人人需知的关于铀的一切

铀矿石、黄饼与燃料丸，铀元素的加工过程。(图/网路)

1789年德国化学家克拉普罗斯（Martin Heinrich Klaproth）发现铀(Uranium )以来，这种原子序数92的元素，已成为地球上最令人不安的物质之一。它具有天然放射性，其同位素铀-235的衰变更明显，于是它成了验证爱因斯坦狭义相对论「能量=质量乘上光速平方」的最佳材料。随后加州大学柏克莱分校的还发现，他们可以迫使放射性很弱的铀-238，转变成钸-239 ，等于是人工制作出具分裂的核能材料，这两种物质已被用于世界各地的武器和发电厂。今天，铀元素继续引发国际紧张局势，伊朗正在自行制作浓缩铀，而朝鲜的「火箭人」金正恩也有自己的核武器。

但究竟什么是铀呢？除了炙手可热的头条新闻之外，还应该知道些什么？

大众科学(Popular Science)介绍，铀是一种常见的金属，天然的泥土、岩石和水中含有百万分之一至百万分之十左右，地质学家戴娜‧悠马尔-史雀尔(Dana Ulmer-Scholle)说：「铀在在大多数岩石、土壤和水中都有微量存在，但是若要经济开采，就需要丰度较高的矿床，也就是铀矿。」

开采了铀矿石并不是用铁镐来敲，科罗拉多大学物理学教授杰瑞‧彼得森(Jerry Peterson)说：「通常会用水压法，将水倒入地下，并从邻近的孔中泵出。将铀分离出来。」

铀有几种重要的同位素 ，所谓同位素，是指物理特质上相同，但是中子数不同。最常见的铀是铀-238，质子数92，中子数146，它相对稳定，99％以上的铀，都是铀-238。最不常见的铀同位素是铀-234，只有0.005%。

更重要的同位素是铀-235，它会衰变，能够支持连锁反应，是很好的核燃料，使其成为核电厂和核武器的理想选择，关于它，需要详细讲，稍后会有更多内容。

还有一种铀-233，它同样可以支持连锁反应，然而地球上已经找不到它了，因此它的起源完全不同，是由钍元素(Th ,读音「土」，依照雷神索尔之名而来)另外制造而来，钍也是超铀元素，不过它的丰度比铀还要高，核物理学家将钍-232暴露在中子中，钍在吸收中子后，就会形成铀-233，因此钍成为一种颇具潜力的核燃料。

就像钍变成铀一样，也可以把铀变成钸(Pu)，过程也很类似：将大量的铀-238暴露在中子中，就会有一定的比例吸收中子，形成钸-239，这是仅次于铀235的良好核燃料。

铀235是少数现存于世的核反应元素，这与它的半衰期够长有关，达到7亿年，相比铀234的半衰期只有24万年、铀233的半衰期更只有16万年，因此在宇宙悠久的历史长河中，早就衰变的难以分析了，而铀235，在铀矿中的比例还有0.73%，虽然看似低，但已经达到经济开采的价值。

彼得森教授解释，采出铀矿之后，化学工程师会先将含铀的溶液与其他矿物质分开，分离之后的铀，会因氧结合形成氧化铀，外观呈现淡黄色，因此暱称为「黄饼」。黄饼不算太贵，1磅(0.45公斤)的黄饼只需20~30美元(约台币600~900元)，但是黄饼不能做为能源，还需要提升铀-235的浓度，这个过程叫「浓缩」，其中一种方法是将黄饼与高腐蚀性的氢氟酸混合，形成气体状的氟化铀，经过气体离心机中旋转，使铀-238和铀-235分离。当铀-235浓度达到3％至5％时，就具有稳定的连锁反应能力，也就可以成为核电厂的燃料。要是制作成核武器，铀235的浓度要达到90％以上。

有了浓度3~5%铀-235的低度浓缩铀以后，要发电还需要降低中子的速度，才能提升连锁反应的机率，H2O普通水是良好的中子减速剂，当反应终于进行时，每个中子撞到铀235后，会变成氪92与钡141，以及2.4个多余中子，还有一点点的能量，多出来的中子再撞到另一个铀235，依此类推，能量就会持续出现，也就产生相当够力的高热。

整个核反应的过程颇需要满足3个条件：合适比例的的铀238与铀235、足够的水做为减速剂，以及封闭的环境阻止中子逸散。1956年，日本核物理学家黑田和夫提出一种假设，如果核反应所需的浓度、可能发生的过去时间，以及铀235与铀238的比率都满足的话，说不定在自然界会发生天然核反应，然而他自己都自嘲这是个狂想，天底下哪有那么多巧合。然而就在1972年，法国工程师法兰西斯‧佩兰(Francis Perrin)发现中非加彭共和国欧克洛铀矿厂(Oklo)进口的铀矿石，铀235浓度偏低，低于正常值的0.72%，仅剩0.71%。一般人会认为自然环境本来就略有误差，可是佩兰博士就猜测，说不定欧克洛发生过天然核反应。

他进一步研究，发现了在矿层当中出现了核反应的30多种副产品，确定了这个矿层已经反应过了，在20亿年之前，因为地质变动，使得2块以上的铀矿连结在一起，达到足够的反应浓度，并且地下水渗入地层里，成为良好的减速剂，而且地层本身很封闭，是个优秀的反应炉。这似乎告诉我们人类，我们并没有发明核能反应器，大自然早就几十亿年前就示范过了，我们只是后来的学习者。