【讨论】化学元素铀

铀元素简介
　　铀（普通话拼音：yóu ；海南话拼音：ziuz ；英国话拼写： 金属铀
Uranium），得名于天王星的名字“Uranus”。 　　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，能和所有的非金属作用（惰性气体除外），能与多种金属形成合金。空气中易氧化，生成一层发暗的氧化膜，能与酸作用，与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。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。 　　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。

基部属性 名称 铀（U）
系列 锕系元素
周期，元素分区 7，f
类型 金属
外表 银白色
太阳中的含量 0.001ppm
海水中的含量 0.00313ppm
发现人 马丁·海因里希·克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）（1789）
　原子属性 原子量 238.0289
原子半径（计算值） 175 pm
范德华半径 186 pm
离子半径 0.81（+6）埃
氧化态 U+6（U+2，U+3，U+4，U+5）
负电性 1.38（鲍林标度）
核外电子排布 [氡]5f3 6d1 7s2（2-8-18-32-21-9-2）
第一电离能 597.6 KJ/mol
第二电离能 1420 KJ/mol
晶体结构 晶胞为正交晶胞
结晶变体 斜方晶体、四方晶体、体心立方体
晶胞参数 a=285.37pm

b=586.95pm

c=495.48pm

α=90°

β=90°

γ=90°
　物理属性性质 固体、放射性、顺磁性
密度 18.95 g/cm^3
熔点 1132.0℃（1405K）
沸点 3818.0℃（4407K）
摩尔体积 12.49 cm^3/mol
汽化热 477 kJ/mol
熔化热 15.48 kJ/mol
声速 3155 m/s（293.15K）
比热 120 J/（kg·K）
电导率 3.8×10^6/（m·Ω）
热导率 27.6 W/（m·K）

发现过程
　　1789年，由德国化学家克拉普罗特（M.H.Klaproth）从沥青铀矿中分离出，就用1781年新发现的一个行星——天王星命名它为uranium，元素符号定为U。1841年，佩利戈特（E.M.Peligot）指出，克拉普罗特分离出的“铀”，实际上二氧化铀。[1]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。
编辑本段铀的分布
　　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。 　　地壳中铀的平均含量约为百万分之2.5， 铜铀云母
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。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，所以目前不少国家，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。 　　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。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，已探明的工业储量到1972年已超过一百万吨。中国铀矿资源也十分丰富。 　　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 硅钾铀矿
内放射性特别强，就说明那个地 绿铀矿
区可能有铀矿存在。

提取和纯化
　　从铀矿石中提取铀直到制成核纯（见放射性核素纯度）铀化合物的工艺过程，是天然铀生产的重要步骤。主要产品有重铀酸铵（俗称黄饼）和三碳酸铀酰铵等。纯化（又称精制）后的铀化合物产品，必须达到核纯的要求。精制的产品进一步干燥、煅烧，加工成二氧化铀或八氧化三铀，供制作反应堆元件或六氟化铀（用于U-235的同位素分离）用。整个过程须经下述单元操作：铀矿石的破碎和磨细、铀矿石的浸取、矿浆的固液分离、离子交换和溶剂萃取法提取铀浓缩物、溶剂萃取法纯化铀浓缩物。可根据矿石种类、产品要求等不同情况，选择由上述单元操作所组成的适当流程。
破碎和磨细
　　破碎是将矿石经颚式破碎机、圆维破碎机或锤式破碎机粗碎、中碎和细碎以达到所要求的粒度。然后进行细磨，以达到浸取工序所要求的粒度。
浸取
　　用溶剂将矿石中的铀选择性地溶解。铀矿石经浸取后，铀与大部分脉石分离，浸取液中铀与杂质的比例比原矿石中约提高10~30倍，因此，浸取过程也是铀与杂质初步分离的过程。 　　铀矿石浸取方法一般有酸法和碱法两种。多数铀水冶厂采用酸浸取法，少数厂用碱浸取法，只有个别厂同时采用酸、碱两种浸取流程。酸浸取法一般用硫酸作浸取剂，矿石中的铀和硫酸反应，生成可溶的铀酰离子UO2和硫酸铀酰离子[UO2(SO4)x；浸取时常加入氧化剂（常用二氧化锰、氯酸钠），以保持适宜的氧化还原电势（约450毫伏），使四价铀氧化成六价，以提高铀的浸出率。含碳酸盐的铀矿石主要用碱法浸取，常用的浸取剂为碳酸钠和碳酸氢钠的水溶液，在鼓入空气的条件下，矿石中的铀与碳酸钠生成碳酸铀酰钠 Na4[UO2(CO3)3]，溶于浸取液。

