只要按要求制成燃料元件就可投入反应堆使用,有重要实际价值
　　铀是核军工的基石,也是重要的核能原料。由于它的不稳定性和变价性,长期以来,人们认为在自然界没有金属铀,目前工业上的金属铀系也是通过四氟化铀的钙(镁)金属热还原法来制备的。幸运的是,据最新一期的地质学报(英文版)刊载封面文章介绍,我国科研人员首次在自然界发现金属铀。这一发现不仅为揭示热液型铀成矿作用本质提供了关键性依据,而且对研究铀的来源、地球热的形成和演化均具有重大意义。
少数铀是金属态
　　铀广泛分布于地球中,但由于它的不稳定性和变价性,总是以化合物状态存在着,之前人们在自然界中还未发现有金属铀。
　　核工业北京地质研究院院长李子颖带领的研究团队采用光电能谱方法,对产于我国典型热液型铀矿床中沥青铀矿的成分和价态进行了系统研究,发现沥青铀矿中铀不仅有四价和六价形式,还以金属铀(零价)形式存在。
　　热液型铀矿床中铀来自地球深部,由于地球内部的强还原环境,铀在地球内部以金属态或低价态形式存在。当成矿流体将铀带至近地表时,由于氧逸度不断提高,其中大部分铀与氧结合成四价或六价化合物,只有部分铀仍然保持金属态。
　　李子颖认为,通过零价、四价或六价铀在热液铀矿床矿石中所占的比例,可以反映矿石形成的深度。这一重大发现为揭示热液铀成矿作用本质机理和控矿要素提供了关键性依据,且具有重要的实际价值。
金属铀易于使用
　　虽然铀元素的分布相当广,但是只有沥青铀矿和钾钒铀矿两种常见的矿床,且铀矿床的分布很有限。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。
　　此次研究的沥青铀矿样品采自我国著名贵东330铀矿床和诸广302铀矿床。两矿床均产于广东省北部,属于重要的南岭铀成矿带。光电能谱方法是重要的表面分析技术,不仅能探测物质表面的化学组成,而且可以确定元素的化学价态。
　　资料显示,金属铀和二氧化铀只要按要求制成一定尺寸和形状的燃料棒或燃料块(即燃料元件),就可以投入反应堆使用了。
　　考虑到我国已经能够将铀利用率提高至90%以上,接下来的可控核聚变乃至无限能源研究很富想象。
什么是铀
　　铀是原子序数为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(数亿年至数十亿年)。此外还有12种人工同位素(铀-226至铀-240)。铀在1789年由马丁·海因里希·克拉普罗特发现。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核燃料。
　　在居里夫妇发现镭以后,由于镭具有治疗癌症的特殊功效,镭的需要量不断增加,因此许多国家开始从沥青铀矿中提炼镭,而提炼过镭的含铀矿渣就堆在一边,成了“废料”。然而,铀核裂变现象发现后,铀变成了最重要的元素之一。这些“废料”也就成了“宝贝”。从此,铀的开采工业大大地发展起来,并建立起了独立完整的原子能工业体系。
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铀如何应用于原子弹
　　铀又是怎么应用于原子弹的呢?使用常规炸药有规律地安放在铀的周围,然后使用电子雷管使这些炸药精确地同时爆炸,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施加压力合到一起,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。二战时投掷在日本广岛的“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”的钚是造成一个在次临界以下的中空球状。引爆时使用包围在四周的炸药把钚挤压,增加密度及减少空间,造成即发临界。这种设计称为“内爆式”。
◎揭秘
日核野心受挫　因缺少金属铀
　　1945年8月6日和9日,美国向日本的广岛和长崎投下两枚原子弹。仅仅几天后的8月15日,日本裕仁天皇就通过广播宣布投降。时至今日,一段重要的历史真相却被人所遗忘:日本在二战的核野心之所以遭遇失败,只是因为缺少金属铀和钚。
　　1938年12月德国化学家奥托和弗里茨发现核裂变后,发达国家的物理学家们很快就认识到了这一发现的军事用途,日本也如此。日本海军展开了单独的核武器研究。1943年3月,日本海军在首份研究评估报告中说,虽然制造原子弹在理论上是可行的,“但估计就连美国也很难在战争中实现对原子能的使用”。于是,日本海军对此失去兴趣。
　　但日本陆军并未放弃。上述报告出炉不久,陆军就启动了通过气体扩散法分离铀235的实验项目。但该计划依旧毫无成果。在此期间,日本人发现缺少实验所需的铀矿石。科学家们原以为,日本的铀矿能提供充足的高质量铀矿石——至少需要两吨。
　　因此,日本部队的所有指挥官都被要求在各自辖区内寻找合适的原料。就连日本的盟友德国都被问到能否提供铀矿石。虽然最终搜集到一些原料,但只够在1944年制造出一枚米粒大小的六氟化铀晶体。日本陆军的实验室最终被美军摧毁,以组织者仁科芳雄名字首字母命名的“N计划”失败。
　　1943年秋,在认识到战争形势对日本越发不利后,日本海军开始与京都大学联合实施“F计划”。该计划准备通过高性能离心分离机制造铀235,但巨大的技术难题和铀矿石供应量过少导致该计划在剩余时间内也未能获得成功。
　　本报综合《科技日报》等报道