鈾是生產核燃料的重要組成部分，核燃料用于世界各地的核反應堆(圖片來源：A. Vargas/IAEA)。

鈾是一種天然存在的放射性元素，其原子序數為92，對應于元素周期表中的化學符號U。它屬于一組稱為“錒系元素”的特殊元素，這些元素在歷史上發現得相對較晚。與所有其他錒系元素一樣，鈾具有“放射性”——它會隨著時間的推移而衰變，并在此過程中釋放能量。鈾的特殊性質使其成為核反應堆燃料的主要來源——雞蛋大小的鈾燃料可提供相當于88噸煤的電力。

鈾是地殼中最常見的元素之一，其含量大約是金的 500 倍。雖然它看起來是一種非常稀有的元素，但少量的鈾無處不在——巖石、土壤、水，甚至我們的身體中。海洋中還存在大量高度稀釋的鈾——大約四十億噸。

就像任何其他元素一樣，鈾有多種變化形式，它們的質量和物理性質不同，但化學性質相同。這些被稱為同位素。

鈾有哪些不同的同位素?

U-238 占地球上 3 種天然存在的鈾同位素的 99% 以上。(信息圖：A. Vargas/原子能機構)

鈾有三種天然同位素：鈾 234 (U-234)、鈾 235 (U-235) 和鈾 238 (U-238)。U-238 是最常見的一種，約占地球上發現的天然鈾的 99%。大多數核反應堆使用含有 U-235 的燃料，然而，天然鈾通常僅含有 0.72% 的 U-235，并且大多數反應堆的燃料中需要更高濃度的這種同位素。因此，U-235 濃度通過稱為濃縮的過程人為增加。只有加拿大的CANDU 反應堆使用非濃縮鈾作為燃料。

什么是鈾濃縮?

鈾濃縮是使 U-235 的同位素比例從 0.72% 增加到 94% 的過程。

如果鈾 235 的同位素比例低于 20%，則被認為是低濃縮鈾。大多數商業反應堆使用濃度低于 5% 的低濃鈾 (LEU) 作為燃料，通常也稱為“反應堆級鈾”。LEU 不會變質，可以安全儲存多年。

如果鈾濃縮度超過 20%，則被視為高濃縮鈾。U-235 同位素比例如此高的鈾主要用于海軍推進反應堆(例如潛艇)、核武器和一些研究反應堆。

可以使用不同的方法來增加 U-235 的同位素比例。通常，黃色濾餅會轉化為氣態，稱為六氟化鈾。然后，這種氣體被泵入快速旋轉的圓筒(離心機)中，其中較重的同位素(例如 U-238)被推向圓筒壁，而較輕的 U-235 則留在圓筒的中心。這樣可以“過濾掉”并收集 U-235 濃度較高的氣體。可以重復該過程，直到 U-235 的同位素比例足夠。然后，獲得的氣體經過重新轉化過程，使其能夠將 U-235 轉化為黑色能量——二氧化鈾。

鈾是如何開采的?

納米比亞羅辛鈾礦(照片：C. Brady/國際原子能機構)

20世紀，鈾礦石大多從露天礦坑或地下挖掘場開采，這需要對礦石進行破碎和精煉，以將鈾與其他元素分離。

進入21世紀，這種方法已逐漸被“原地浸出”所取代。雖然 2000 年只有 16% 的鈾是通過這種技術生產的，但原地浸出是目前最常見的鈾礦開采方法。2020 年，全球約 58% 的鈾是使用這種方法開采的。

原位浸出(信息圖：A. Vargas/IAEA)

原位浸出使含有絡合劑、氧化劑或酸等附加元素的水在地下鈾礦床中循環。這種方法可以將鈾直接從礦床中溶解出來。然后從地下提取所得溶液并精煉以生產氧化鈾或“黃餅”，用于鈾濃縮。

從壓濾機中出來的黃餅(照片：歐安諾)

開采鈾、將其制成核燃料、在核電站中輻照燃料以及處理產生的廢物的逐步過程稱為核燃料循環。

核燃料循環

乏燃料還可以進行再處理和再利用。(信息圖：A. Vargas/原子能機構)

核燃料循環是一個工業過程，涉及在核反應堆中利用鈾發電的各種活動。鈾礦勘探之后是鈾礦石原礦的開采和研磨。然后必須對原鈾進行加工，包括通過濃縮，以最大限度地提高其作為燃料的效率。在反應堆中受到輻照后，乏燃料需要儲存起來冷卻，然后再進行處置，或者可以作為再加工的鈾進行回收，以作為更多電力生產的潛在來源重新利用。回收后產生的廢物和貧鈾也需要處理。

鈾是如何制成核燃料的?

二氧化鈾是一種黑色粉末狀物質。該物質被壓縮并通過加熱燒結制成鈾顆粒。然后將這些顆粒一顆一顆地插入長金屬管中，這些金屬管堆疊在一起制成燃料組件——核反應堆燃料的主要來源。

什么是后處理鈾(RepU)?

核燃料可以在專門的回收工廠進行再加工。回收的鈾被稱為再加工鈾——它可以作為新型燃料重新利用。

什么是貧鈾(DU)?

正如我們在濃縮章節中所看到的，離心機生產的鈾含有較高比例的 U-235 同位素。這也意味著，剩余材料中這種同位素的含量較少。如果這種濃縮副產品的 U-235 同位素比例低于 0.7%，則被認為是貧化的。

DU 的放射性比天然鈾低，因為它每單位質量的 U-235 含量較少。在濃縮之前的鈾化學純化過程中，所有衰變產物的痕跡都已被去除。貧鈾可以 作為低放射性廢物進行處理，也可以與乏核燃料后處理過程中分離出的钚一起用于制造混合氧化物燃料(MOX)。

我們在日常生活中如何接觸鈾?

輻射是我們日常生活的一部分，我們無時無刻不在接觸輻射。每個人每天都會攝入和吸入少量天然鈾(信息圖：A. Vargas/IAEA)。

通常情況下，普通人每年因攝入和吸入鈾而受到的劑量少于 1 µSv，相比之下，從倫敦飛往洛杉磯的單次飛行將使您受到約 58.8 µSv 的宇宙輻射。此外，平均個人每年因攝入和吸入鈾的衰變產物而受到約 120 µSv 的劑量，例如水中的鐳 226 及其后代、家庭中的氡 222 和香煙煙霧中的釙 210。然而，由于飲食以及飲用水中鈾含量的差異，世界各地的鈾消費水平存在很大差異。

由于其化學毒性，大量攝入或吸入鈾可能有害。參與鈾勘探、開采和加工的人員被認為屬于高危人群，需要穿戴防護裝備，并嚴格遵守規則和程序以防止健康問題。