铀水冶工艺 21自然界中的铀及其化合物

铀矿石的放射性
? 铀矿石中一定含有镭，而镭是主要放射性核素，铀矿石的放射性主要 来自镭。226 Ra 是222 Rn 的母体，半衰期为1602年，222 Rn 及其衰 变产物均具有放射性，对人体危害很大，222 Rn 的半衰期为3.82d ， 去除氡也就是去掉了铀矿石的大部分放射性。但这种放射性的去除只 能维持一个短时间，只需经约十个222Rn的半衰期，它又恢复到原来 的平衡值，它的许多子体也将相继出现。
? 235 U即锕铀（AcU），它存在于天然铀内的原因尚不 十分清楚。235U量虽少，但意义却很大。它吸收慢中子 后即发生裂变，并伴随放出大量的能量。
? 235 U完全裂变的“热能当量”大约为22,022,000 kw·h·kg-1 235U。在放出能量的同时，还产生许多裂变 产物，即其它放射性核素。每个发生裂变的铀核平均放 出（2.5 ±0.1 ）个中子。其过程如下式所示：
? 式中FP表示铀核的裂变产物，E为裂变所释 放出的能量。
? 235U也能自发裂变，其自发裂变的半衰期为 (1.8±1.0）×1017年。
放射性
? 元素从不稳定的原子核自发地放出射线，(如α射线、β 射线、γ射线等)而衰变形成稳定的元素而停止放射(衰 变产物)，这种现象称为放射性。
? 放射性核素有2300多种，又可分为天然放射性核素和 人工放射性核素两大类。放射性衰变最早是从天然的重 元素铀的放射性而发现的。其中放射性最强的天然核素 主要有镭（ 226 Ra ）等，镭常与铀伴生。
? 铀有多种价态： U 3+、U4+ 、U5+ 、U 6+
? 六价铀在水溶液中形成稳定的大铀酰离子
UO
2+ 2
，失去全部价电子的U6+，具有氡壳
心的电子层结构。这种惰性气体构型的离子
所形成的氧化物在热力学上是最稳定的。
2.2.2 铀的同位素
? 天然同位素238 U、235 U和234 U 以混合物的形式构成天 然铀，其中最有意义的是238U和235U。这三种同位素在 铀里面的相对丰度如表2-3所示。
2.3 铀的重要化合物
? 着重讨论与提取、精制有关的一些铀化合物， 特别是铀的氧化物和卤化物。
? 2.3.1 铀的氧化物 ? 2.3.2 铀酸盐和重铀酸盐 ? 2.3.3 铀的卤化物
2.3.1 铀的氧化物
几乎在所有铀矿物中，铀均以氧化物的形式存在，从某 种意义上讲，铀的浸出，就是研究各种化学试剂对铀氧化 物的作用，而作为工艺产品的二氧化铀又是目前最广泛用 于动力反应堆的核燃料。 ? 铀-氧体系是最复杂的二元体系之一，目前已知有工艺 意义的铀氧化物有二氧化铀UO 2、八氧化三铀U3O8、三 氧化铀UO 3和过氧化铀UO 4·2H 2O。
表2-3 天然铀同位素的相Βιβλιοθήκη Baidu丰度
?
238U是天然铀4n+2放射系的母体，是
天然铀中丰度最大的同位素。在慢中子作用
下，不发生裂变。但可发生如下核反应：
? 所产生的239U很不稳定，经两次β-衰变而 生成Pu。
? Pu 能为慢中子所裂变，因此，它也是一种 核燃料。239U能自发裂变，其自发裂变的半 衰期达（9.86±0.3）×1015年。
2.2 铀在元素周期表中的位置
? 2.2.1 锕系理论及铀的电子结构 ? 1926年，有人预计，在元素周期表的第七周期存在着一个类似稀
土元素的族。这一理论预见在发现超铀元素之前没有被人们接受。 ? 1940年以后，镎、钚等超铀元素相继发现。1945年，西博格明
确提出了他的假定：锕和超锕元素组成一个族，在这个族里，5f 电子层逐渐被填满，就像镧系元素的4f电子层一样，这就是著名 的锕系理论。这一理论的提出，彻底打破了把锕、钍、镤、铀放 在周期表III、IV、V、VI副族的传统概念。
? 要去掉铀矿石中放射性较根本的办法是分离掉铀衰变系中的226 Ra 。 通常，除镭就能除去绝大部分放射性，镭在铀矿石浸出阶段与铀分离 。
氡气
? 镭、钍等放射性元素蜕变而获得。氡气是气体中最重的 一个，也是唯一一个常规条件下全部由放射性同位素构 成的气体。
? 氡有27种同位素，均为放射性核素。大气中氡本身不 参加化学反应, 但其衰变产生的射线及衰变产生的短寿 命衰变产物对人体健康具有危害作用。对人体危害最大 的主要是222Rn及其衰变产物。
? 宇宙空间落到地球上的陨石中也含有少量铀，这表明宇 宙空间也有铀存在。
? 铀自1789年发现以来，它只是作为一个化学元素被人们研究， 很少应用。 1896年贝克勒尔（ H. Bacquerel ）发现放射性和 1898年居里夫妇 从铀矿中发现 镭以后，作为获得镭的原料， 铀矿开采才有一些发展。
? 1938年，发现并确定了 铀核裂变 现象，使人们认识到可以通 过人为的方法，促使铀核发生裂变，释放出巨大的能量。理论 上，1kg 235 U 全部裂变反应后所释放出的能量相当于 2500 t 无烟煤完全燃烧所释放出的能量。
第2章 铀及其化合物的性质
2.1 自然界中的铀 2.2 铀在元素周期表中的位置 2.3 铀的重要化合物 2.4 铀的水溶液化学 2.5 铀离子络合物 2.6 铀盐
2.1 自然界中的铀
? 铀是一个在自然界存在的天然放射性元素， 1789年被克拉普洛特（ M. H. Klaproth ）发 现，当时恰好发现了天王星（ Uranus ），因此 就以“天王星”命名为 Uranium 。
? 铀在自然界的分布是相当广泛的，地壳和海水 中有大量的铀，甚至宇宙空间也有少量铀存在。
? 地壳中平均1g岩石的铀含量约为3 ~ 4×10-6g，在地 壳的第一层（距地表20 km）内含铀近1.3×1014 t 。 但是，铀在地壳内的分布极为分散，富矿很少。
? 海水中铀的含量约为3.3 mg ·m-3 ，因此海水中含铀 总量可达4.5 ×10 9 t 。此外，大部分温泉、湖水、河 水和某些有机体中也都有少量铀存在。
最重要的几种铀氧化物性质
（1）二氧化铀UO 2
? 从铀生产工艺上来讲，二氧化铀是最重要的化合物之一。 ? 原生铀矿物中，铀的存在形式就是UO 2，而由原生铀
矿物经各种地质作用和自然力作用形成的次生铀矿，其 中部分铀也是以UO2形式存在。 ? 从铀化工转化过程的中间产品、生产金属铀的原料以及 直接用作核燃料的角度看，研究二氧化铀的性质也具有 现实意义。