什么是铀？

铀是生产核燃料的重要组成部分，核燃料用于世界各地的核反应堆(图片来源：A. Vargas/IAEA)。

铀是一种天然存在的放射性元素，其原子序数为92，对应于元素周期表中的化学符号U。它属于一组称为“锕系元素”的特殊元素，这些元素在历史上发现得相对较晚。与所有其他锕系元素一样，铀具有“放射性”——它会随着时间的推移而衰变，并在此过程中释放能量。铀的特殊性质使其成为核反应堆燃料的主要来源——鸡蛋大小的铀燃料可提供相当于88吨煤的电力。

铀是地壳中最常见的元素之一，其含量大约是金的 500 倍。虽然它看起来是一种非常稀有的元素，但少量的铀无处不在——岩石、土壤、水，甚至我们的身体中。海洋中还存在大量高度稀释的铀——大约四十亿吨。

就像任何其他元素一样，铀有多种变化形式，它们的质量和物理性质不同，但化学性质相同。这些被称为同位素。

铀有哪些不同的同位素?

U-238 占地球上 3 种天然存在的铀同位素的 99% 以上。(信息图：A. Vargas/原子能机构)

铀有三种天然同位素：铀 234 (U-234)、铀 235 (U-235) 和铀 238 (U-238)。U-238 是最常见的一种，约占地球上发现的天然铀的 99%。大多数核反应堆使用含有 U-235 的燃料，然而，天然铀通常仅含有 0.72% 的 U-235，并且大多数反应堆的燃料中需要更高浓度的这种同位素。因此，U-235 浓度通过称为浓缩的过程人为增加。只有加拿大的CANDU 反应堆使用非浓缩铀作为燃料。

什么是铀浓缩?

铀浓缩是使 U-235 的同位素比例从 0.72% 增加到 94% 的过程。

如果铀 235 的同位素比例低于 20%，则被认为是低浓缩铀。大多数商业反应堆使用浓度低于 5% 的低浓铀 (LEU) 作为燃料，通常也称为“反应堆级铀”。LEU 不会变质，可以安全储存多年。

如果铀浓缩度超过 20%，则被视为高浓缩铀。U-235 同位素比例如此高的铀主要用于海军推进反应堆(例如潜艇)、核武器和一些研究反应堆。

可以使用不同的方法来增加 U-235 的同位素比例。通常，黄色滤饼会转化为气态，称为六氟化铀。然后，这种气体被泵入快速旋转的圆筒(离心机)中，其中较重的同位素(例如 U-238)被推向圆筒壁，而较轻的 U-235 则留在圆筒的中心。这样可以“过滤掉”并收集 U-235 浓度较高的气体。可以重复该过程，直到 U-235 的同位素比例足够。然后，获得的气体经过重新转化过程，使其能够将 U-235 转化为黑色能量——二氧化铀。

铀是如何开采的?

纳米比亚罗辛铀矿(照片：C. Brady/国际原子能机构)

20世纪，铀矿石大多从露天矿坑或地下挖掘场开采，这需要对矿石进行破碎和精炼，以将铀与其他元素分离。

进入21世纪，这种方法已逐渐被“原地浸出”所取代。虽然 2000 年只有 16% 的铀是通过这种技术生产的，但原地浸出是目前最常见的铀矿开采方法。2020 年，全球约 58% 的铀是使用这种方法开采的。

原位浸出(信息图：A. Vargas/IAEA)

原位浸出使含有络合剂、氧化剂或酸等附加元素的水在地下铀矿床中循环。这种方法可以将铀直接从矿床中溶解出来。然后从地下提取所得溶液并精炼以生产氧化铀或“黄饼”，用于铀浓缩。

从压滤机中出来的黄饼(照片：欧安诺)

开采铀、将其制成核燃料、在核电站中辐照燃料以及处理产生的废物的逐步过程称为核燃料循环。

核燃料循环

乏燃料还可以进行再处理和再利用。(信息图：A. Vargas/原子能机构)

核燃料循环是一个工业过程，涉及在核反应堆中利用铀发电的各种活动。铀矿勘探之后是铀矿石原矿的开采和研磨。然后必须对原铀进行加工，包括通过浓缩，以最大限度地提高其作为燃料的效率。在反应堆中受到辐照后，乏燃料需要储存起来冷却，然后再进行处置，或者可以作为再加工的铀进行回收，以作为更多电力生产的潜在来源重新利用。回收后产生的废物和贫铀也需要处理。

铀是如何制成核燃料的?

二氧化铀是一种黑色粉末状物质。该物质被压缩并通过加热烧结制成铀颗粒。然后将这些颗粒一颗一颗地插入长金属管中，这些金属管堆叠在一起制成燃料组件——核反应堆燃料的主要来源。

什么是后处理铀(RepU)?

核燃料可以在专门的回收工厂进行再加工。回收的铀被称为再加工铀——它可以作为新型燃料重新利用。

什么是贫铀(DU)?

正如我们在浓缩章节中所看到的，离心机生产的铀含有较高比例的 U-235 同位素。这也意味着，剩余材料中这种同位素的含量较少。如果这种浓缩副产品的 U-235 同位素比例低于 0.7%，则被认为是贫化的。

DU 的放射性比天然铀低，因为它每单位质量的 U-235 含量较少。在浓缩之前的铀化学纯化过程中，所有衰变产物的痕迹都已被去除。贫铀可以 作为低放射性废物进行处理，也可以与乏核燃料后处理过程中分离出的钚一起用于制造混合氧化物燃料(MOX)。

我们在日常生活中如何接触铀?

辐射是我们日常生活的一部分，我们无时无刻不在接触辐射。每个人每天都会摄入和吸入少量天然铀(信息图：A. Vargas/IAEA)。

通常情况下，普通人每年因摄入和吸入铀而受到的剂量少于 1 µSv，相比之下，从伦敦飞往洛杉矶的单次飞行将使您受到约 58.8 µSv 的宇宙辐射。此外，平均个人每年因摄入和吸入铀的衰变产物而受到约 120 µSv 的剂量，例如水中的镭 226 及其后代、家庭中的氡 222 和香烟烟雾中的钋 210。然而，由于饮食以及饮用水中铀含量的差异，世界各地的铀消费水平存在很大差异。

由于其化学毒性，大量摄入或吸入铀可能有害。参与铀勘探、开采和加工的人员被认为属于高危人群，需要穿戴防护装备，并严格遵守规则和程序以防止健康问题。