开创原子能时代的人

王朝干货·作者佚名  2011-12-18
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偶知道的有:居里夫人和费米!

鈾(U)

法國物理學家貝克勒爾,証實了礦石本身是強力射線來源;

放射性是某些物質特有的秘密,從此被揭露於人前。

居里夫人發現鐳,也溯源於此。

◆何子樂

鈾是化學元素排序92的一種。原子序比它高的元素(稱為超鈾元素),完全是人工製成的。德國化學家克拉普洛德(Martin Heinrich Klaproth)認定瀝青鈾礦有一新元素存在其中,將礦石作化學處理,得到一種黑色、像金屬的物質,名之為鈾(Uranium)以呼應1781年發現的天王星Uranus。其實克拉普洛德獲得的,只是二氧化鈾,到了1841年,法國人皮里哥(Eugene-Melchior Peligot)用鉀金屬與四氯化鈾反應,才首次取得鈾。

在1895年底,倫琴(W.K. Rontgen)公布X射線,法國物理學家貝克勒爾(Antoine Henri Becquerel)想知道,除了產生螢光的陰極管外,有甚麼其他方法可以激發產生X射線。於是,他選擇可發燐光的含鈾礦物來作試驗,放置在黑紙包裹的照相底片之上,在太陽下曝曬。此次試驗結果,似乎支持了他的構想;也就是說,太陽光能使鈾礦石放出可以穿透黑紙的X射線,顯露礦石外形於底片。

在克貝勒爾反覆証實結果期間,巴黎的天氣起了變化。因為1896年2月26、27日沒有太陽,他只好把已準備好了的礦粒和底片放在抽屜內,等候晴天。怎知,到了3月1日天公仍不作美,貝克勒爾決定終止這個實驗不再做下去,姑且把底片沖洗。不料,他看到底片曝光程度比以前的實驗更大,終於明白不必利用太陽光,証實了礦石本身是強力射線來源。放射性是某些物質特有的秘密,從此被揭露於人前。居里夫人發現鐳,也溯源於此。

以地殼元素的分布情形來看,有百萬分之二的鈾,比銀、汞、鎘、鉍還多;一般冶煉鈾的方法,採用水性萃取步驟。

鈾的最主要用途是作為核子反應器的燃料。這些鈾不能含有硼、鎘、稀土元素等雜質,否則上述元素有強烈吸收中子的傾向;以中子誘發的鈾核分裂之鏈反應,就會被破壞。

鈾金屬的製造方法有多種,但實用性的只是還原法,就是用活潑金屬把鹵化鈾還原。還原UF 的金屬,鎂是上上之選。還原要在封閉器皿中進行,溫度升到13000C以上。

鈾元素密度僅低於一些鉑類金屬和錼、鈽。鈾的導電性與鐵相仿,機械強度則不佳。至於化學性質,鈾是活性強的元素,它可與週期表中絕大多數的元素(稀有氣體除外)發生反應。因此,有機會與水接觸的核子燃料(鈾),往往要加入一些別的元素,把它穩定。

在自然界中,鈾有三種同位素:U-238,U235和U234,各佔99.2798%,0.7171%及0.0031%。其中U-234是由U-238衰變產生的,U-235則是從不同途徑形成(即與U-238不同)。這三種同位素的分離,在核能工業十分重要而困難,因為直接有用的是U-235。

天然鈾及其化合物都具有放射性,但因半衰期長(U-238是4.5×10 年,U-235半衰期7.1×10 年,U-234半衰期為2.45×10 年),所以危險性不大。人造的鈾同位素又當別論。放射性物質的壽命(因為不能正確定出時間,通常以統計方法根據的半衰期表示),愈短愈危險。因為長壽命的放射元素,很久才釋放一個高能粒子,損害生物細胞組織的機會較為微小。另一方面,短壽命的同位素,放出粒子次數頻繁,破壞力自然不能同日而語。鈾235、238均以釋放α粒子衰變方式,第一步生成釷(Th),最後產物則是鉛。

我們要注意,鈾的自我衰變與核裂反應不同。如果採用熱中子(經過石墨或重水慢下來的中子)打擊鈾,就會發生核裂變。1939年,德國的哈恩(Otto Hahn)和斯特拉斯曼(F. Strassmann)將結果作出正確的產物元素認定,然後由邁特勒(Lise Meitner)提議:原子核分裂成兩個大小相當的原子核,而不是逐步放出小粒子的情況。其後又發現,核裂的鈾只是U-235,過程中放出巨大能量。要使鈾238分裂,需要高速中子,所以初時利用核裂取得能量,就要把二種鈾的同位素分離。第一個原子彈和核反應器都採用鈾235。原子彈爆炸是中子引起核裂的鏈反應,一旦開始便迅速連續而擴大下去。

因為核分裂的多種產物會吸收中子,燃料的效率隨時間而退減,需要定期更換。平均每年有五分之一的燃料棒被取出。殘留數量不少的鈾235,雖可回收,但這樣一來,含有放射性的酸液因容積增大,存放問題就很傷腦筋了。

作者為交大應用化學系教授

六氟化鈾分離同位素裝置,經2000循環以上可得99% U-235

参考资料:http://hk.knowledge.yahoo.com/question/?qid=7006041700942

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