铀（Uranium）是原子序数为92的元素，其元素符号是U，是自然界中能够找到的最重原生元素。在自然界中存在三种同位素，均带有放射性，拥有非常长的半衰期（数十万年~45亿年）。铀元素在1789年由马丁·海因里希·克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）发现。铀化合物早期用于瓷器的着色，在核裂变现象被发现后用作为核燃料1。

简介

铀（Uranium）处于元素周期表第七周期，是最为常见的锕系元素之一。其原子序数为92，也是天然存在的最重元素。自然界中的铀通常以三种同位素的形式存在：U-238（自然丰度99.275%，原子量238.0508，半衰期4.51×109a），U-235（自然丰度0.720%，原子量235.0439，半衰期7.00×108a），和微量的U-234（自然丰度0.005%，原子量234.0409，半衰期2.47×105a）。其中235U是惟一天然可裂变核素，受热中子轰击时吸收一个中子后发生裂变，放出总能量为195 MeV，同时放2~3个中子，引发链式核裂变；238U是制取核燃料钚的原料。由于铀-235用于核反应堆和核武器中的裂变，天然铀必须采用同位素分离法浓缩铀-235。浓缩的副产品称为“贫化铀”，含有少于1/3的铀-235和铀-234。铀在地壳中平均含量为 2.5×10-6，总埋藏量虽然比金、银、汞、钨、钼、锑、铋等还要多，但是，铀在地下的埋藏十分分散，被称作“分散元素”。

研究简史

人类最初使用天然含铀化合物的历史可以追溯到公元79年，当时它被用作陶瓷釉料中的黄色着色剂。在中世纪晚期，沥青铀矿是从银矿中提取出来的，并被用作玻璃制造业的着色剂。这些铀矿物和玻璃在紫外线的照射下能发出强烈的绿色荧光。

直到1789年，铀元素才被德国化学家马丁·克拉普罗特首次发现。他在柏林实验室中将沥青铀矿溶解在硝酸中，接着通过氢氧化钠中和沉淀法得到一种黄色化合物（可能为重铀酸钠），再将其与碳进行混合加热，最终得到一些黑色铀的氧化物粉末，并以1781年发现的天王星（Uranus）来命名此种新元素，即Uranium。

事实上铀的金属单质直到1841年才由巴黎中央工艺学校分析化学教授尤金·梅尔希奥·皮里哥通过将四氯化铀和钾一同加热分离得到。然而，当时的人们并没有认识到铀的放射性。

1896年，法国物理学家亨利·贝可勒尔首次发现了铀具有天然放射性衰变的性质，即铀在衰变的时候会释放出α粒子（铀的几个常见同位素衰变时主要释放的是自由程极短的阿尔法粒子α，并不是危险的伽马射线γ）。与此同时，铀的放射性的发现也促进了它在更多的科学及生活中的应用。例如，利用U-238和U-235极长的半衰期可估算和测定出地球的年龄大约在45.4亿年；通过观察C31082-001恒星中U-238的光谱，可推算出宇宙的年龄大约为125亿年。

1938年圣诞节前夕，德国科学家奥托·哈恩及其助手斯特拉斯曼首次宣布发现了铀的核裂变现象（铀的衰变放射性并无直接关系）。这一发现彻底改变了铀的命运，同时对人类社会产生了深远的影响。自此以后，铀从默默无闻华丽地转变为显著影响着当今政治、军事、能源、环境等各大领域的战略性资源。

美国为此设立了专门研究原子弹的机构。1945年美国在日本广岛投掷了第一颗235U原子弹，几天后又在日本长崎投下了一颗239Pu原子弹。1954年苏联建成了第一座核电站。从此，铀的科研和生产受到世界各国的高度重视，核武器制造和核发电工业便得到迅速发展。中国的铀工业自20世纪50年代兴起，已形成完整的和具有相当规模的科研和工业生产体系 6。

2023年4月，日本和韩国科学家合成了一种以前未知的铀同位素——铀-241。其原子序数为92，质量为241，半衰期可能只有40分钟，这是自1979年以来科学家首次发现富含中子的铀同位素。

物理性质

铀是放射性金属元素，可作为核反应的燃料。铀是银白色金属，几乎与钢一样硬，常见的α-U密度约19.05g·cm-316，熔点1135℃，沸点4134℃。铀原子半径为138.5pm；U3+、U4+、U5+、U6+的离子半径分别为103、97、89及80 pm。铀的电负性据鲍林（Pauling）测定为1.38；阿尔勒德（Allred） 和罗切夫 （Rochow） 测定为1.22 6。

