这两种性质。

铀元素在自然界的分布相当广泛，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，这比钨、汞、金、银等元素的含量还高。但是铀在各种岩石中的含量很不均匀。例如在花岗岩中的含量就要高些，平均每吨含3.5克铀。依此推算，一万立方公里的花岗岩就会含有约一万吨铀。海水中铀的浓度相当低，每吨海水平均只含3.3毫克铀，但由于海水总量极大，且从水中提取有其方便之处，所以现在不少国家，特别是那些缺少铀矿产资源的国家，正在探索海水提铀的方法。

由于铀的化学性质很活泼，所以自然界不存在游离的金属铀，它总是以化合状态存在着。已知的铀矿物有一百七十多种，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(主要成分为八氧化三铀)、品质铀矿(二氧化铀)、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。

虽然铀元素的分布相当广，但铀矿床的分布却很有限。国外铀资源主要分布在美国、加拿大、南非、西南非、澳大利亚等国家和地区。据估计，国外已探明的工业储量到1972年已超过一百万吨。随着勘探活动的广泛和深入，铀储量今后肯定还会增加。我国铀矿资源也十分丰富。

铀矿是怎样寻找的呢？铀及其一系列衰变子体的放射性是存在铀的最好标志。人的肉眼虽然看不见放射性，但是借助于专门的仪器却可以方便地把它探测出来。因此，铀矿资源的普查和勘探几乎都利用了铀具有放射性这一特点：若发现某个地区岩石、土壤、水、甚至植物内放射性特别强，就说明那个地区可能有铀矿存在。

铀矿的开采与其它金属矿床的开采并无多大的区别。但由于铀矿石的品位一般很低(约千分之一)，而用作核燃料的最终产品的纯度又要求很高(金属铀的纯度要求在99.9%以上，杂质增多，会吸收中子而妨碍链式反应的进行)，所以铀的冶炼不象普通金属那样简单，而首先要采用“水冶工艺”，把矿石加工成含铀60～70%的化学浓缩物（重铀酸铵，黄饼），再作进一步的加工精制。

铀水冶得到的化学浓缩物(重铀酸铵)呈黄色，俗称黄饼子，但它仍含有大量的杂质，不能直接应用，需要作进一步的纯化。为此先用硝酸将重铀酸铵溶解，得到硝酸铀酰（硝酸双氧铀，【UO2(NO3)2】）溶液。再用溶剂萃取法纯化(一般用磷酸三丁酯作萃取剂)，以达到所要求的纯度标准。

纯化后的硝酸铀酰溶液需经加热脱硝，转变成三氧化铀，再还原成二氧化铀。二氧化铀是一种棕黑色粉末，很纯的二氧化铀（制作成柱状）本身就可以用作反应堆的核燃料。

为制取金属铀，需要先将二氧化铀与无水氟化氢反应，得到四氟化铀；最后用金属钙(或镁)还原四氟化铀，即得到最终产品金属铀。如欲制取六氟化铀以进行铀同位素分离，则可用过量的氟气与四氟化铀反应。

至此，能作核燃料使用的金属铀和二氧化铀都生产出来了，只要按要求制成一定尺寸和形状的燃料棒或燃料块(即燃料元件)，就可以投入反应堆使用了。但是对于铀处理工艺来说，这还只是一半。

我们知道，核燃料铀在反应堆中虽然要比化学燃料煤在锅炉中使用的时间长得多，但是用过一段时间以后，总还是要把用过的核燃料从反应堆中卸出来，再换上一批新的核燃料。从反应维中卸出来的核燃料一般叫辐照燃料或“废燃料”。烧剩下的煤渣一般都丢弃不要了，可这种不能再使用的废燃料却还大有用处呢！

废燃料之所以要从反应堆中卸出来，并不是因为里面的裂变物质(铀235)已全部耗尽，而是因为能大量吸收中子的裂变产物积累得太多，致使链式反应不能正常进行了。所以，废燃料虽“废”，但里面仍有相当可观的裂变物质没有用掉，这是不能丢弃的，必须加以回收。而且在反应堆中，铀238吸收中子，生成钚239。钚239是原子弹的重要装药，它就含在废燃料中，这就使得用过的废燃料甚至比没有用过的燃料还宝贵。除此而外，反应堆运行期间，还生成其它很多种有用的放射性同位素，它们也含在废燃料中，也需要加以回收。

从原理上讲，废燃料的处理与天然铀的生产并无多大差别。一般先把废燃料溶解，再用溶剂萃取法把铀、钚和裂变产物相互分开，然后进行适当的纯化和转化。但实际上，废燃料的处理是十分困难的。世界上很多国家都能生产天然铀，很多国家都有反应堆，但是能处理废燃料的国家却并不多。

