[科普中国]-贫铀

简介

贫铀，也称为贫化铀或耗乏铀或衰变铀等等，英文简写为DU，是一种主要由铀-238构成的物质，为核燃料制程中的的副产物，故也是一种核废料。

自然界中的铀，含有U238、U235、U234三种同位素，其中有约99.27%的铀-238，0.72%的铀-235，及0.0055%的铀-234，而只有U235才能用于核裂变反应，才能作为核武器和核电站燃料，纯天然铀中U235仅占0.72%，U238占绝对优势，因此天然铀必须加工处理成高含U235的浓缩铀。获取浓缩铀后剩余的铀，U235含量更低。这种U235含量比天然铀更低的铀叫贫铀。其中铀-235和铀-234的浓度大约只有天然铀的三分之一，放射性则约为天然铀的60%。也有部分贫铀通过再处理已使用的核燃料生产，但这类贫铀会含有铀-236。

美国原子能标准委员会（NRC）将 U235低于0.711%的铀定为贫铀，美国国防部定的国防部标准为U235含量在0.3%以下，而实际使用的标准是0.20%。表1为天然铀和美国国防部使用的贫铀中各种同位素比率的比较。从表中可以看出，贫铀中不但 U235含量减少了，U234也大大减少了。

|| || 表1.天然铀和贫铀的比较

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物理、化学性质物理性质铀的各种同位素都具有放射性3，主要是α射线，其中U234的辐射能占绝对优势。天然铀中U234含量虽少，但其辐射能几乎占全部辐射能的一半。贫铀也有放射性，由于贫铀中U234、U235含量减少，因此贫铀的辐射能仅是天然铀的60%，虽然弱一些，但并无本质减少，贫铀的辐射能主要是由U238贡献的。

贫铀除了具有放射性外，它的金属性能也是其他金属不可替代的。它具有高密度、高硬度、高韧性等物理特性。贫铀的密度高达19.1g/cm3可以和钨匹敌，几乎是铅的2倍。可做为飞行器的配重块，或放射线疗法及工业用放射造影器材的屏蔽物，及放射性物质使用的货箱。军事上则常用做贫铀弹或装甲板材，这是因为贫铀能大幅提升穿甲强度或装甲抗度，并且贫铀弹在命中后另具有摄氏三千度的高温烧灼效果。

贫铀是为生产核反应堆和核武器所需加浓铀而对天然铀采取浓缩工艺的副产品。天然铀中235U 的同位素含量是0. 7% , 与其相比, 贫铀中235U 的同位素含量耗减到了原含量的大约三分之一, 约为0. 2%。

贫铀作为金属, 理论密度为19. 07 gö cm 3(是铅密度的1. 7 倍)。贫铀中只存在有微量的234U 以后的衰变产物。这是因为后面所有的衰变产物在铀矿石的加工过程中已经被分离, 而234U 以后的新衰变产物还没有来得及生成(234U 的子体230Th 的半衰期长达7. 50×104 a)。这样, 由于贫铀的污染, 不存在镭和氡(234U 以后的衰变产物) , 在任何有意义的量生成之前需要几千年的时间。贫铀中的同位素每单位时间发射的A辐射的能量和是238U 系处于放射平衡时每单位时间发射的所有A辐射的能量总和的11%。贫铀发射的B辐射能量约为总B辐射的42% , C辐射约为总C辐射1. 4%。铀存在于所有的岩石和土壤中。地壳中238U 的正常活度浓度为5～ 125 Bq/k g (0. 5～ 10ppm , 1 ppm = 1 göt ) , 235U 的正常活度浓度为0. 2～ 5 Bq/k g。在某些富铀的岩石类型(如明矾页岩) 中, 238U 的活度浓度约为600～ 5 000 Bq/kg (50～ 400 ppm )。优质铀矿石(1%～ 30% 的铀) 中的活度浓度为1. 2×103～ 3. 6×106 Bq/kg。纯铀在与其最近的衰变产物处于放射平衡时, 活度浓度为50. 23 ×106 Bqök g。含238U、235U、234U、234Th、234Pa 和231Th 的贫铀的活度浓度为39. 42×106 Bq/kg, 即(12. 27+ 0. 16+ 2.29+ 12. 27+ 12. 27+ 0. 16) ×106 Bq/k g。

化学性质金属贫铀4的化学反应方式与金属铀一样,被认为是一种活性金属。它易于同非金属元素反应, 也能形成多种金属间化合物。铀的一般化学特性是强还原剂特性, 在含水体系中尤为突出。

铀作为粉末是一种引燃物, 就是说在600～ 700 ℃时可以自燃。贫铀在燃烧时, 高温使金属铀氧化为一系列复杂的氧化物, 主要是八氧化三铀(U 3O 8) , 但也有二氧化铀(UO 2 ) 和三氧化铀(UO 3)。

