铀(Uranium)的原子序数为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(数亿年~数十亿年)。此外还有12种人工同位素(铀-226~铀-240)。铀在1789年由马丁·海因里希·克拉普罗特(MartinHeinrich 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。
地球上存量最多的同位素是铀-238,再者是可用作核能发电的燃料的铀-235,丰度最少的是铀-234。此外还有12种人工同位素(铀-226~铀-240)。
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、阿根廷等国家都掌握了铀浓缩技术。
核电站核反应堆只需3%~5%的U-235,而要生产核武器,U-235浓度至少要达到90%。如果发现某个国家的U-235浓度达到90%,这就是企图制造核武器的铁证。
铀通常被人们认为是一种稀有金属,尽管铀在地壳中的含量很高,比汞、铋、银要多得多,但由于提取铀的难度较大,所以它注定了要比汞这些元素发现的晚得多。尽管铀在地壳中分布广泛,但是只有沥青铀矿和钾钒铀矿两种常见的矿床。
铜铀云母
地壳中铀的平均含量约为百万分之2.5,即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀,这比钨、汞、金、银等元素的含量还高。铀在各种岩石中的含量很不均匀。例如在花岗岩中的含量就要高些,平均每吨含3.5克铀。在地壳的第一层(距地表20 km)内含铀近 1.3×10^14吨。依此推算,一立方公里的花岗岩就会含有约一万吨铀。海水中铀的浓度相当低,每吨海水平均只含3.3毫克铀,但由于海水总量极大(海水中总含铀量可达4.5×10^9 吨),且从水中提取有其方便之处,所以目前不少国家,特别是那些缺少铀矿资源的国家,正在探索海水提铀的方法。
绿铀矿
由于铀的化学性质很活泼,所以自然界不存在游离的金属铀,它总是以化合状态存在着。已知的铀矿物有一百七十多种,但具有工业开采价值的铀矿只有二、三十种,其中最重要的有沥青铀矿(主要成分为八氧化三铀))、品质铀矿(二氧化铀)、铀石和铀黑等。很多的铀矿物都呈黄色、绿色或黄绿色。有些铀矿物在紫外线下能发出强烈的荧光。正是铀矿物(铀化合物)这种发荧光的特性,才导致了放射性现象的发现。
硅钾铀矿
虽然铀元素的分布相当广,但铀矿床的分布却很有限。铀资源主要分布在美国、加拿大、南非、西南非
、澳大利亚等国家和地区。据估计,已探明的工业储量到1972年已超过一百万吨。中国铀矿资源也十分丰富。
铀及其一系列衰变子体的放射性是存在铀的最好标志。人的肉眼虽然看不见放射性,但是借助于专门的仪器却可以方便地把它探测出来。因此,铀矿资源的普查和勘探几乎都利用了铀具有放射性这一特点:若发现某个地区岩石、土壤、水、甚至植物内放射性特别强,就说明那个地区可能有铀矿存在。
使用常规炸药有规律的安放在铀的周围,然后使用电子雷管使这些炸药精确的同时爆炸,产生的巨大压力将铀压到一起,并被压缩,达到临界条件,发生爆炸。或者将两块总质量超过临界质量的铀块合到一起,也会发生猛烈的爆炸。
临界质量是指维持核子连锁反应所需的裂变材料质量。不同的可裂变材料,受核子的性质(如裂变横切面)、物理性质、物料形状、纯度、是否被中子反射物料包围、是否有中子吸收物料等等因素影响,而会有不同的临界质量。
刚好可能以产生连锁反应的组合,称为已达临界点。比这样更多质量的组合,核反应的速率会以指数增长,称为超临界。如果组合能够在没有延迟放出中子之下进行连锁反应,这种临界被称为即发临界,是超临界的一种。即发临界组合会产生核爆炸。如果组合比临界点小,裂变会随时间减少,称之为次临界。
核子武器在引爆以前必须维持在次临界。以铀核弹为例,可以把铀分成数大块,每块质量维持在临界以下。引爆时把铀块迅速结合。投掷在广岛的“小男孩”原子弹是把一小块的铀透过枪管射向另一大块铀上,造成足够的质量。这种设计称为“枪式”。钚核弹不能以这种方法引爆。 第一枚钚原子弹胖子是内爆式钚弹。处于低临界的球形钚,被放置在空心的球状炸药内。周围接上了三十二枚同时起爆的雷管。雷管接通起爆后,产生强大的内推压力,挤压球形钚。当钚的密度增加至超临界状况,引发起核子连锁反应,造成核爆。胖子不能使用“小男孩”铀弹一类的“枪式”起爆。因为钚的自发中子比铀多很多。如果好像枪式铀弹一样将数块钚结合,连锁反应会在裂变物料刚刚到达超临界时立即开始;产生的能量会把其余大量尚未进行裂变的材料炸开,造成释放能量大为下降的“提前起爆”(Fizzle)。理论上要以“枪式”起爆钚弹并非不可能,但是炸弹可能需要长达十九英尺,这种设计超越当时B-29的载负能力所以不可取。
由于内爆式钚弹是一种崭新的设计,因此美国在使用前,先在1945年7月16日新墨西哥州试爆了另一枚同一模式,称为“小玩意”(Gadget)的原子弹。结果试验非常成功,得到的当量达二万公吨,比原先预计高出二至四倍。