铀及其化合物的化学与工艺学
清华大学工程物理系课程表
课程号：00320012课程名：世界能源的困境与出路 Seek Ways to Solve Energy Crisis学时：32 学分：2 开课院系：工物系开课教师：贾宝山从利用薪炭燃料跨入到利用化石燃料，导致了人类发展史上的第一次工业革命。
人类精神文明和物质文明的推进对能源需求的高速增长，石油、煤、天然气等不可再生化石燃料的快速消耗及显现出的能源短缺，地球上以争夺石油等资源未背景所发生的战争，向人类敲响了必须从根本上解决能源供应问题的警钟。
什么是化石燃料的可替代能源？水能、太阳能、核能、风能、地热能、潮汐能、波浪能、海水温差等，哪个是人类能源供应的顶梁柱？人类能否一劳永逸地解决能源供应地问题？这些将作为新生研讨课地主义内容。
课程说明及先修课要求：新生研讨课课程号：00320021课程名：等离子体技术及应用 Plasma Technology and Applications学时：16 学分：1 开课院系：工物系开课教师：包成玉李和平等离子体的研究在科学研究领域是一个十分活跃的领域，有着广泛的应用。
课程共分8章。
第一章，概论，内容包括等离子体的基本概念，等离子体的特性，等离子体的分类，等离子体的产生方法和等离子体的主要应用领域简介。
本章由教师主讲。
其余7章均为等离子体应用专题，由学生主讲。
第二章，等离子体在能源科学中的应用（包括磁约束和惯性约束核聚变）；第三章，等离子体在消毒灭菌中的应用；第四章，等离子体在环境治理中的应用（包括汽车和工厂排放的尾气治理，核废料处理）；第五章，等离子体在微纳米材料合成中的应用（包括生物相容性材料和储能材料）；第六章，等离子体在材料表面处理（包括喷涂、表面改性）中的应用。
第七章，等离子体在微电子工业中的应用及等离子体显示技术；第八章，航空航天领域中的等离子体推进技术。
课程号：00320032课程名：等离子体、激光与电子束 Plasma,Laser and E-beam学时：32 学分：2 开课院系：工物系开课教师：蒲以康唐传祥该课程以讨论国内外相关领域前沿进展为主线，采用深入浅出的方式讲述相关物理基本概念和基本试验手段。
铀
铀纯度为3%的U-235为核电站发电用低浓缩铀，U-235纯度大于80%的铀为高浓缩铀，其中纯度大于90%的称为武器级高浓缩铀，主要用于制造核武器。
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U-235需要200吨铀矿石。
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、阿根廷等国家都掌金属铀握了铀浓缩技术。
提炼浓缩铀方法主要有气体扩散法和气体离心法。
气体扩散法: 使待分离的气体混合物流入装有扩散膜（分离膜）的装置来得到富集和贫化的两股流的同位素分离方法。
基本原理是：在分子间的相互碰撞忽略不计的情况下，气体混合物中质量不同的气体分子 (例如235UF6和238UF6)的平均热运动速率与其质量二次方根成反比。
当气体通过扩散膜时,速率大的轻分子(235UF6)通过的几率比速率小的重分子(238UF6)的大。
这样,通过膜以后，轻分子的含量就会提高，从而达到同位素分离的目的。
第二次世界大战结束后，美国的实践证明，气体扩散法能够用来大规模生产铀 235。
它是目前最成熟的大规模分离铀同位素的方法，是对各种新的浓缩方法的大规模商业应用的挑战，是比较各种方法的基本点。
