越美越毒？鈾礦石的輻射很厲害嗎

01-27

出品：科普中國

製作：寒木釣萌

監製：中國科學院計算機網路信息中心

在前面《一起愉快地聊核電》的文章中，我們了解了核電站發電的本質原理。然而，巧婦難為無米之炊，接下來我們要聊聊核電站的燃料。核燃料並不是地上的乾柴，拿起來就可以使用，而是蘊藏在鈾礦里。關於鈾礦，不少人對它並不夠了解，今天咱們不妨就來認識一下它，並講述將鈾礦精鍊為核燃料的艱難歷程。

礦石家族中的「玫瑰花」

地球誕生之前，甚至說在太陽存在之前，鈾就存在於宇宙中了，後來成為了地球的一份子。

如果要評選世界上最美麗動人的礦石，那麼鈾礦絕對名列前茅——它被譽為礦石家族中的「玫瑰花」。

圖1 粒磷鉛鈾礦
圖2 碲鈾礦

圖3 硅鉛鈾礦
圖4 銅鈾礬

圖5 鈣鈾雲母
圖6 銅鈾雲母

輻射怎麼樣？

看到上面這些鈾礦，很多人的第一個疑問是：鈾礦石有輻射嗎？就像美麗的毒蘑菇，鈾礦如此美麗，輻射肯定很厲害吧？是不是碰都不能碰？

首先，鈾礦石有輻射，這是肯定的。但是，其輻射程度並沒有大家想的那麼可怕。研究表明，一個人在衣兜里揣個1斤左右的鈾礦石，每天所受的輻射量也就跟戴一塊夜光手錶差不多。

在以前，人們還將鈾作為一種調色劑，用來製造好看的玻璃，這就是鈾玻璃。陶器彩釉中過去也用到鈾。

圖7 在紫外線照射下發光的鈾玻璃
圖8 在紫外線照射下發光的鈾玻璃

天然鈾中主要含有鈾238和鈾235，而這兩種鈾的半衰期分別是44.68億年和7.04億年，如此天荒地老的半衰期，這讓它並沒有那麼毒。另外，鈾衰變的時候主要放出的是阿爾法粒子，並不是危險的伽馬射線。

圖9 原子的阿爾法衰變，釋放α粒子
圖10 α射線、β射線和γ射線穿透性演示

可以看到，在α射線、β射線和γ射線中，α射線的穿透性最弱，一張紙就可以把其擋住。

也許有人還不是很信服，但是沒關係，咱們再來看看下面的圖。

圖11鈾礦提純過程中的中間產品——黃餅

這是鈾礦提純過程中的一種中間產品，名叫「黃餅」，它含有80%左右的鈾氧化物。你瞧，鈾礦提純了都敢拿手去抓，更何況是沒被提純的鈾礦呢。

圖12 高濃縮的鈾金屬

圖13核電站中的核燃料

這是核電站裡面使用的核燃料，它是由上圖中黃餅繼續提純後得來的，戴著一副手套後，你依然可以用手捧著它們。

在鈾礦中，鈾的含量其實是很低的，來自蘭州大學核科學與技術學院院長，吳王鎖教授，他在一次公開課中告訴我們，鈾的含量低到一噸礦石裡面提不出一千克的鈾，也就是含量不到0.1%，而含量如果高於0.05%基本上就可以開採了，這跟沙裡淘金有何區別？沒有區別。

而把鈾礦提純後都可以用手拿著，所以您可以想像一塊鈾礦石的放射水平。

說到這裡，估計會有人這樣想：既然這樣，那開採鈾礦時，是不是就不必採取什麼防護措施了？

不對，恰恰相反，鈾礦開採時有重重的保護措施。這又是為什麼呢？

很簡單，鈾礦埋藏在地底下，雖然鈾的半衰期以億年計，但是整個鈾礦中鈾的量很大，更重要的是，鈾礦埋在地下，它是密封起來的，長年累月，就聚集了很多放射性，但是注意，這种放射性不是鈾238和鈾235直接帶來的，而是鈾衰變後，變成氡，主要是由氡帶來的。氡的半衰期只有3.8235天，跟鈾的半衰期相比，它實在是太短了，鈾礦中聚集了大量的氡，這就很危險了，所以需要採取防護措施。