铀存在三种同素异形体，其存在温度和主要结构特征列于表中。α-U在室温时的密度为19.02t/m3。α-U和β-U呈明显的各向异性，如在298～523 K之间，α-U单晶沿a、b、c轴热膨胀系数分别为αa = +33.24×10-6/K、αb = -6.49×10-6/K、αc = +30.36×10-6/K。γ-U有各向同性结构。无序排列的多晶铀在293～373 K范围的热膨胀系数等于16.3×10-6 /K。在5～350K之间的比热为27.66 J/(mol·K)。α-U的热导率随温度提高而增加，室温下为25.1W/(m·K)，1033 K时为37.7W/（m·K）7 。

铀的力学性质随试样炉号和热处理的不同而异。对α轧制α退火的试样，得到室温最大屈服强度为206.8-275.8MPa，对小变形量挤压铀，室温抗拉强度极限为586.1～861.8MPa 7。铀有三种晶格结构： α-U为斜方结构，a=284.785pm，b=585.801pm，c=494.553pm；β-U为正方结构，a=1076.0pm，c=565.2pm；γ-U为体心立方结构，a=352.4pm。它们的转换温度为941K（α→β）和1047K （β→γ）6 。a-U是各向异性的，在加热时向两个方向膨胀，而在第三个方向收缩。β-U同样也是各向异性的。唯有γ-U是各向同性的。铀不是良导体，与铁相仿。当温度低于0.68K时具有超导性；铀的热导率随温度的升高而逐渐增加。金属铀有延展性，但加工时，又有硬化倾向，在α-铀的温度范内进行热处理，可消除加工硬化现象。其机械性能与纯度有关，如金属铀中含氢为0.3-5ppm时，它就会变脆。铀属于一种软金属，当它接受中子照射时，会发生畸变和肿胀。将铀制成铀合金，或者在燃料元件外层使用高强度的包壳，可使这种蠕变效应和肿胀程度减到最小。16

|| || 铀的力学性质

铀的重要物理性质列于下表6 。

|| || 铀的重要物理性

化学性质

铀是锕系放射性化学元素，符号U，原子序数92，相对原子质量238.03，是原子序数和相对原子质量最大的天然原生元素 7。铀在工业上常用活泼金属Mg或Ca还原四氟化铀来制备：

铀在常温下是银白色的致密金属 6，铀的新切面呈发亮的钢灰色，但在室温空气中逐渐生成黑色氧化膜 7。金属铀在空气中会变暗，可被蒸汽和酸腐蚀，但耐碱腐蚀。粉末状的铀在空气中能自燃，甚至有时在水中也能自燃。铀在溶解时被氧化成不同氧化态（III、IV或VI）的铀盐。铀能溶于HNO3，形成硝酸铀酰，溶于盐酸生成三氯化铀UCl3（副产物为黑色的羟基氢化物HO-UH-OH，此残留物与H2O2作用可生成过氧化物而溶解）16：

在没有氧化剂时铀与硫酸和高氯酸都不作用。16铀通常不与碱作用，但在碱中加人H2O2则铀能溶解并生成过铀酸盐。

铀原子的外电子层构型为[Rn]5f36d17s2，5f36d17s2壳层为价电子。铀有+3、+4、+5、+6四种价态，以+4和+6价态为主6 。铀是正电性很强的活泼元素，与几乎所有非金属元素（惰性气体除外）反应生成化合物，常以U3+、U4+、UO2+和UO22+离子形式存在。

铀与沸水反应生成氢气，与高温水蒸气反应时生成的氢气将进一步与金属铀作用，并且铀与氢在250℃时发生可逆反应生成UH3：

在反应堆中，为避免铀与水起反应，燃料元件通常采用铝、锆或不锈钢包壳。16铀-氧系比较复杂，在UO2～UO3间存在多种相，重要的氧化物有UO2、U3O8和UO3。其中UO2是当前应用最广泛的核燃料。

铀与卤素生成核燃料制备工艺中重要的化合物。如UF4是生产金属铀和UF6的中间产物。UF6的三相点为337K，是气态铀同位素分离的原料。碳化铀、氮化铀和硅化铀被认为有希望的核燃料 7。

铀能与大多数非金属元素及其化合物发生反应，反应的温度和反应速度随铀的粒度而异。铀在室温的空气或氧气中能自燃，细粒铀在水中亦能自燃。在一定条件下，铀氧化放出的能量可引起爆炸。铀粉尘的爆炸浓度下限为5.5×10-2 mg/cm3。

铀能与许多金属，例如铌、铪、锆、钼及钛，生成固溶体6 。8

同位素及半衰期

天然铀含有三种同位素10：238U、235U和234U，它们的含量分别为99.28%（238U）、0.71%（235U）和0.006%（234U），半衰期分别为（238U）4.51×109、（235U）7.09×108和（234U）2.35×105年。其中以235U为最重要，是核动力的燃料。一个235U核吸收一个热中子发生裂变时放出约2.5个中子，并释放出195 MeV能量

