第3讲(铀元素及铀矿物)ppt课件
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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235U需要200吨铀矿石。
所谓贫铀是从金属铀中提炼出核材料235U以后 得到的副产品，其主要成分是放射性较低的 238U，故称贫化铀，简称贫铀。根据近年来国 外新闻媒体的报道，70年代中期几个核武器及 核燃料生产国都在进行贫铀（238U）材料的应 用研究，主要是研制贫铀合金动能穿甲弹。贫 铀也不是绝对不含235U，仍有微弱的放射性， 这些都会对人体产生伤害，对环境造成污染。
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。提炼浓缩铀通 常采用气体离心法，气体离心分离机是其中的 关键设备，因此美国等国家通常把拥有该设备
作为判断一个国家是否进行核武器研究的标准。
二、铀元素的化学性质
参看《铀资源地质学》pp.16-47.
第一章：铀元素性质基本特征
一、元素铀的物理性质及其用途
铀：元素符号 U，原子序数92。1841年由
W M Peligot （ 法国，巴黎）首次作为金属 分离出。铀是存在于自然界中的一种稀有化 学元素，铀主要含三种同位素，即238U、 235U和234U，都具有放射性，能够自发地蜕 变成另一种原子核，同时放出射线。 它们的半衰期分别是4.5×109a，7.3×108a和 2.6×105a。
其中235U，在中子轰击下可发生链式核裂变反 应，可用作原子弹的核装料和核电站反应堆的 燃料。
为满足核武器和核动力的需求，一些国家建造 了铀浓缩厂，以天然铀矿作原料，运用同位素 分离法（扩散法、离心法和激光法等）使天然 铀的三种同位素分离，以提高235U的丰度，提 炼浓缩铀。
根据国际原子能机构的定义，丰度为3％的235U 为核电站发电用低浓缩铀，235U丰度大于80％ 的铀为高浓缩铀，其中丰度大于90%的称为武 器级高浓缩铀，主要用于制造核武器。
铀的还原能力很强，金属铀和低价态铀都是强 还原剂。由于U3+－U0和U4+－U3+两个电对的
标准电极电位，在各种酸碱度的水溶液中都低 于氢的标准电极电位，因此U0和U3+都能与水 强烈反应，把氢还原而自身氧化成U4+或UO22+。 因此，地壳中不存在金属铀和三价铀化合物。 另外，五价铀离子UO2+仅能在pH值为2～4的 水溶液中存在，超过该范围它歧化成U4+和 UO22+，因此U5+在自然界也很不稳定。
内容提要：
第一章 铀元素性质基本特征
§1.1 铀元素的物理性质 §1.2 铀元素的化学性质 §1.3 铀元素在自然界中的分布 §1.4 铀元素在自然界中的存在形式
第二章 铀矿物的基本特征
§2.1 铀矿物的化学成分 §2.2 铀矿物的晶体化学特点 §2.3 铀矿物的形态特征 §2.4 铀矿物的物理性质 §2.5 铀矿物的成因
关于铀在地壳中的存在形式，大致可分 为以下三种：
1、铀矿物
自然界中铀以四价和六价两种价态 存在。在内生作用和外生作用中，四价 铀和六价铀都可形成独立的铀矿物和含 铀矿物。
由于内生作用中的温度、氧逸度等物理化学条 件变化很大，因而所形成的铀矿物类型以及铀 在这些矿物中的存在形式有明显的不同。
岩浆作用是在温度高、氧逸度低的条件下进行 的。所以铀在岩浆作用形成的矿物中，主要以 四价形式存在，多数晶质铀矿（如晶质铀矿、 沥青铀矿和铀黑）的含氧系数为2.17～2.50。介 质氧逸度随着温度降低而逐渐升高，因而在中 低温热液条件下形成的铀矿物（主要是沥青铀 矿，其次是铀石），即六价铀的含量显著增加， 沥青铀矿的含氧系数较高，多数为2.4～2.7。
三、铀元素在自然界中的分布