贫铀的利用贫铀弹贫铀作为核燃料的副产品5，在过去相当长的时间内被作为核废料，而用于核废料的管理费用是相当巨大的。因此各生产核燃料的国家都为贫铀的利用寻找出路。目前已有不少国家将贫铀用于新弹药的研制，生产了贫铀弹。美国在贫铀的利用方面取得了突破性进展，美国生产的新式M1A1坦克采用了贫铀装甲，大大提高了坦克防护能力。在海湾战争期间，美国使用了贫铀穿甲弹。

贫铀穿甲弹穿甲性能很强。一是由于贫铀密度大，制成相同体积的弹丸时质量大。根据物理学原理，在同等火药的情况下，弹丸获得的动能相同，而一个物体的动量P和动能Ek的关系为EK=P^2/2m，可见弹丸在动能相同的情况下，其动量和质量m的平方根成正比。而根据物理学中的动量原理，弹丸穿甲时的平均穿透力F、穿甲时间和弹丸动量P有如下关系：

Fdt—P…F=P/t=ZmE/t

因此弹丸穿透力和弹丸质量平方根成正比，这就是贫铀穿甲弹为什么穿甲性能很强的主要原因。其次贫铀的高硬度也是重要因素，又由于铀易氧化，穿甲时发热燃烧，形成较大的后破坏作用，杀伤乘员及破坏坦克的内部设备。

贫铀用于弹头的顶端, 可以穿透装甲板。也可用于巡航导弹的锥形头部和坦克的装甲。贫铀有许多其他用途, 如用于飞机和导弹中的配重和压载、赛艇的龙骨、工业和医用X 射线和伽玛辐射的屏蔽材料、放射源的运输容器。贫铀之所以有这些用途, 主要原因之一是它的密度高。贫铀用于武器, 可使武器极为坚硬, 能够穿透装甲板。除了密度高之外, 贫铀用于军事用途的其他原因还在于它价格便宜, 可以大量获取。

贫铀装甲贫铀装甲即为掺杂了贫铀金属的复合装甲。纯贫铀的硬度和强度都不高，必须添加别的成分制成贫铀合金，再经过热处理。把贫铀合金制成网状结构嵌入钢质基体内做成装甲块，然后嵌入坦克外壳，就成为贫铀装甲，网状贫铀合金在其中所起的作用是对包裹在其中每一个网格中的陶瓷块起约束紧固作用。贫铀密度为18.7克/厘米，是钢铁密度的2.5倍。因为密度高，可有效减少装甲陶瓷在应力波下的损伤，提高了装甲整体强度并带有一定约束环装甲的特性，防护力得以增强。6

贫铀活化燃料电池贫铀活化燃料电池结构与一般燃料电池相同，但电极采用多孔石墨电极，内部掺入少量贫铀，阳极表面沉积一层铂，阴极表面沉积一层钯。铂和钯是吸收氧，氢的材料，使活化材料附近燃料密度更大催化效率更高。U-238进行衰变放出α射线，α射线在空气中每前进1cm就产生几万对离子，因此可使燃料大量电离参与反应。7

危害引起贫铀的有害健康效应。贫铀的比活度低(39. 4 kBq/g ) , 可以认为是“仅有弱放射性”。尽管如此, 按线性剂量响应关系, 必须认为贫铀的照射具有潜在的癌症危险, 虽然其水平要比环境中的其他许多来自天然源和人工源的放射性物质要低1。

食入或吸入的铀及其化学毒性可以引起有害的健康效应。与放射效应相比, 化学效应通常是主要的。关于摄入铀引起人体有害效应的报道并不多见。几乎没有人摄入了摄入量大得足以引起有害效应的铀。因之, 关于铀的摄入量的可能健康效应的资料主要取自于与人类有类似消化系统的动物实验, 这些动物包括大白鼠、犬、猪和猴, 但不包括兔子和反刍动物。

一般可以得出这样的结论: 可溶性铀化合物的化学毒性大于不可溶性的。这种毒性主要导致肾损伤。肾功能的损伤与暴露程度有关, 在摄入几天后发生。这些效往往在停止暴露后消失, 但肾的形态学结构不再恢复正常8。

海湾战争后, 伊拉克一篇关于贫铀的报道猜测伊拉克目前的健康和环境效应与贫铀有一些联系。报道指出, 某些癌症的发生率增加了,包括儿童白血病。报道还指出先天性畸形和免疫系统疾病也增加了。数千名参加过海湾战争的美、加、英士兵事后宣称患有多种不适症状, 一般称之为“海湾战争综合症”。这些退伍老兵曾暴露于各种各样的损坏性或潜在损坏性危险因素之下, 包括环境不适、杀虫剂如有机磷酸脂化学药剂、皮肤昆虫防护剂、医学药品如乙嘧啶溴化物(NA PS)、低水平化学战药剂、多种接种疫苗和贫铀。总之, 今天的研究已经表明许多患有“海湾战争综合症”的老兵曾暴露于许多物质之下。贫铀是否起着“海湾战争综合症”药剂的作用, 仍在讨论之中。