1 kg235U核裂变放出的能量相当于燃烧2700吨煤所产生的能量 6。根据反应堆堆型及其工作条件，核燃料可采用天然铀或富集铀。用气体扩散法、离心法或激光法等分离铀同位素，可使U的富集度达到90%以上。U俘获中子后转变成易裂变的Pu（钚）。Pu也是制造核武器的主要原料7 。

在25km地壳内含1014t铀，其中海水含1010t，每吨海水平均含铀3.3mg。自然界存在几百种含铀的矿物，但大多是贫矿，所以经济地大量开采很困难。经济上有开采价值的铀矿含U3O8量为0.1%左右。如果发展快中子增殖堆，则铀资源利用率可比压水堆提高60～70倍7 。

铀同位素中存量最多的是238U，再者是可用作核能发电的燃料的235U，丰度最少的是234U。此外还有12种人工同位素。

核性质

铀的热中子吸收截面为7.60b±0.07b。铀的同位素（包括同核异能素）有15种，其质量数从227至240，其中有三种天然同位素，其余为人工合成，组成列于下表6 。

|| || 组成

235U为锕铀衰变系的始祖核素，238U为铀镭系的始祖核素，234U是238U的衰变系产物 。235U是惟一天然的可裂变核素。235U核素受热中子轰击，吸收一个中子后发生裂变（诱发裂变）。一个235U核在裂变时放出的总能量为195 MeV，同时放出2～3（平均2.5）个中子。只要其中一个中子引起另一个235U核发生裂变，链式核裂变就会持续进行下去。238U不是裂变核素，但238U在反应堆活性区吸收中子后生成239U，239U再经两次β衰变生成能裂变的Pu。因此，可以利用快中子增殖堆充分发挥238U的作用，提高天然铀的利用率 6。

铀原子核的裂变

自然界里234U不会发生核裂变，通常，238U也不会发生裂变，只有235U易发生核裂变，核燃料主要指235U。235U半衰期为7.038×108年，从235U开始，经过11次连续衰变，最后出现稳定的207Pb。238U半衰期为4.468×109年，从238U开始，经过14次连续衰变，最后产生稳定的206Pb。238U连续衰变中，核半衰期最长的是234U，它的半衰期是2.45×105年11 。

235U、233U和239Pu是主要的核裂变物质，可直接做核燃料，它们能大量获得、并易吸收慢中子（能量小于1eV）并发生裂变。235U存在于自然界，233U和239Pu要靠核反应堆生产。235U、233U 和239Pu，任何能量的中子均可使它们分裂、释放能量；对235U来说，速度越慢的中子越易引起裂变。238U吸收一个中子，也可转变为裂变物质 11。235U和238U都能自发裂变，但后者自发裂变的几率很小11。

U-235裂变

研究表明，235U吸收慢中子后，有40多种裂变方式，至少能生产36种元素的300多种核素和快中子（平均2.5 个），并释放巨大能量。铀核裂变生成物除中子外，通常有两种（两分裂）裂变物，还有三种（三分裂）和四种裂变物（1946 年，中国物理学家钱三强等在法国发现），“三分裂”几率极小。统计表明，235U裂变发射的中子能量（动能）在 0.1-20M eV范围，平均为2M eV。

235U结合能小，核裂变势垒较低，任何能量的中子都能使它裂变，其中热中子（慢中子的一种）反应堆里，235U热中子裂变截面比238U的热中子裂变截面要大200 倍。这样，就会有足够数量的中子引起235U核裂变，这可弥补天然铀或浓缩铀中235U含量较少之弱点；这种反应堆工作时，铀的利用率为1%-2% 11。

U-238裂变

238U（240Pu、232Th）裂变是有阀的，小于1.1 MeV的中子会被其吸收或散射，不能引发裂变；较大能量的中子才能使它们裂变，但可能性又极小。238U结合能较大，裂变势垒较高，能量超过1.4MeV的快中子才能使它裂变，释放的中子能量较大。研究显示，238U在几MeV以上有很多共振吸收峰，其裂变几率随中子能量增大而增大。238U不易产生裂变，但吸收中子后能变成239Pu和233U等较好的核裂变物质。热中子被238U俘获的几率是热中子使235U裂变几率的1/190左右。快中子同238U核的主要作用是非弹性碰撞，大部分中子都是通过非弹性碰撞降低能量，再在多次碰撞中被238U核吸收 11。

相关化合物

铀有多种化合物，主要铀化合物的化学式、存在形态和用途列于下表6

|| || 相关化合物

来源: 百度百科

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