铀在地壳中的平均丰度是2.7×10-6，尽管在地 壳中分布广泛，但是含量低，是一种典型的分 散元素，只在特定的地质条件下，才可以聚集 而成矿。
不同岩性中铀含量变化很大，在岩石中的分布 和丰度与岩石的成因和成岩作用有关。
四、铀元素在自然界中的存在形式
铀的存在形式系指在一定的物理化 学条件下，铀在各种地质体中的赋存状 态，或者说是铀和其他元素结合规律的 表现。
外生作用以大量游离氧的参与为特征，因而 在 存外在生。条外件生下作用，中铀通，常铀矿以物六的价形形成式可（通UO过22两+）种 方式： ① 离子UO结22合+和，P形O4成3-，颜Hale Waihona Puke Baidu色sO鲜43艳-，的V各O4种3-，次C生O铀32-等矿络物阴， 在这些含铀酰的次生铀矿物中，铀以六价形式 存在； ② 成沥UO青22铀+和矿S、2-，铀F黑e2+、及铀有石机等质矿等物还，原铀剂在作这用些而矿形 物中以四价和六价两种形式存在。
纯金属铀呈银白色，具有金属光泽，微带淡蓝 色色调。金属铀易氧化，所以在自然界几乎见 不到纯金属铀单质。粉末状金属铀由于受到氧 化呈灰黑色（+4价）。
在天然矿石中铀的三种同位素共生，其中235U 的含量非常低，只有约0.7205％，其他两种同 位素的相对丰度分别为，238U：99.2739%；234U： 0.0056%。
铀属于锕系元素，铀的氧化态是+6、+5、+4 和+3价，离子半径的大小与配位数有关，离子 半径越大，配位数就越高。
铀的化学性质十分活波，几乎可以与稀有气体 元素以外的所有元素发生化学反应。例如：块 状金属铀在室温条件下的空气中可以缓慢氧化， 形成黑色的UO2薄膜，高度粉碎的金属铀在室 温的空气和水中都能自燃。
鉴于铀的上述性质，自然界中铀的氧化态只能 是4价（U4+）和6价（U6+），3价（U3+）和5价 （U5+）的U构成过渡态，只在实验室条件下稳 定。其中U6+是可溶态，U4+是不溶态。
铀与氧有高度亲和性，是一种亲氧元素。因此， 自然界中，铀既不形成自然金属也不形成硫化 物、砷化物或碲化物。铀是强络合物形成体， 它能与无机和有机含氧配位体络合形成种类繁 多的络合物。
所谓贫铀是从金属铀中提炼出核材料235U以后 得到的副产品，其主要成分是放射性较低的 238U，故称贫化铀，简称贫铀。根据近年来国 外新闻媒体的报道，70年代中期几个核武器及 核燃料生产国都在进行贫铀（238U）材料的应 用研究，主要是研制贫铀合金动能穿甲弹。贫 铀也不是绝对不含235U，仍有微弱的放射性， 这些都会对人体产生伤害，对环境造成污染。
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。提炼浓缩铀通 常采用气体离心法，气体离心分离机是其中的 关键设备，因此美国等国家通常把拥有该设备
作为判断一个国家是否进行核武器研究的标准。
二、铀元素的化学性质
参看《铀资源地质学》pp.16-47.
第一章：铀元素性质基本特征
一、元素铀的物理性质及其用途
铀：元素符号 U，原子序数92。1841年由
W M Peligot （ 法国，巴黎）首次作为金属 分离出。铀是存在于自然界中的一种稀有化 学元素，铀主要含三种同位素，即238U、 235U和234U，都具有放射性，能够自发地蜕 变成另一种原子核，同时放出射线。 它们的半衰期分别是4.5×109a，7.3×108a和 2.6×105a。
其中235U，在中子轰击下可发生链式核裂变反 应，可用作原子弹的核装料和核电站反应堆的 燃料。
为满足核武器和核动力的需求，一些国家建造 了铀浓缩厂，以天然铀矿作原料，运用同位素 分离法（扩散法、离心法和激光法等）使天然 铀的三种同位素分离，以提高235U的丰度，提 炼浓缩铀。
根据国际原子能机构的定义，丰度为3％的235U 为核电站发电用低浓缩铀，235U丰度大于80％ 的铀为高浓缩铀，其中丰度大于90%的称为武 器级高浓缩铀，主要用于制造核武器。