废燃料的处理有三个特点：一是废燃料具有极强的放射性，它们的处理必须有严密的防护设施，并实行远距离操作；二是废燃料中钚含量很低而钚又极贵重，所以要求处理过程的分离系数和回收率都很高；三是钚能发生链式反应，因此必须采取严格的措施，防止临界事故的发生。目前，废燃料的处理大都采用自动化程度很高的磷酸三丁酯萃取流程。

我们看到，在铀处理的工艺链中，相对于反应堆而言，铀水冶工艺在反应堆之前进行，所以通常叫做前处理，废燃料处理在反应堆之后进行，所以通常叫做后处理。而从铀矿石加工开始的整个工艺过程，包括铀同位素分离以及核燃料在反应堆中使用在内，一般总称为核燃料循环。

从以上极为简单的介绍就可以看出，铀和钚确是得之不易的。原子能工业犹如一条长长的巨龙，要最重的天然元素铀做出轰轰烈烈的事业，得经过多少次加工和处理、分析和测量、计算和核对啊！原子能工业又犹如一座高高的金字塔，要制造一颗原子弹，就要使用一、二十公斤铀235或钚239；要生产一、二十公斤铀235或钚239，就要消耗十来吨天然铀；要生产十来吨天然铀就要加工近万吨铀矿石。我们赞赏核电站的雄姿，惊叹原子弹的威力，可千万不能忽视支撑这座金字塔塔尖的无数块砖石啊！

铀与原子弹

铀又是怎么应用于原子弹的呢?

使用常规炸药有规律的安放在铀的周围，然后使用电子雷管使这些炸药精确的同时爆炸，产生的巨大压力将铀压到一起，并被压缩，达到临界条件，发生爆炸。

或者将两块总质量超过临界质量的铀块施加压力合到一起，也会发生猛烈的爆炸。

临界质量是指维持核子连锁反应所需的裂变材料质量。不同的可裂变材料，受核子的性质(如裂变横切面)、物理性质、物料形状、纯度、是否被中子反射物料包围、是否有中子吸收物料等等因素影响，而会有不同的临界质量。

刚好可能以产生连锁反应的组合，称为已达临界点。比这样更多质量的组合，核反应的速率会以指数增长，称为超临界。如果组合能够在没有延迟放出中子之下进行连锁反应，这种临界被称为即发临界，是超临界的一种。即发临界组合会产生核爆炸。如果组合比临界点小，裂变会随时间减少，称之为次临界。

核子武器在引爆以前必须维持在次临界。以铀核弹为例，可以把铀分成数大块，每块质量维持在临界以下。引爆时把铀块迅速结合。投掷在广岛的“小男孩”原子弹是把一小块的铀透过枪管射向另一大块铀上，造成足够的质量。这种设计称为“枪式”。钚核弹不能以这种方法引爆。第一枚钚原子弹“胖子”的钚是造成一个在次临界以下的中空球状。引爆时使用包围在四周的炸药把钚挤压，增加密度及减少空间，造成即发临界。这成设计称为“内爆式”。

浓缩铀

丰度为3%~10%的铀235为核电站发电用低浓缩铀，铀235丰度大于80%的铀为高浓缩铀，其中丰度大于90%的称为武器级高浓缩铀，主要用于制造核武器。获得铀是非常复杂的系列工艺，要经过探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼等流程，而浓缩分离是其中最后的流程，需要很高的科技水平。获得1公斤武器级铀235需要200吨铀矿石。由于涉及核武器问题，铀浓缩技术是国际社会严禁扩散的敏感技术。目前除了几个核大国（如美国、中国）之外，日本、德国、印度、巴基斯坦、阿根廷等国家都掌握了铀浓缩技术。提炼浓缩铀通常采用气体离心法，气体离心分离机是其中的关键设备，因此美国等国家通常把拥有该设备作为判断一个国家是否进行核武器研究的标准。

现时的核电站使用的是铀核燃料。铀有三种同位素，即铀234、铀235和铀238。其中的铀234不会发生核裂变，铀－238在通常情况下也不会发生核裂变，而铀235这种同位素原子能够轻易发生核裂变，或者说，做核燃料的实际上是铀235。但是，从矿山里开采出来的铀（天然铀）里面，铀235的含量却又是很低，仅占0.66%，绝大部分是铀238，它占了99.2%。这就相当于我们的煤饼厂或炼油厂，生产出的煤饼里大部分是泥沙，当然也就没法燃烧。根据研究结果，在铀核燃料中铀235的含量要达到3%以上才能燃烧。因此，开采出来的铀，并不同于开采出来的煤块直接可以用做燃料，它需要经过提纯、浓缩的手续，把铀235的含量比例提高之后，方能用做燃料。

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