[科普中国]-铀矿石的美丽与辐射

在前面《一起愉快地聊核电》的文章中，我们了解了核电站发电的本质原理。然而，巧妇难为无米之炊，接下来我们要聊聊核电站的燃料。核燃料并不是地上的干柴，拿起来就可以使用，而是蕴藏在铀矿里。关于铀矿，不少人对它并不够了解，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1 粒磷铅铀矿

图2 碲铀矿

图3 硅铅铀矿

图4 铜铀矾

图5 钙铀云母

图6 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。

图7 在紫外线照射下发光的铀玻璃

图8 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，并不是危险的伽马射线。

图9 原子的阿尔法衰变，释放α粒子。

图10 α射线、β射线和γ射线穿透性演示

可以看到，在α射线、β射线和γ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11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12 高浓缩的铀金属

图13核电站中的核燃料

这是核电站里面使用的核燃料，它是由上图中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。
我国的铀矿
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：

图14 世界各国可开采铀矿比例

我们国家的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。

图15 天然铀中铀238和铀235的比例

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。

图16 低浓缩铀中铀238和铀235的比例

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。

图16 高浓缩铀中铀238和铀235的比例

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17 六氟化铀分子结构。

六氟化铀中的“铀”，既可能是铀238，也可能是铀235，但我们现在已经清楚，99%的可能是铀238。制成六氟化铀后，接着把六氟化铀加热使它变成气体，然后在这些气体中把铀235分离出来，怎么做呢？是这样的，如果一个六氟化铀气体分子中的“铀”是铀235的话，那么这个气体分子要轻一些——轻3个中子，所以气体运动的时候，它会走得更快一些，就好像是面粉和铁粉混合在一起，你吹一下，面粉肯定走在前面；还有，如果你同时在屋子里分别滴一滴醋和香水，因为香水分子要轻，所以其扩散得快，因此我们将最先闻到香水味。
当然，这只是类比而已，实际上，分离铀235的难度要大得多，因为它只轻了3个中子而已。正如此，使用气体扩散法分离铀235效率很低，耗能巨大，厂房也很壮观。

图18 美国早年在橡树岭的气体扩散工厂。

除了气体扩散法，还有离心机分离法，它的原理跟气体扩散法一样，依然还是根据铀238比铀235重那么一点儿来进行的。

图19 离心机分离法

离心机分离法示意图，深蓝色的颗粒代表含有铀-238的六氟化铀，浅蓝色的代表铀-235。
把六氟化铀放入离心机中，在每分钟高达4万至6万转中，铀235因为较铀238轻，含有铀235的六氟化铀处在离心机的转轴附近，而离转轴稍微远一些的则是含有铀238的六氟化铀。离心机分离法需要的电力只有气体扩散法的十分之一左右，效率也要高得多。

图20布满离心机的浓缩铀工厂（美国能源部）

图21运送中的气体离心机（美国能源部）

嗨，这真是，就算是提炼黄金，自古以来，人类也从没有这么大费周折过呀。
可是有什么办法呢，人类可以不佩戴金戒指、金项链，但一秒钟也离不开电！