美国和法国大型气体扩散工厂的分离功率达1万吨/年以上，比能耗均在 2400千瓦·时/千克左右。
气体扩散法的缺点是分离系数小，工厂规模大，耗电量惊人，成本很高。
气体离心法: 气体离心分离机是其中的关键设备。
铀原料放置于离心机中央反应室内，离心机以7-8万转/分钟的速度旋转。
较重的U-238原子逐渐靠近离心机的边缘，而较轻的U-235则保留在离心机中心部位。
结晶U-235被称为“富铀”（浓缩铀），其余的“贫铀”则被丢弃。
仅靠单个离心机一次分离是远远不够的，必须通过更多离心机加工，才可以分离提纯。
铀纯化转化工艺流程
铀纯化转化工艺流程引言铀是一种重要的核燃料，广泛应用于核能发电和核武器制造等领域。
铀纯化转化工艺流程是将天然铀经过一系列的物理和化学处理，提取出纯度较高的铀化合物的过程。
本文将详细介绍铀纯化转化工艺流程及其相关技术。
二级标题1：铀矿石的处理铀矿石是铀纯化转化工艺的起始原料，其主要包括天然铀矿石和次生铀资源。
铀矿石的处理主要包括矿石选矿、破碎、磨矿等步骤。
三级标题1：矿石选矿矿石选矿是将铀矿石中的有用矿物与非有用矿物进行分离的过程。
常用的选矿方法包括浮选、重选、磁选等。
通过选矿，可以提高铀矿石的品位，减少杂质的含量。
三级标题2：破碎和磨矿破碎和磨矿是将铀矿石进行粉碎的过程，以便于后续的提取工艺。
破碎通常采用颚式破碎机、圆锥破碎机等设备，磨矿则采用球磨机、砂轮磨机等设备。
破碎和磨矿的目的是将铀矿石细化到一定的粒度，提高提取效率。
二级标题2：铀的浸取铀的浸取是将破碎和磨矿后的铀矿石中的铀溶解到溶液中的过程。
常用的浸取方法有酸浸法、碱浸法和氧化浸法等。
三级标题1：酸浸法酸浸法是将破碎和磨矿后的铀矿石与酸性溶液进行接触，使铀溶解到溶液中。
常用的酸浸剂有硫酸、盐酸等。
酸浸法的优点是操作简单、反应速度快，但同时也存在酸性废液处理难等问题。
三级标题2：碱浸法碱浸法是将破碎和磨矿后的铀矿石与碱性溶液进行接触，使铀溶解到溶液中。
常用的碱浸剂有氢氧化钠、氢氧化铵等。
碱浸法的优点是溶液中铀的浓度较高，但同时也存在碱性废液处理难等问题。
三级标题3：氧化浸法氧化浸法是将破碎和磨矿后的铀矿石与氧化剂反应，使铀氧化成可溶性的铀酸盐，再将其溶解到溶液中。
常用的氧化剂有过氧化氢、高锰酸钾等。
氧化浸法的优点是无需使用酸碱，但同时也存在氧化剂的成本较高等问题。
二级标题3：铀的纯化和转化经过浸取后的含铀溶液中仍然含有杂质，需要进行纯化处理。
纯化过程主要包括铀的沉淀、溶液的过滤和浓缩等步骤。
三级标题1：铀的沉淀铀的沉淀是将含铀溶液中的铀与沉淀剂发生反应，形成沉淀物的过程。
铀提取工艺学第1章
铀生产简史
1963年国家决定建立第二批铀矿冶企业。到1967年先后建成 了广东和抚州两个铀矿冶联合企业，开发建立了新的铀矿、放射 分选厂和铀水冶厂，包括：衢州铀矿、本溪铀矿、修水铀矿、兴 城铀矿和伊宁铀矿及水冶厂等。
1970年，我国铀矿冶工业受到十年动乱期间“左” 的指导思想的严重干扰，提出新建近30个铀矿山（点） 和十几个铀水冶厂的高指标、大计划，给铀矿冶工业造 成很大的浪费和极为严重的后果。在建立第三批铀矿冶 企业的过程中，铀矿冶的科研工作仍然取得一定程度的 进展。
1960年至1970年间，铀生产处于一个下降阶段，这 是由于铀生产的订货已超过了当时的实际需求量。 1971年到现在是铀生产的回升阶段。20世纪70年代 初期，资本主义各国普遍出现了能源短缺的情况；