矿浆的固液分离
　　矿石浸取后所得到的酸性或碱性矿浆（包括含铀溶液、部分杂质及固体矿渣）中的溶液和矿渣须经分离。根据需要也可进行粗矿分级，以除去＋200~40目的粗砂，得到细泥矿浆。常用的固液分离设备有过滤机、沉降槽（浓密机）；分级设备有螺旋分级机、水力旋流器。中国还采用流态化塔进行分级和洗涤。 　　分离出的溶液可用离子交换法分离铀，也可用溶剂萃取法分离和纯化铀，或将铀从含铀溶液中沉淀出来。
离子交换法提取铀
　　固液分离后的浸取液中八氧化三铀的含量大致为500~1000毫克/升。对于含铀浓度低的浸取液采用离子交换法提取铀较为合宜。离子交换法一般采用强碱性阴离子交换树脂吸附铀。按吸附液含固量的多少，吸附可分为清液吸附、混浊液吸附和矿浆吸附。当树脂吸咐饱和后，经水洗，再用淋洗剂（硫酸－氯化钠、硫酸－氯化铵、硝酸－硝酸钠、硝酸－硝酸铵、稀硫酸或稀硝酸）将铀从树脂上淋洗下来。
萃取法提取和精制铀
　　铀水冶厂处理的溶液是体积大、铀浓度低、杂质含量高的稀溶液，须将铀与杂质分离并初步使铀浓缩，而在精制工艺中，处理的是高浓度的含铀溶液，产品质量要求达到核纯。在铀的萃取工艺中常用的有机膦与烷基胺类萃取剂有磷酸三丁酯（TBP）、二（2－乙基己基）磷酸、三辛胺等。 　　在铀水冶厂，硫酸体系的萃取多采用磷类和胺类两种萃取工艺（碱性体系的萃取常用季铵盐萃取工艺），如烷基膦萃取工艺和胺类萃取工艺流程，后者在世界上应用较多。中国应用较多的是淋萃流程。吸附铀的饱和树脂，用1mol/L的硫酸淋洗，随后对此淋洗液进行萃取。例如淋萃流程所用的萃取剂是0.2mol/L的二（2-乙基己基）磷酸—0.1mol/L的三烷基氧膦体系。有机相的饱和度控制在85％以上，经水洗后，用碳酸铵结晶反萃取，可得核纯三碳酸铀酰。此流程中淋洗与萃取结合，使萃取所处理的液量减少，金属回收率高，节省试剂，产品纯度也高。 　　铀水冶厂生产的产品一般为工业铀浓缩物，仍含有硫酸盐、硅、钙、镁等杂质，须进一步精制，才能得到核纯产品。精制过程中最常用的是TBP萃取工艺，TBP对铀饱和容量大，可处理含铀量高的溶液，在有机相接近饱和的条件下，对杂质元素有较高的净化能力。

从含铀溶液中沉淀铀
　　在浸取所得溶液中，也可将铀以不溶性化合物的状态分离出来；并可通过对沉淀物的多次溶解及再沉淀而进行纯化。主要有碱中和法和过氧化氢沉淀法： 　　碱中和法 　　将碱性沉淀剂如氨水、氧化镁、气态氨等加入到酸性含铀溶液中，并控制最终pH值为6.5~8.0，铀以重铀酸盐形式完全沉淀出来。对碱性浸取液主要采用氢氧化钠沉淀剂，得铀酸钠或重铀酸钠沉淀。如果从纯化过的酸性溶液中沉淀铀，则其沉淀物重铀酸铵的纯度较高。 　　过氧化氢沉淀法 　　将含铀溶液的pH调至2.5~4.0，缓慢加入比化学计算量过量的30％过氧化氢，再加入适量的氨水，以中和反应过程生成的酸，使最终pH值达2.8，生成铀的过氧化物(UO4·xH2O)沉淀。过氧化氢沉淀法对铀选择性高，并可获得晶状、易处理的产品，也具有工业意义。

纯度为3%的U-235为核电站发电用低浓缩铀，U-235纯度大于80%的铀为高浓缩铀，其中纯度大于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U-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。铀原料放置于离心机中央反应室内，高达4层楼以上的离心机以10万转/分钟的速度旋转。如此高速旋转产生的压力，会达到48.5万Gs（重力加速度）。较重的U-238原子逐渐靠近离心机的边缘，而较轻的U-235则保留在离心机中心部位。结晶U-235被称为“富铀”（浓缩铀），其余的“贫铀”则被丢弃。U-238和U-235的重量差距极小。研究人员以1克重的纸夹举例，称U-238和U-235的重量差距约为纸夹重量的5千万亿分之一，因此，仅靠单个离心机一次分离是远远不够的，必须通过更多离心机加工，才可以分离提纯。这些离心机以“级联配置”联接一体。因而，“级联配置”成为核物质用途的又一重要线索。铀在一级离心机提纯后，会转送到下一级离心机继续提纯，级级相连。由于核电站所需铀浓缩较低，其离心机级联层次较少，因而看起来会比较短。而用作核武器的铀浓度要达到90%以上，其离心机层次更多，级联配置自然显得又细又长。 　　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。核电站核反应堆只需3%~5%的U-235，而要生产核武器，U-235浓度至少要达到90%。如果发现某个国家的U-235浓度达到90%，这就是企图制造核武器的铁证。

我更关心铀废料怎么处理啊。

我国已有13个建好的核电机组，每年都会产生大量的乏燃料组件，在没有掌握这项技术之前，只有一个处理办法———存起来；实现了核动力堆中燃烧后的核燃料的铀、钚材料回收，利用率至少提高60倍