越美越毒？矿石“玫瑰花”铀矿石辐射很厉害吗

源自：新浪科技

---

出品：科普中国
制作：寒木钓萌
监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　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”

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
　　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”。

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！

　　“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
　　本文由科普中国移动端出品，转载请注明出处。