科學分析：核電站的燃料會發生爆炸嗎？

鈾的半衰期是多少

近些年來核問題反覆被炒熱，成為公眾關注的焦點。那麼，鈾是什麼東西？它為什麼這麼重要？鈾是怎麼提取和濃縮的？核燃料會發生爆炸嗎？今天我們就來討論這些問題。

鈾是一種能量巨大的重金屬

鈾是一種放射性元素，它的原子核裡有92個質子，核外有92個電子。但是鈾的中子數量並不固定，有的有146箇中子，92+146=238，因此這種鈾被稱為鈾-238（²³⁸U），在地球上它是鈾最多的同位素，大約佔到99。274%；還有的鈾原子核裡只有143箇中子，比鈾-238少3箇中子，這種鈾同位素就是大名鼎鼎的鈾-235（²³⁵U）了。

一塊提純的金屬鈾

由於核內中子數量太多，鈾的原子核都不穩定，它們會自發衰變成更輕的元素，同時釋放出α粒子，因此鈾具有放射性。相比之下，鈾-238更穩定一些，它的半衰期是44。7億年，跟地球的年齡差不多；鈾-235的半衰期為7。04 億年。鈾的半衰期非常長，它釋放的α粒子又很容易被阻擋，因此戴著手套接觸鈾是安全的，事實上你就算是把一小塊純鈾放進普通訊封裡也不會有什麼危險，它是熱的，可以充當暖寶寶。

之前有科學家徒手去撿（掰）金屬鈾球的故事，事實上那是因為科學家知道阿爾法粒子不能穿透面板，他的健康是有保障的，但如果讓幾顆金屬鈾球聚在一起就容易發生意外核爆。

鏈式反應

鈾-235的一個特點就是它受到中子轟擊後容易發生裂變，這會使它變得非常危險。當受到一個慢中子（熱中子）轟擊時，鈾-235的原子核會因為突然多出來一箇中子而分裂成兩個較小的核——141Ba和92Kr，同時向外釋放3箇中子和強大的能量；若這3箇中子又被附近其它的鈾-235核吸收，就會引發鏈式反應，也就是我們常說的核爆炸。

1945年8月6日，美國飛機在日本廣島上空扔了一枚綽號叫“小男孩”的炸彈，它中間裝了64千克濃縮鈾，其中大約不到1千克鈾-235發生了鏈式反應，爆炸當量相當於1。5萬噸TNT炸藥，直接導致6。6萬人死亡。

“小男孩”在廣島

鈾的濃度與核能發電

除了拿來製造原子彈，鈾還可以用來發電。一塊鈾到底是可以造原子彈還是用作核電站的燃料棒，與其中鈾-235的濃度（丰度）密切相關。

理論上，需要52千克純的鈾-235裸球（直徑17釐米）才能引發鏈式反應，因為質量決定了其激發產生的中子數量，這被稱為核爆炸的臨界質量。隨著核武器設計越來越先進，比如用更好的中子反射層，只需要幾千克的濃縮鈾就可以產生核爆炸，這也為核武器小型化創造了條件。

中子反射層可以降低臨界質量

若核材料中鈾-235的濃度比較低，它就不容易發生核爆炸那樣不受控制的鏈式反應，同時有相當一部分核裂變發射出來的中子被慢化劑慢化、被控制棒吸收掉了。當有足夠多的鈾-235原子核發生裂變，又不至於達到核爆炸的臨界值，我們就可以將它散發的熱量收集起來（慢化劑同時又是冷卻劑，用於與外部熱交換），也就是燒開水，再利用水蒸氣推動蒸汽輪機發電。

鈾-235用於核發電

在大多數核反應堆（輕水堆）所需要的染料棒裡，鈾-235的濃度通常在3。5%~4。5%之間，其它大多是鈾-238。我們知道在自然界鈾礦中99%以上都是鈾238，它可以吸收中子變成鈾-239，但要引發它裂變需要極高的能量，所以被稱為貧鈾。鈾-235在自然界的丰度只有0。72%，為了獲得更高丰度的鈾-235，我們就需要將它與鈾-238分離出來，這就是大家常聽說的鈾濃縮。

鈾的提取過程

鈾元素是天然存在的，它大多產生於超新星內部，當兩顆中子星相撞時也會產生鈾。還有一些鈾是由更重的放射性元素衰變生成的，例如242Pu衰變生成²³⁸U，247Cm衰變後生成²³⁵U。

在地球上，鈾基本以氧化物的形式存在於鈾礦石中，其中主要是二氧化鈾（UO₂）、三氧化鈾（UO₃）和微量的過氧化鈾（U₃O₈）。

礦石被採集後，經過破碎、酸鹼處理、過濾等一系列工序後生成U₃O₈，俗稱“黃餅”或“黃蛋糕”，再把它加工成UO₂就成為加壓重水反應堆的核燃料。

“黃餅”

大多數核反應堆無法使用黃餅發電，必須要從中提取出鈾-235來。透過將U₃O₈與氟反應生成六氟化鈾（UF₆）氣體，再將UF₆經過高速離心機一點一點分離出含有鈾-235的UF₆氣體，從而生產出含鈾-235達20%的濃縮鈾，這足以滿足在大多數核反應堆的需要。

六氟化鈾的分子結構

核燃料安全嗎？

這需要從兩方面看，在參與到核裂變之前，無論是原子彈裡的武器級濃縮鈾（濃度85%以上）還是核電站燃料棒裡的低濃縮鈾（濃度20%以下）都是安全的，它們釋放的α粒子（氦原子核）穿透力很低，β粒子（高能電子）又極少，所以你可以戴手套把它拿在手上端詳。需要注意的是，任何情況下吸入α粒子都是危險的。

工作人員在安裝前檢查核燃料棒

鈾-235的裂變需要外部中子的激發，這些中子攜帶著能量，當能量的大小足夠時（1~2MeV），鈾-235就會裂變並釋放出三個的中子與更強大能量（200MeV），中子可以輕易地致命。鈾-235裂變的產物同樣具有強烈的放射性，當人吸入這些物質後會破壞DNA，進而導致各臟器衰竭。

核電站的燃料棒不會像原子彈那樣發生核爆炸，這是由其中鈾-235的濃度決定的。核爆炸的前提是中子引起的連鎖反應，它需要鈾-235的原子達到一定的密度，或者擁有相當的總質量。根據計算，一個濃度為20%的鈾金屬球，其質量需要達到400千克才有可能爆炸，而5%以下濃度發生爆炸的可能性接近0。

只有當鈾達到相當濃度、超過其臨界質量，並且有合適能量的中子轟擊，核材料才會有爆炸的危險。

日本福島核電站氫氣爆炸引發放射性物質擴散

總結：

鈾是放射性物質，它產生於超新星內部，並且廣泛分佈在地球表面。在地球上，鈾的含量比我們熟知的許多金屬比如錫、汞或銀都要多得多。

鈾-235受中子轟擊後會發生裂變，同時釋放巨大能量，人們利用它來製造核武器，也透過控制這種裂變的過程來進行核能發電。

自然界中的鈾-235濃度極低，需要經過極其複雜的提純工序才能得到濃縮鈾，5%以下的低濃度鈾就可以發電。核燃料棒總體上是安全的，因為製造核武器至少需要20%以上濃度，這隻有極少國家才能做到。