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铀生产简史
另外，核电技术的新发展，使核燃料上具有了和煤、石 油等化学燃料相竞争的能力。
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铀生产简史
17日又成功地进行了第一次氢弹试验。我国核能工业尽 管起步较晚，但其发展速度还是较快的。当前，在巩固 原有发展成果的同时，正在采取积极措施，以便更有效 地发展我国的核能事业。
我国核工业的创建和发展是新中国成立以来最大和 最有影响的成就之一。新中国成立以后，面对美国的核 威胁和核讹诈，毛泽东、周恩来等国家领导人高瞻远瞩、 审时度势，毅然作出了发展我国原子能事业的战略决策。 从1955年起我国开始铀矿普查勘探工作，并在1958年向 国家提交了第一批铀矿工业储量。1956年8月
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铀提取工艺是一门综合性的技术，其基本原则是 经济的原则，也就是盈利的原则，即用最低的支出获 得最高的收入，而且收入必须大于支出，同时应当考 虑较高资源利用率的原则。因此，铀提取工艺要求被 提取的铀矿石必须有尽可能高的铀品位，工艺流程应 当尽可能短，消耗的试剂和选用的设备应当尽可能少， 操作应当简单、方便、易行，有经济合理的尾矿和废 水处理方案，并且尽可能考虑综合回收。总而言之， 采用新技术、新设备、新材料，达到降低成本的目的， 这是开发和研究铀提取工艺的基本方向。
第3讲铀元素及铀矿物
（2）元素组合
铀属于亲石元素，与氧有很强的亲合力，因此 在自然界中只形成氧化物、氢氧化物和含氧盐 类矿物，而不形成硫化物、砷化物和氟化物类 矿物，也不存在自然元素型的单质铀。
铀矿物中的元素组合因铀的价态而异，这是铀 矿物化学成分的又一特点。
与四价铀结合的元素基本上是亲石元素。它们 组成的矿物有简单氧化物、复杂氧化物、硅酸 盐和磷酸盐等。
六价铀矿物中类质同象主要表现为阴离子之间 的置换，如：O2-和OH-之间、[PO4]3-和[AsO4]3之间的置换。阳离子类质同象不太明显，仅见 于少数矿物中。
（4）放射性衰变
铀属于放射性元素，因此铀矿物的化学成分是 不恒定的。
自从铀矿物在地壳中形成之后，其成分就按照 一定的规律发生着变化，结果矿物中的铀含量 逐渐减少，而铀的衰变产物206Pb、207Pb却越积 越多（铀238经8次α衰变和6次β衰变，最终衰变 为铅206；铀235经7次α衰变和4次β衰变，最终 衰变为铅207；铀234衰变为钍230）。
子主要是O2-，许多元素以络阴离子形式与铀结 合。铀矿物中常见的络阴离子有[SiO4]4-， [PO4]3-，[AsO4]3-，等等。 阳离子主要是亲石元素，其次是部分亲硫元素 和亲铁元素等。在个别情况下，亲气元素H和 N以H+和NH4+的形式参与铀矿物的组成。
2、铀矿物化学成分的特点
（1）铀的价态
六价铀矿物中结构水主要以羟基(OH)-形式存 在们，与仅 结在 构少 联数系矿紧物密中，以因离此子只有H3在O+较形高式温存度在下。才它 能从矿物中逸出，同时矿物的结构也随之而遭 到破坏。
二、铀矿物的晶体化学特点
1、四价铀矿物的晶体化学特点 （1）键性和晶格类型 四价铀矿物的晶体结构分析表明，铀在 其中以U4+离子形式存在，四价铀矿物主 要是离子键化合物，多数属于离子晶格。 因为U4+的离子半径较大，所以其配位数 较高。
