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铀?

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简介

铀是元素週期表中锕系的金属元素,原子序数为92,元素符号是U。铀在地球上形成各式各样的化合物,为许多矿物的构成元素之一,已知的含铀矿物即超过150种。铀存在于矿石、土壤以及水中,可藉开採含铀矿物而提炼获得。铀元素于1789年被德国化学家马丁?克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)首先发现。铀之英文名称 Uranus 沿自天王星,而天王星名字来自希腊神祇乌拉诺斯。

铀原子有92个质子和92个电子,其中6个是价电子。它的中子数目介于141至146个之间,共有六个同位素。自然界的铀矿主要含有两种铀的同位素,即「铀–235」(U235,比例约占0.7%)与「铀–238」(U238,比例约占99.3%),其中铀–235才能产生分裂反应,而铀–238并不能产生分裂反应。所有铀同位素皆不稳定,具有微弱放射性。铀是自然元素中质量次重、原子量次高的元素,仅次于钸-244。它的密度比铅高出约70%,但不如金、钨密实。铀在自然界中以数百万分率的低含量存在于土壤、矿石和水中,可藉由开採沥青铀矿等含铀矿物并提炼之。

铀衰变时释放出α粒子,过程缓慢,拥有很长的半衰期。铀-238的半衰期约为44.7亿年,铀-235则为7.04亿年,常用于测定地质年代。

化合物

铀的氟化物六氟化铀(UF6),它的熔点是摄氏56度、三相点是摄氏64度及稍高于大气压力。提炼铀-235的方法之一就是分离不同分子量的六氟化铀。

核反应

铀可以进行核反应,其释放的巨大能量可用来发电或作为武器。用中子撞击铀-235,可引发链式反应。铀-238经慢中子撞击后会变成铀-239,然后衰变到钸,也可以进行核反应。

铀燃料与核能发电

所谓的核能发电,其原理为利用反应器中的核燃料,当其原子核分裂时所产生的能量将反应器中的水加热,直接产生蒸汽,或产生高温高压的水,经由热交换产生蒸汽,然后再藉着蒸汽的力量推动气机,进而转动发电机而产生电。

铀燃料体积小,发电量大,且运输便捷、储存方便。如果以煤替代,则需煤约570 万公吨;若是油替代,则约需380万公吨,以天然气替代约需271万公吨。相较之下,核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多,足足相差约百万倍,所需要的燃料体积比火力电厂少了相当多。

核能发电所使用的铀–235纯度约占3~5%,其余95~97%的部分一般皆为无法产生核分裂的铀–238。因原料铀含有的铀–235浓度只占0.7%(其余为铀–238),不能直接製成核能电厂发电使用的核燃料,因此必须给予浓缩,提高铀–235的浓度,才能进一步製成核燃料使用。

铀矿在经过採矿、提炼及化学处理后所製成的原料铀具黄色外观,俗称「黄饼」(yellow cake)。全世界主要蕴藏铀矿的国家为澳洲、哈萨克、加拿大,以及南非。而世界上原料铀的主要生产国家为加拿大、澳洲、哈萨克、俄罗斯,以及非洲的尼日(Niger)等。

铀-238的衰变

U(铀)-238 → Th(钍)-234 → Pa(鏷)-234 → U(铀)-234 → Th(钍)-230
→Ra(镭)-226 → Rn(氡)-222 → Po(钋)-218 → Pb(铅)-214 或 At(砹)-218
→Bi(铋)-214 → Po(钋)-214 或 Tl(铊)-210 → Pb(铅)-210 → Bi(铋)-210
→Po(钋)-210 或 Tl(铊)-206 → Pb(铅)-206。

 


参考资料
1. http://scimonth.blogspot.tw/2011/04/blog-post_2747.html
2. 铀http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%88%BE#.E5.8F.82.E8.80.83.E6.96.87.E7.8C.AE

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