1789年德國化學家克拉普羅斯(Martin Heinrich Klaproth)發現鈾(Uranium )以來,這種原子序數92的元素,已成為地球上最令人不安的物質之一。它具有天然放射性,其同位素鈾-235的衰變更明顯,於是它成了驗證愛因斯坦狹義相對論「能量=質量乘上光速平方」的最佳材料。隨後加州大學柏克萊分校的還發現,他們可以迫使放射性很弱的鈾-238,轉變成鈽-239 ,等於是人工製作出具分裂的核能材料,這兩種物質已被用於世界各地的武器和發電廠。今天,鈾元素繼續引發國際緊張局勢,伊朗正在自行製作濃縮鈾,而朝鮮的「火箭人」金正恩也有自己的核武器。

但究竟什麼是鈾呢?除了炙手可熱的頭條新聞之外,還應該知道些什麼?

大眾科學(Popular Science)介紹,鈾是一種常見的金屬,天然的泥土、岩石和水中含有百萬分之一至百萬分之十左右,地質學家戴娜‧悠馬爾-史雀爾(Dana Ulmer-Scholle)說:「鈾在在大多數岩石、土壤和水中都有微量存在,但是若要經濟開採,就需要豐度較高的礦床,也就是鈾礦。」

開採了鈾礦石並不是用鐵鎬來敲,科羅拉多大學物理學教授傑瑞‧彼得森(Jerry Peterson)說:「通常會用水壓法,將水倒入地下,並從鄰近的孔中泵出。將鈾分離出來。」

鈾有幾種重要的同位素 ,所謂同位素,是指物理特質上相同,但是中子數不同。最常見的鈾是鈾-238,質子數92,中子數146,它相對穩定,99%以上的鈾,都是鈾-238。最不常見的鈾同位素是鈾-234,只有0.005%。

更重要的同位素是鈾-235,它會衰變,能夠支持連鎖反應,是很好的核燃料,使其成為核電廠和核武器的理想選擇,關於它,需要詳細講,稍後會有更多內容。

還有一種鈾-233,它同樣可以支持連鎖反應,然而地球上已經找不到它了,因此它的起源完全不同,是由釷元素(Th ,讀音「土」,依照雷神索爾之名而來)另外製造而來,釷也是超鈾元素,不過它的豐度比鈾還要高,核物理學家將釷-232暴露在中子中,釷在吸收中子後,就會形成鈾-233,因此釷成為一種頗具潛力的核燃料。

就像釷變成鈾一樣,也可以把鈾變成鈽(Pu),過程也很類似:將大量的鈾-238暴露在中子中,就會有一定的比例吸收中子,形成鈽-239,這是僅次於鈾235的良好核燃料。

鈾235是少數現存於世的核反應元素,這與它的半衰期夠長有關,達到7億年,相比鈾234的半衰期只有24萬年、鈾233的半衰期更只有16萬年,因此在宇宙悠久的歷史長河中,早就衰變的難以分析了,而鈾235,在鈾礦中的比例還有0.73%,雖然看似低,但已經達到經濟開採的價值。

彼得森教授解釋,採出鈾礦之後,化學工程師會先將含鈾的溶液與其他礦物質分開,分離之後的鈾,會因氧結合形成氧化鈾,外觀呈現淡黃色,因此暱稱為「黃餅」。黃餅不算太貴,1磅(0.45公斤)的黃餅只需20~30美元(約台幣600~900元),但是黃餅不能做為能源,還需要提升鈾-235的濃度,這個過程叫「濃縮」,其中一種方法是將黃餅與高腐蝕性的氫氟酸混合,形成氣體狀的氟化鈾,經過氣體離心機中旋轉,使鈾-238和鈾-235分離。當鈾-235濃度達到3%至5%時,就具有穩定的連鎖反應能力,也就可以成為核電廠的燃料。要是製作成核武器,鈾235的濃度要達到90%以上。

有了濃度3~5%鈾-235的低度濃縮鈾以後,要發電還需要降低中子的速度,才能提升連鎖反應的機率,H2O普通水是良好的中子減速劑,當反應終於進行時,每個中子撞到鈾235後,會變成氪92與鋇141,以及2.4個多餘中子,還有一點點的能量,多出來的中子再撞到另一個鈾235,依此類推,能量就會持續出現,也就產生相當夠力的高熱。

整個核反應的過程頗需要滿足3個條件:合適比例的的鈾238與鈾235、足夠的水做為減速劑,以及封閉的環境阻止中子逸散。1956年,日本核物理學家黑田和夫提出一種假設,如果核反應所需的濃度、可能發生的過去時間,以及鈾235與鈾238的比率都滿足的話,說不定在自然界會發生天然核反應,然而他自己都自嘲這是個狂想,天底下哪有那麼多巧合。然而就在1972年,法國工程師法蘭西斯‧佩蘭(Francis Perrin)發現中非加彭共和國歐克洛鈾礦廠(Oklo)進口的鈾礦石,鈾235濃度偏低,低於正常值的0.72%,僅剩0.71%。一般人會認為自然環境本來就略有誤差,可是佩蘭博士就猜測,說不定歐克洛發生過天然核反應。

他進一步研究,發現了在礦層當中出現了核反應的30多種副產品,確定了這個礦層已經反應過了,在20億年之前,因為地質變動,使得2塊以上的鈾礦連結在一起,達到足夠的反應濃度,並且地下水滲入地層裡,成為良好的減速劑,而且地層本身很封閉,是個優秀的反應爐。這似乎告訴我們人類,我們並沒有發明核能反應器,大自然早就幾十億年前就示範過了,我們只是後來的學習者。

文章來源:Everything you need to know about uranium
文章來源:史前核子反應爐

(中時電子報)

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