第二章铀钍钚化合物
逐级稳定常数 Ki
• 通常：有几个配体，就有几个逐级稳定常数 。据多重 平衡规则： • K总 = k1.k2.k3.k4 -------- kn • lgK总=lgK稳=lgk1+lgk2 +lgk3+ -----lgkn • 一般 k1>k2>k3 ------- > ki ,但也有例外。
稳定常数的应用
中心离子跟配体组成配位本体。
带电荷的配位本体叫配离子（旧称络离子）。 例如，[Cu(NH3)4]2+是配阳离子，[Fe(CN)6]4-是配 阴离子。它们各跟带相反电荷的离子形成络合物， 如[Cu(NH3)4]SO4、K4[Fe(CN)6]。有的配位本体是 中性化合物，如Ni(CO)4本身就是络合物。
5 可以作为配位原子的元素
• 配位原子主要是周期表中第四、第五、第六和第七主族 的电负性较大的原子 。 • 除了 C、N、O、P、S、X2、等原子，还有Sb、Bi、Se、 Te等不常见的金属原子也可作为配位原子 。 • 由于不同配体配位原子数不同，因此又建立了一个新的 概念-配位数 。 • 在配位化学中，配位数决定于配位原子数 。
硫酸络合物（重要） 络合物稳定性较强 UO2SO4, UO2(SO4)22-, UO2(SO4)34-, 离子交换法提取铀，铀矿浸取中应用。 配位数未饱和的络合物中，水可占据配位位置。 如，[UO2(SO4)2(H2O)2]2-。
碳酸络合物（重要） 络合物稳定性最强 UO2CO3, UO2(CO3)22-, UO2(CO3)34-, 稳定常数大，常以UO2(CO3)34-存在，例如在海水中。 在碳酸钠浸取铀矿中应用。 碳酸铀酰络合物溶液中加入浓NaOH才可被破坏。 UO2(CO3)34-在(NH4)2CO3存在时可生成（NH4） 4[UO2(CO3)3]结晶，用于在铀工艺中纯化铀。
铀的提取与精制工艺学
铀的提取与精制工艺学铀，这玩意儿听起来是不是挺神秘的？其实啊，它就像一位藏在深闺的“娇小姐”，要想把它请出来，还真得费一番功夫。
先来说说铀的提取。
这就好比在一大群人里找出那个最特别的“明星”。
铀矿石就是那一群人，而我们得想办法把铀从里面分离出来。
咱们常见的铀矿石，可不像金子银子那样一眼就能看出来。
铀在矿石里藏得可深了，就像小孩子捉迷藏，躲得严严实实。
那咋办？这时候就得用上各种“法宝”啦。
比如说化学浸出法，这就好像给矿石来一场“洗澡大会”。
把矿石泡在合适的溶液里，让铀乖乖地溶解到溶液中。
这溶液就像是一把神奇的“钥匙”，能打开铀藏身的“大门”。
还有物理选矿法，这就像是用筛子筛东西，把大块头的不要，留下含有铀的小块头。
是不是有点意思？提取完了铀，还不算完事儿，还得精制呢！精制铀就像是给一位素颜的美女化妆，得精心雕琢，才能让她更加光彩照人。
在精制过程中，离子交换法可是个得力的“助手”。
它能把铀离子从众多的杂质离子中挑选出来，就像在一堆水果里挑出最甜的那个苹果。
溶剂萃取法也不赖，就好比是用勺子从一锅汤里把精华舀出来。
把铀从复杂的溶液里“捞”出来，让它变得更加纯净。
你说这铀的提取和精制容易吗？那可真是不容易！得有耐心，还得有技术。
这就跟咱们做一顿丰盛的大餐一样，每一个步骤都不能马虎，不然这“菜”可就不好吃啦。
说到这，你是不是对铀的提取与精制工艺有了点好奇和兴趣？其实啊，这背后的学问可大着呢！咱们人类为了得到高纯度的铀，那是不断地探索和创新，就为了能更好地利用这种神奇的元素。