總之一句話就是，一塊鈾礦石的輻射並沒有那麼可怕，當然，你要是把它常年累月放在你的枕頭邊，那是不行的。

我國的鈾礦

我們國家並不是一個富鈾的國家，量少不說，品位也不是很高。根據世界核協會2013年的統計數據，世界上已知各國可開採的鈾如下表：

圖14 世界各國可開採鈾礦比例

我們國家的鈾資源佔世界可開採鈾資源的4%左右。雖然這兩年也在發現一些鈾礦，但數據上下浮動不大。

它比沙裡淘金難多了

核電站中使用的核燃料是鈾235，不是鈾238。但是，在天然鈾中（注意，天然鈾不是鈾礦石，它是從含鈾很少的鈾礦石中提煉出來的），鈾235的含量只有0.72%，鈾238的含量大於99.2%，而鈾的精鍊就是要把鈾235的濃度提高。

圖15 天然鈾中鈾238和鈾235的比例

上圖代表天然鈾，藍色部分表示鈾238的比例，紅色部分代表鈾235。

圖16 低濃縮鈾中鈾238和鈾235的比例

上圖代表低濃縮鈾，紅色部分的鈾235佔比3%到4%，低濃縮鈾主要用於核電站。

圖17 高濃縮鈾中鈾238和鈾235的比例

上圖代表高濃縮鈾，紅色部分的鈾235佔比90%左右，主要用於核武器。

天然鈾中幾乎全是鈾238，要想把鈾235的濃度提高，這實在是太難了，因為它們屬於同一種元素，而質量卻只相差3個中子，它們的化學性質幾乎都是一樣的！

怎麼分離？

在過去，技術不是很先進的時候，主要採取氣體擴散法。其原理是先把天然鈾製成六氟化鈾。

圖18 六氟化鈾分子結構

六氟化鈾中的「鈾」，既可能是鈾238，也可能是鈾235，但我們現在已經清楚，99%的可能是鈾238。製成六氟化鈾後，接著把六氟化鈾加熱使它變成氣體，然後在這些氣體中把鈾235分離出來，怎麼做呢？是這樣的，如果一個六氟化鈾氣體分子中的「鈾」是鈾235的話，那麼這個氣體分子要輕一些——輕3個中子，所以氣體運動的時候，它會走得更快一些，就好像是麵粉和鐵粉混合在一起，你吹一下，麵粉肯定走在前面；還有，如果你同時在屋子裡分別滴一滴醋和香水，因為香水分子要輕，所以其擴散得快，因此我們將最先聞到香水味。

當然，這只是類比而已，實際上，分離鈾235的難度要大得多，因為它只輕了3個中子而已。正如此，使用氣體擴散法分離鈾235效率很低，耗能巨大，廠房也很壯觀。

圖19 美國早年在橡樹嶺的氣體擴散工廠

除了氣體擴散法，還有離心機分離法，它的原理跟氣體擴散法一樣，依然還是根據鈾238比鈾235重那麼一點兒來進行的。

圖20 離心機分離法

離心機分離法示意圖，深藍色的顆粒代表含有鈾-238的六氟化鈾，淺藍色的代表鈾-235。

把六氟化鈾放入離心機中，在每分鐘高達4萬至6萬轉中，鈾235因為較鈾238輕，含有鈾235的六氟化鈾處在離心機的轉軸附近，而離轉軸稍微遠一些的則是含有鈾238的六氟化鈾。離心機分離法需要的電力只有氣體擴散法的十分之一左右，效率也要高得多。

圖21布滿離心機的濃縮鈾工廠（美國能源部）
圖22運送中的氣體離心機（美國能源部）

嗨，這真是，就算是提煉黃金，自古以來，人類也從沒有這麼大費周折過呀。

可是有什麼辦法呢，人類可以不佩戴金戒指、金項鏈，但一秒鐘也離不開電！

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