铀的开采与生产

　　开采铀矿

　　开采铀矿当然是第一步，铀矿有着多种形状，有被称为“铀黑”的土状，有被称为“沥青铀矿”的块状，其它还有粉末状、钟乳状等等。作为稀有的放射性金属元素，铀对于各国来说都是极为重要的战略资源。铀的含量非常少，它在地壳中的平均含量仅为百万分之二，其形成可工业利用矿床的几率比其他金属元素要小得多，能寻找到开采基地非常不易。我国的铀矿探明储量在全世界也只排在十位开外，无论是用作核电为普通用户服务，还是用作军事都还有较大不足。

　　因为铀矿具有放射性，对于人体是有害的，因此在开采的过程当中尤其注意防护安全，各个环节的工作人员都配备了完善和现代化的保护措施—这样的保护贯穿于整个核工业的始终。

　　从矿石到黄饼

　　开采出铀矿之后，接下来要做的事情就是将矿石进行研磨和萃取，得到一种俗称“黄饼”的原料，以备核燃料生产等核工业里的多种用途。黄饼的主要成分是八氧化三铀，而“黄饼”这一名称的由来，是因为过去在矿石研磨方面的工艺还较为简陋，只是通过将粉碎后的天然铀矿石经过多种溶液萃取，然后进行沉淀并固定成圆饼形状而得来，这样产出的非纯净成品的颜色是黄色。不过，现在通过先进的科技手段生产出来纯度更高的黄饼，其实会呈现出褐色或者黑色。

　　制作黄饼的主要工序包括研磨、浸取、萃取和沉淀等。首先将矿石打磨到适合浸取工序标准的粒度，然后用溶剂将矿石中的铀选择性地溶解，这是铀与杂质初步分离的过程。经过这一过程之后铀与大部分的脉石分离，铀的整体含量比浸取前会提高10~30倍。

　　铀矿石的浸取有酸法和碱法两种方式，目前多数铀水冶厂（通过施法冶炼对铀精矿进行加工的工厂）采用的是酸浸取法，这一般是用硫酸作浸取剂，矿石中的铀和硫酸发生反应，生成可溶的铀酰离子(UO2+)和硫酸铀酰离子[UO2(SO4)x]。如果是含碳酸盐的铀矿石，则需要用碱法来浸取，常用的浸取剂为碳酸钠和碳酸氢钠的水溶液。在经过浸取之后，会得到酸性或碱性的矿浆， 然后进行的是过滤和沉降，将溶液和矿渣进一步分离，再通过萃取法分离和纯化铀，或者将铀从含铀溶液中直接沉淀出来，就得到了黄饼。

　　其实，之所以会有制作成黄饼这一个步骤，在于更好地对铀进行存储、运输乃至交易，黄饼的状态稳定，只要通过密封等措施，就不会对人体造成危险。但如果人体直接接触黄饼，比如说吸入黄饼粉尘等，内脏器官就会受损。

　　从黄饼到八氧化三铀

　　得到了黄饼之后，再往下进行提取和纯化，就开始进入关键的环节了。首先是将黄饼的八氧化三铀提取出来，以便供制作反应堆元件或六氟化铀（用于铀235的同位素分离）使用，这也成为工业铀浓缩物的萃取精制过程。因为铀水冶厂生产的产品一般为工业铀浓缩物，仍含有硫酸盐、硅、钙、镁等杂质，因此需要进行多次的纯化和精制，才能得到核纯产品。目前最常用的是TBP萃取工艺，这一工艺包括溶解、过滤、萃取、洗涤、反萃取、蒸发与脱硝等环节，最终得到八氧化三铀。

　　黄饼，Yellowcake

　　从八氧化三铀到二氧化铀

　　八氧化三铀（ U 3 O 8 ） 和二氧化铀（U O2）都是铀的重要氧化物，同时它们还是所有铀的氧化物中最稳定的两种。其中的二氧化铀是深褐色粉末，具有半导体的性质，电阻率随温度升高而下降。而因为二氧化铀具有受强辐照时不发生异性变形、在高温下晶格结构不变、不挥发和不与水发生化学反应等特性，它已经被广泛用于制造反应堆燃料元件，因此我们又需要将之前得到的八氧化三铀转变为二氧化铀。

　　从八氧化三铀到二氧化铀， 一般采用高温还原法，将八氧化三铀在800℃~900℃与氢进行还原反应， 或者用氨作还原剂，在550℃也可制得二氧化铀。

　　从二氧化铀到四氟化铀

　　氧化物是铀化合物的一种，另外还有氟化物、碳化物、硅化物等等。而在氟化物当中，四氟化铀（U F4）是生产金属铀工艺中的重要化合物，它呈翠绿色，又称“绿盐”，是一种稳定的化合物，在高温下，碱金属或碱土金属能将其还原成金属铀。要从二氧化铀得到四氟化铀有两种方式，其一是在低于100℃的真空或惰性气体中，用氢氟酸处理二氧化铀，可以得到四氟化铀，这被称为低温氟化法；其二是在500℃~700℃的环境里，二氧化铀和氟化氢可以生成四氟化铀，这俗称“干法”（低温氟化法被归纳为“湿法”的一种）。

　　从四氟化铀到六氟化铀

　　提取到四氟化铀之后，我们还可以将四氟化铀转化为六氟化铀（UF6）。六氟化铀是强氟化剂和氧化剂，它可以使镍合金腐蚀形成氟化膜从而抵抗腐蚀，还可以与多数有机物起氟化反应，用途不少，而它本身是近于白色的粉末，容易挥发，不过它不是很活泼，一般条件下不与氧、氯发生反应，与氢的反应要在300℃以上才会发生。要得到六氟化铀，指需要用粉末状的四氟化铀在约300℃环境下与氟发生反应即可。

　　六氟化铀的提纯

　　其实，做到了六氟化铀这一步，就已经离原子弹这类大杀器不远了，不过首先我们需要引入“铀235（U235）”一词。其实很多军迷已经对此非常熟悉了，它是铀的三种同位素之一，也只有它能够发生核裂变，当至少一个中子轰击铀235时，结构将会因为剧烈震荡而瓦解裂变，而裂变之后会产生出两个质量较小的原子和两三个新的中子。这些中子继续撞击附近的铀235原子核，从而引发连锁核裂变反应，这就是原子弹的原理。

　　而此前我们进行的这些开采与提纯的工序，实际上就是为了提高铀235的浓度，因为根据国际原子能机构的定义，浓度为3%的铀235为核电站发电用的低浓缩铀，到达80%则称作高浓缩铀，而到90%以上，则叫作武器级高浓缩铀，这就主要用于舰船的动力以及原子弹了。那么如何提高铀235的浓度呢？目前有七种可选技术，分别是气体扩散法、气体离心法、气体动力学分离法、激光浓缩法、同位素电磁分离法、化学分离法和等离子体分离法，其中气体离心法的运用历史悠久，技术最成熟，并且也更加节能，目前已经被大多数新浓缩厂所采用。

　　气体离心法的原理就是将此前得到的六氟化铀气体压缩，并通过一系列高速旋转的六氟化铀分子结构气体离心机圆筒或离心机，较重的铀238同位素分子气体比较轻的铀235分子气体更容易因离心力在圆筒的近壁处得到富集，因此在近轴处富集的铀235分子气体被导出，并输送到另一台离心机进一步分离。随着气体穿过一系列离心机，铀235的浓度就逐渐增大。一般来说，这样的过程需要上千组离心机才能浓缩到所需浓度，时间往往也需要几个月，而由此提炼出的铀235浓度能够达到99%，接下来核武器就是顺理成章的事了。