科普-地球上最危险的物质,既可以造核弹,也用来造玻璃

本文转自科普中国,作者:寒木钓萌(ID:meirikepu)监制:中国科学院计算机网络信息中心这个最危险的物质之一就是铀,曾被用来造原子弹、氢弹,但你知道


本文转自科普中国,作者:寒木钓萌(ID:meirikepu)

监制:中国科学院计算机网络信息中心



这个最危险的物质之一就是铀,曾被用来造原子弹、氢弹,但你知道吗?人们也用它来造玻璃。这是怎么回事?



还有,巧妇难为无米之炊,核电站使用的核燃料,它并不是地上的干柴,捡起来就可以使用,而是蕴藏在铀矿里。而关于铀矿,不少人对它有误解,今天咱们不妨就来认识一下它,并讲述将铀矿精炼为核燃料时那可怕的艰难历程。


矿石家族中的“玫瑰花”


地球诞生之前,甚至说在太阳存在之前,铀就存在于宇宙中了,后来它成为了地球的一份子。


如果要评选世界上最美丽动人的矿石,那么铀矿绝对名列前茅——它被誉为矿石家族中的“玫瑰花”。



图为粒磷铅铀矿。



图为碲铀矿。



硅铅铀矿



铜铀矾



钙铀云母



铜铀云母。


辐射怎么样?


看到上面这些铀矿,很多人的第一个疑问是:铀矿石有辐射吗?就像美丽的毒蘑菇,铀矿如此美丽,辐射肯定很厉害吧?是不是碰都不能碰?


首先,铀矿石有辐射,这是肯定的。但是,其辐射程度并没有大家想的那么可怕。研究表明,一个人在衣兜里揣个1斤左右的铀矿石,每天所受的辐射量也就跟戴一块夜光手表差不多。


在以前,人们还将铀作为一种调色剂,用来制造好看的玻璃,这就是铀玻璃。陶器彩釉中过去也用到铀。



铀玻璃。



图为在紫外线照射下发光的铀玻璃。



图为在紫外线照射下发光的铀玻璃。


天然铀中主要含有铀238和铀235,而这两种铀的半衰期分别是44.68亿年和7.04亿年,如此天荒地老的半衰期,这让它并没有那么毒。另外,铀衰变的时候主要放出的是阿尔法粒子α,并不是危险的伽马射线γ。



图为原子的阿尔法衰变,释放α粒子。



图为α射线、β射线和γ射线穿透性演示。


可以看到,在这三种射线中,α射线的穿透性最弱,一张纸就可以把其挡住。


也许有人还不是很信服,但是没关系,咱们再来看看下面的图。



图为铀矿提纯过程中的中间产品——黄饼。


这是铀矿提纯过程中的一种中间产品,名叫“黄饼”,它含有80%左右的铀氧化物。你瞧,铀矿提纯了都敢拿手去抓,更何况是没被提纯的铀矿呢。



图为高浓缩的铀金属。



图为核电站中使用的核燃料,它是由上图中的黄饼继续提纯后得来的,戴着一副手套后,你依然可以用手捧着它们。


在铀矿中,铀的含量其实是很低的,来自兰州大学核科学与技术学院院长,吴王锁教授,他在一次公开课中告诉我们,铀的含量低到一吨矿石里面提不出一千克的铀,也就是含量不到0.1%,而含量如果高于0.05%基本上就可以开采了,这跟沙里淘金有何区别?没有区别。


而把铀矿提纯后都可以用手拿着,所以您可以想象一块铀矿石的放射水平。


说到这里,估计会有人这样想:既然这样,那开采铀矿时,是不是就不必采取什么防护措施了?


不对,恰恰相反,铀矿开采时有重重的保护措施。这又是为什么呢?


很简单,铀矿埋藏在地底下,虽然铀的半衰期以亿年计,但是整个铀矿中铀的量很大,更重要的是,铀矿埋在地下,它是密封起来的,长年累月,就聚集了很多放射性,但是注意,这种放射性不是铀238和铀235直接带来的,而是铀衰变后,变成氡,主要是由氡带来的。氡的半衰期只有3.8235天,跟铀的半衰期相比,它实在是太短了,铀矿中聚集了大量的氡,这就很危险了,所以需要采取防护措施。


总之一句话就是,一块铀矿石的辐射并没有那么可怕,当然,你要是把它常年累月放在你的枕头边,那是不行的。


中国的铀矿


我们国家并不是一个富铀的国家,量少不说,品位也不是很高。根据世界核协会2013年的统计数据,世界上已知各国可开采的铀如下表:



中国铀资源占世界可开采铀资源的4%左右。虽然这两年也在发现一些铀矿,但数据上下浮动不大。


它比沙里淘金难多了


核电站中使用的核燃料是铀235,不是铀238。但是,在天然铀中(注意,天然铀不是铀矿石,它是从含铀很少的铀矿石中提炼出来的),铀235的含量只有0.72%,铀238的含量大于99.2%,而铀的精炼就是要把铀235的浓度提高。



上图代表天然铀,蓝色部分表示铀238的比例,红色部分代表铀235。



上图代表低浓缩铀,红色部分的铀235占比3%到4%,低浓缩铀主要用于核电站。



上图代表高浓缩铀,红色部分的铀235占比90%左右,主要用于核武器。


天然铀中几乎全是铀238,要想把铀235的浓度提高,这实在是太难了,因为它们属于同一种元素,而质量却只相差3个中子,它们的化学性质几乎都是一样的!


怎么分离?


在过去,技术不是很先进的时候,主要采取气体扩散法。其原理是先把天然铀制成六氟化铀。



图为六氟化铀分子结构。