铀的还原能力很强，金属铀和低价态铀都是强 还原剂。由于U3+－U0和U4+－U3+两个电对的
标准电极电位，在各种酸碱度的水溶液中都低 于氢的标准电极电位，因此U0和U3+都能与水 强烈反应，把氢还原而自身氧化成U4+或UO22+。 因此，地壳中不存在金属铀和三价铀化合物。 另外，五价铀离子UO2+仅能在pH值为2～4的 水溶液中存在，超过该范围它歧化成U4+和 UO22+，因此U5+在自然界也很不稳定。
内容提要：
第一章 铀元素性质基本特征
§1.1 铀元素的物理性质 §1.2 铀元素的化学性质 §1.3 铀元素在自然界中的分布 §1.4 铀元素在自然界中的存在形式
第二章 铀矿物的基本特征
§2.1 铀矿物的化学成分 §2.2 铀矿物的晶体化学特点 §2.3 铀矿物的形态特征 §2.4 铀矿物的物理性质 §2.5 铀矿物的成因
关于铀在地壳中的存在形式，大致可分 为以下三种：
1、铀矿物
自然界中铀以四价和六价两种价态 存在。在内生作用和外生作用中，四价 铀和六价铀都可形成独立的铀矿物和含 铀矿物。
由于内生作用中的温度、氧逸度等物理化学条 件变化很大，因而所形成的铀矿物类型以及铀 在这些矿物中的存在形式有明显的不同。
岩浆作用是在温度高、氧逸度低的条件下进行 的。所以铀在岩浆作用形成的矿物中，主要以 四价形式存在，多数晶质铀矿（如晶质铀矿、 沥青铀矿和铀黑）的含氧系数为2.17～2.50。介 质氧逸度随着温度降低而逐渐升高，因而在中 低温热液条件下形成的铀矿物（主要是沥青铀 矿，其次是铀石），即六价铀的含量显著增加， 沥青铀矿的含氧系数较高，多数为2.4～2.7。
三、铀元素在自然界中的分布
铀在地壳中的平均丰度是2.7×10-6，尽管在地 壳中分布广泛，但是含量低，是一种典型的分 散元素，只在特定的地质条件下，才可以聚集 而成矿。
不同岩性中铀含量变化很大，在岩石中的分布 和丰度与岩石的成因和成岩作用有关。
四、铀元素在自然界中的存在形式
铀的存在形式系指在一定的物理化 学条件下，铀在各种地质体中的赋存状 态，或者说是铀和其他元素结合规律的 表现。
外生作用以大量游离氧的参与为特征，因而 在 存外在生。条外件生下作用，中铀通，常铀矿以物六的价形形成式可（通UO过22两+）种 方式： ① 离子UO结22合+和，P形O4成3-，颜Hale Waihona Puke Baidu色sO鲜43艳-，的V各O4种3-，次C生O铀32-等矿络物阴， 在这些含铀酰的次生铀矿物中，铀以六价形式 存在； ② 成沥UO青22铀+和矿S、2-，铀F黑e2+、及铀有石机等质矿等物还，原铀剂在作这用些而矿形 物中以四价和六价两种形式存在。
纯金属铀呈银白色，具有金属光泽，微带淡蓝 色色调。金属铀易氧化，所以在自然界几乎见 不到纯金属铀单质。粉末状金属铀由于受到氧 化呈灰黑色（+4价）。
在天然矿石中铀的三种同位素共生，其中235U 的含量非常低，只有约0.7205％，其他两种同 位素的相对丰度分别为，238U：99.2739%；234U： 0.0056%。
铀属于锕系元素，铀的氧化态是+6、+5、+4 和+3价，离子半径的大小与配位数有关，离子 半径越大，配位数就越高。
铀的化学性质十分活波，几乎可以与稀有气体 元素以外的所有元素发生化学反应。例如：块 状金属铀在室温条件下的空气中可以缓慢氧化， 形成黑色的UO2薄膜，高度粉碎的金属铀在室 温的空气和水中都能自燃。
鉴于铀的上述性质，自然界中铀的氧化态只能 是4价（U4+）和6价（U6+），3价（U3+）和5价 （U5+）的U构成过渡态，只在实验室条件下稳 定。其中U6+是可溶态，U4+是不溶态。
铀与氧有高度亲和性，是一种亲氧元素。因此， 自然界中，铀既不形成自然金属也不形成硫化 物、砷化物或碲化物。铀是强络合物形成体， 它能与无机和有机含氧配位体络合形成种类繁 多的络合物。