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揭秘核燃料:1斤铀矿石辐射仅与夜光表相当
2015-12-19 08:42:40  出处:快科技 作者:小路 编辑:小路   点击可以复制本篇文章的标题和链接

随着能源结构改革的深入,中国正在全力发展核电,然而想要让一座反应堆产生电能就必须要有核燃料,而最常见的核燃料便来自铀矿。

铀矿石很漂亮,被誉为矿石家族中的玫瑰花,但却很少有人愿意接近它,原因就在于辐射。

从文学影视作品和媒体报道中我们得到一种暗示,与核能有关的东西都有强烈的辐射,人体长时间接触会引发各种病状甚至是死亡,因此便有了谈核色变。

那么,铀矿石是否也是美丽的毒物呢?科普中国为我们带来了全面的解释和分析。

揭秘核燃料:1斤铀矿石辐射仅与夜光表相当
粒磷铅铀矿

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碲铀矿

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 硅铅铀矿

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铜铀矾

揭秘核燃料:1斤铀矿石辐射仅与夜光表相当
钙铀云母

揭秘核燃料:1斤铀矿石辐射仅与夜光表相当
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。

揭秘核燃料:1斤铀矿石辐射仅与夜光表相当
在紫外线照射下发光的铀玻璃

揭秘核燃料:1斤铀矿石辐射仅与夜光表相当
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。

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原子的阿尔法衰变,释放α粒子

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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。

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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。

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高浓缩的铀金属

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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:

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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

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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。

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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

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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。

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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。

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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。

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离心机分离法

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布满离心机的浓缩铀工厂(美国能源部)

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。

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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! 

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