第3讲铀元素及铀矿物

由于涉及核武器问题，铀浓缩技术是国际 社会严禁扩散的敏感技术。目前除了几个核大 国之外，日本、德国、印度、巴基斯坦、阿根 廷等国家都掌握了铀浓缩技术。提炼浓缩铀通 常采用气体离心法，气体离心分离机是其中的 关键设备，因此美国等国家通常把拥有该设备
作为判断一个国家是否进行核武器研究的标准。
二、铀元素的化学性质
铀属于锕系元素，铀的氧化态是价，离子半径的大小与配位数有关，离子 半径越大，配位数就越高。
铀的化学性质十分活波，几乎可以与稀有气体 元素以外的所有元素发生化学反应。例如：块 状金属铀在室温条件下的空气中可以缓慢氧化， 形成黑色的UO2薄膜，高度粉碎的金属铀在室 温的空气和水中都能自燃。
纯金属铀呈银白色，具有金属光泽，微带淡蓝 色色调。金属铀易氧化，所以在自然界几乎见 不到纯金属铀单质。粉末状金属铀由于受到氧 化呈灰黑色（+4价）。
在天然矿石中铀的三种同位素共生，其中235U 的含量非常低，只有约0.7205％，其他两种同 位素的相对丰度分别为，238U：99.2739%；234U： 0.0056%。
关于铀在地壳中的存在形式，大致可分 为以下三种：
1、铀矿物
自然界中铀以四价和六价两种价态 存在。在内生作用和外生作用中，四价 铀和六价铀都可形成独立的铀矿物和含 铀矿物。
由于内生作用中的温度、氧逸度等物理化学条 件变化很大，因而所形成的铀矿物类型以及铀 在这些矿物中的存在形式有明显的不同。
岩浆作用是在温度高、氧逸度低的条件下进行 的。所以铀在岩浆作用形成的矿物中，主要以 四价形式存在，多数晶质铀矿（如晶质铀矿、 沥青铀矿和铀黑）的含氧系数为2.17～2.50。介 质氧逸度随着温度降低而逐渐升高，因而在中 低温热液条件下形成的铀矿物（主要是沥青铀 矿，其次是铀石），即六价铀的含量显著增加， 沥青铀矿的含氧系数较高，多数为2.4～2.7。
2、类质同象置换
类质同象置换系指地球化学性质相近的元素以 可变的数量在矿物晶格中相互替代。铀的类质 同象置换能力较强，它既可进行等价类质同象 置换，如U4+－Th4+，又可进行异价类质同象置 换，如U4+－REE3+。但是铀和其他元素之间的 类质同象置换必须遵循离子半径相近、电负性 相似、电价平衡、配位数相同等原则。此外， 温度对铀的类质同象置换也产生明显的影响， 温度升高有利于类质同象置换的进行。
外生作用以大量游离氧的参与为特征，因而 在 存外在生。条外件生下作用，中铀通，常铀矿以物六的价形形成式可（通UO过22两+）种 方式： ① 离子UO结22合+和，P形O4成3-，颜A色sO鲜43艳-，的V各O4种3-，次C生O铀32-等矿络物阴， 在这些含铀酰的次生铀矿物中，铀以六价形式 存在； ② 成沥UO青22铀+和矿S、2-，铀F黑e2+、及铀有石机等质矿等物还，原铀剂在作这用些而矿形 物中以四价和六价两种形式存在。
其中235U，在中子轰击下可发生链式核裂变反 应，可用作原子弹的核装料和核电站反应堆的 燃料。
为满足核武器和核动力的需求，一些国家建造 了铀浓缩厂，以天然铀矿作原料，运用同位素 分离法（扩散法、离心法和激光法等）使天然 铀的三种同位素分离，以提高235U的丰度，提 炼浓缩铀。
根据国际原子能机构的定义，丰度为3％的235U 为核电站发电用低浓缩铀，235U丰度大于80％ 的铀为高浓缩铀，其中丰度大于90%的称为武 器级高浓缩铀，主要用于制造核武器。
参看《铀资源地质学》pp.16-47.
第一章：铀元素性质基本特征
一、元素铀的物理性质及其用途
铀：元素符号 U，原子序数92。1841年由
W M Peligot （ 法国，巴黎）首次作为金属 分离出。铀是存在于自然界中的一种稀有化 学元素，铀主要含三种同位素，即238U、 235U和234U，都具有放射性，能够自发地蜕 变成另一种原子核，同时放出射线。 它们的半衰期分别是4.5×109a，7.3×108a和 2.6×105a。
铀的还原能力很强，金属铀和低价态铀都是强 还原剂。由于U3+－U0和U4+－U3+两个电对的
标准电极电位，在各种酸碱度的水溶液中都低 于氢的标准电极电位，因此U0和U3+都能与水 强烈反应，把氢还原而自身氧化成U4+或UO22+。 因此，地壳中不存在金属铀和三价铀化合物。 另外，五价铀离子UO2+仅能在pH值为2～4的 水溶液中存在，超过该范围它歧化成U4+和 UO22+，因此U5+在自然界也很不稳定。
鉴于铀的上述性质，自然界中铀的氧化态只能 是4价（U4+）和6价（U6+），3价（U3+）和5价 （U5+）的U构成过渡态，只在实验室条件下稳 定。其中U6+是可溶态，U4+是不溶态。
铀与氧有高度亲和性，是一种亲氧元素。因此， 自然界中，铀既不形成自然金属也不形成硫化 物、砷化物或碲化物。铀是强络合物形成体， 它能与无机和有机含氧配位体络合形成种类繁 多的络合物。
内容提要：
第一章 铀元素性质基本特征
§1.1 铀元素的物理性质 §1.2 铀元素的化学性质 §1.3 铀元素在自然界中的分布 §1.4 铀元素在自然界中的存在形式
第二章 铀矿物的基本特征
§2.1 铀矿物的化学成分 §2.2 铀矿物的晶体化学特点 §2.3 铀矿物的形态特征 §2.4 铀矿物的物理性质 §2.5 铀矿物的成因
三、铀元素在自然界中的分布
铀在地壳中的平均丰度是2.7×10-6，尽管在地 壳中分布广泛，但是含量低，是一种典型的分 散元素，只在特定的地质条件下，才可以聚集 而成矿。
不同岩性中铀含量变化很大，在岩石中的分布 和丰度与岩石的成因和成岩作用有关。
四、铀元素在自然界中的存在形式
铀的存在形式系指在一定的物理化 学条件下，铀在各种地质体中的赋存状 态，或者说是铀和其他元素结合规律的 表现。
获得铀是非常复杂的系列工艺，要经过探矿、 开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼等流程，而浓 缩分离是其中最后的流程，需要很高的科技水 平。获得１公斤武器级235U需要200吨铀矿石。
所谓贫铀是从金属铀中提炼出核材料235U以后 得到的副产品，其主要成分是放射性较低的 238U，故称贫化铀，简称贫铀。根据近年来国 外新闻媒体的报道，70年代中期几个核武器及 核燃料生产国都在进行贫铀（238U）材料的应 用研究，主要是研制贫铀合金动能穿甲弹。贫 铀也不是绝对不含235U，仍有微弱的放射性， 这些都会对人体产生伤害，对环境造成污染。