铀

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[外文]：uranium元素符号U，原子序数92，天然放射性元素，锕系金属之一，复杂立方晶体，常见化合价为＋6及＋4。新切面呈银白色金属光泽。天然铀是同位素238U(99.275％)、235U(0.720％)和234U(0.0054％)的混合物，是20世纪50年代以来原子能发电站的主要燃料。资源已发现的含铀矿物约480种，其中只有25～30种具有实用价值，如沥青铀矿（非晶质铀矿xUO2·xUO3·2PbO）、铀石[或称水硅铀矿U(SiO4)1-x(OH)4x]、铀黑(又称水斑铀矿UO2·5UO3·xH2O)、晶质铀矿[p(U，Th)2qUO3·rPbO]、钛铀矿[(U，Ca，Fe，V，Th)3Ti5O16]、铀钒钙矿（CaO·2UO3·V2O5·2H2O）、钒钾铀矿(K2O·2UO3·V2O5·3H2O)、钙铀云母[Ca(UO2)2(PO4)2＋8H2O]和铜铀云母［Cu(UO2)2(PO4)2·8H2O］等。工业铀矿床的含铀品位为0.1～0.2％。但是一些含铀较低的资源，也受到重视。例如磷酸盐矿平均含铀0.01％，估计铀储量为600万吨；页岩中平均含铀0.015％，估计铀储量为1000万吨；花岗岩中平均含铀25ppm，估计铀储量为3000万吨；海水中估计含铀40亿吨。1979年世界各国及地区（不包括中国及苏联）铀矿储量和铀产量见表：金属铀有三种结晶变体，常温呈α型，复杂立方晶体；667℃转变为β型，四方晶体；772℃转变为γ型，体心立方晶体。铀粉易燃，而且易被水氧化，生成UO2和氢。在空气中金属表面会形成一氧化物覆盖层，能溶于酸，但不易被碱腐蚀。铀矿石的品位很低（约为0.1％），矿物和围岩情况复杂，而对最终产品的纯度要求高，需要量大，因此冶炼过程比较复杂。通常包括矿石的化学处理、铀化合物的提纯和金属的制取三个主要部分，流程见图。铀的冶金铀化合物的提取将原矿或经过放射性选矿或重选富集的精矿，用酸法处理或碱法处理。含铀较低的矿石一般采用硫酸浸出（见浸取），矿石中的铀与硫酸反应，生成可溶的铀酰离子(UO娧)和硫酸铀酰离子。浸出时常加入氧化剂氯酸钾或软锰矿，使四价铀变成六价铀，以利于浸出。分离不溶性残渣后，加氨沉淀出重铀酸铵。也可以将浸出液经过离子交换提纯后，再加氨沉淀。含碳酸盐或其他耗酸物质太多的铀矿石，采用碱法浸出。常用浸出剂有碳酸钠溶液或碳酸钠和碳酸氢钠的混合液。在鼓入空气的条件下，矿石中的铀与碳酸钠进行以下反应：生成碳酸铀酰钠，溶于浸出液。固液分离后，向滤液加入氢氧化钠，得到较纯的重铀酸钠(Na2U2O7)沉淀物。铀化合物提纯主要方法为硝酸盐体系或硫酸盐体系液－液萃取法（见溶剂萃取）。常用萃取剂有两大类：（1）有机胺类如三辛胺、季铵、三脂肪胺等；（2）有机磷类如磷酸三丁酯(TBP)，二-2-乙基己基磷酸(D2EHPA)、三烷基氧膦(TRPO)等。反萃取剂一般用硝酸盐、碳酸铵、氯化物等水溶液。从反萃取液得到“核纯”的六水硝酸铀酰［UO2(NO3)2＋6H2O］或三碳酸铀酰铵和重铀酸铵等中间产品，经过高温煅烧(如850℃)得到纯的三氧化铀。近年来又发展了从矿石浸出液直接萃取铀，制取高纯铀化合物的工艺，从而省去了粗铀化合物的制取工序。金属铀的制取一般分为三个步骤：（1）用氢气或氨裂解产生的氢－氮混合气，于650～800℃将三氧化铀还原为二氧化铀。（2）用湿法沉淀或于500℃用氟化氢气把二氧化铀氟化为四氟化铀(UF4)，俗称“绿盐”。（3）用钙或镁把UF4还原为金属铀（见金属热还原）。镁还原在有氟化镁衬里的反应弹内进行，当炉料温度达到650～700℃时，反应即自发地在瞬间完成，产物为铀锭。铀锭二次重熔，再放入真空感应炉或电子轰击炉中，在1300～1400℃、10-3～10-1托真空条件下进行熔炼和铸造，所得金属铀的纯度可达99.9％。浓缩铀铀在某些反应堆或核弹中应用时，需要提高其中235U的含量，称浓缩铀。一般是将四氟化铀与氟气在反应塔中于250～400℃反应，生成沸点很低的六氟化铀(UF6)（在56℃升华）。然后用气体扩散法或离心法经过多级分离，得到不同品级的235UF6浓缩物，再经过氢还原和镁还原，得到浓缩铀。铀毒铀及其化合物有较强毒性，空气中可溶性铀化合物的最大允许浓度(指化学毒性)为0.05毫克／米3；不溶性化合物的允许浓度为0.25毫克/米3；人体对天然铀的允许剂量(指放射性毒性)为可溶性化合物0.2微居里，不溶性化合物为0.009微居里。参考书目梅里特著，《核原料》编辑部译:《铀的提取冶金学》，科学出版社，北京，1978。(R.C.Merritt，TheEхtra-ctiveMetallurgyofUranium，Johnson，Boulder，1971.)科德芬克著，《核原料》编辑部《铀化学》翻译组译：《铀化学》，原子能出版社，北京，1977。