总之，铀的提取与精制工艺是一门既复杂又有趣的学问，需要我们不断地去研究和学习，才能让铀更好地为我们服务。
铀的化学及核化学研究
铀的化学及核化学研究铀作为一种重要的放射性元素，一直受到科学家们的广泛关注。
在铀的化学和核化学研究中，人们从不同的角度探索这个元素的性质和应用，为推动科学技术的发展做出了重要贡献。
一、铀在化学中的性质铀是一种重金属元素，其原子序数为92，原子量238.03，密度为18.95克/立方厘米。
铀存在于自然界中，以铀矿的形式广泛分布在地球表面和地下。
在化学中，铀具有化学反应活性强、与氧和氯等元素的反应性极高的特点。
由于这种性质，铀在化学工业和冶金工业中被广泛应用。
二、铀在核化学中的应用铀不仅在化学上有着广泛的应用，还在核化学中发挥出重要作用。
铀是核燃料的重要成分之一，它可以被核裂变产生大量的能量。
在核反应堆中，铀核被中子撞击后发生裂变，并释放出大量的热能。
这种能量释放对于人类的能源需求是非常重要的贡献。
同时，铀还可以用于氢弹的制造，它是氢弹的触发器，通过核反应释放出大量的能量。
三、铀的研究与应用在铀的研究与应用中，科学家们通过实验和模拟等多种方法，对铀在化学和核化学中的作用进行了深入研究。
在化学方面，科学家们一直致力于研究铀的无机化学和有机化学，探究铀化合物的结构、物理属性、化学性质等方面的规律。
同时，他们还对铀的萃取、分离、纯化等工艺进行了不断的改进和优化，以提高铀的开采和利用效率。
在核化学方面，科学家们通过研究核反应堆的工作原理，不断探索铀在裂变反应中的行为规律，优化反应堆的设计和运行方式，提高核燃料的利用率、安全性和经济性。
同时，他们还通过研究铀与其它元素的反应，探究铀在核反应中的作用，为氢弹等核武器的制造提供了有力的理论支持和基础研究。
总之，铀的化学和核化学研究在科学技术的发展和人类社会的进步中发挥着重要作用。
我们应该重视并推动对铀的深入研究和应用，以更好地满足人类对能源和科技的发展需求。
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铀及其化合物的化学与工艺学
铀是一个金属元素，它在化学性质上类似于铂和锇。
铀有三个氧化态：+4、+5和+6。
在自然界中，铀存在于两种主要的同位素：铀-238和铀-235。
铀化学主要涉及铀离子的性质，例如铀-238的氧化状态为+4和+6，而铀-235的氧化态为+3、+4和+6。
铀化合物
铀的化合物因铀的氧化态不同而具有不同的性质。
铀离子相对较稳定，可以与大多数阴离子形成化合物，包括氧化物、硫化物、氯化物、溴化物、碘化物、氟化物、亚砜、亚硝酰基化合物和羰基化合物等。
铀的化合物在核工业中起着重要作用。
铀存在于燃料棒中，其氧化态和化合物的选择对燃料棒的性能和寿命有重要影响。
此外，铀的化合物还在放射性同位素制备、核燃料循环、核废料处理和核武器制造中发挥作用。
铀的工艺学
铀的工艺学涉及铀矿石从提取、加工、浓缩、精炼到转化为核燃料的过程。
矿石的提取是铀工业的第一步，它需要经过挖掘、破碎和浸出等步骤，提取出含铀的溶液。
然后通过化学和物理处理将其浓缩和纯化。
提纯后的铀可用于核燃料生产
或其他核应用。
铀的制备和循环需要遵循众多严格的规定和安全措施，以确保工作人员和环境不会受到辐射危害。
在资源和环境方面，铀工业也需要开展相关性能研究和评价。