小身材大能量:淺談「鈾」的開採與應用

鈾是錒系元素中的一種金屬，是一种放射性元素。它也是自然界最重的元素，含有92個質子和92個電子，像每一個比鉛（有82個質子和82個電子）重的元素一樣，鈾不穩定，會逐漸分解，散發出電離輻射粒子。

由於原子中的中子數量不同，自然界存在幾種鈾同位素，分別是鈾-238、鈾-235和鈾-234，其他一些同位素則是人造的。所有鈾同位素都不穩定，但只有一種適合核鏈式反應，即鈾-235。

當鈾-235的原子核被中子擊中時，就會分裂，釋放出能量和更多中子，這些中子會再衝擊其他原子核，從而引發核鏈式反應。正是這種特殊性質，使鈾-235成為核電站、核潛艇和核武器等的理想燃料。

鈾-235核鏈式反應的具體過程如下：

中子：它是不含電荷的亞原子粒子，在反應器裡被引導撞向鈾-235。

碰撞：鈾原子核被中子撞上，就會獲得能量，並變得不穩定。

裂變：鈾原子核分裂成兩部分，形成兩種質量較小的元素，同時釋放出多餘的中子。

質量較小元素：鈾的裂變會生成質量較小的元素，如氪、鋇。

伽馬輻射：裂變反應必定釋放頻率極高的電離伽馬輻射。

蔓延：鈾原子分裂，釋放出2～3個中子，它們會與更多的鈾原子核發生碰撞。

核鏈式反應：鈾原子分裂時產生中子的特性會引起核鏈式反應。

能量：每次裂變，釋放大約2億電子伏特的能量。

鈾的開採

鈾是地殼中常見的元素，廣泛分布於全球各地，其中澳大利亞、哈薩克斯坦和加拿大的儲量最高。

開採鈾的方法主要有三種：一是在露天礦坑裡，通過鑽頭和爆破，找出含鈾礦石，再切割開採；二是在地下礦井裡，找到深埋於地下的鈾礦石；第三種是原地浸出，這是化學採礦的一種方式，它用酸或鹼將礦石中的鈾溶解出來，然後再用泵把溶液輸送到地面進行下一步處理。

由於鈾具有強烈的放射性，開採鈾是一項極其危險的工作。鈾衰變時會產生鐳，而鐳又會衰變產生氡氣。氡氣是致癌的，吸入會增加患肺癌的風險。因此，鈾礦開採區都安裝著先進的通風設備，礦工們也要穿上嚴密的防護服。

自然界存在的鈾同位素，99%以上都是鈾-238，只有約0.7%才是鈾-235，這根本不足以維持核鏈式反應。但是通過濃縮，鈾-235的比例可以增加到約90%。在濃縮的過程中鈾-235首先必須與鈾-238同位素相分離，通常由鈾-六氟化鈾的氣態化合物來完成。濃縮的過程，就是利用這兩種同位素質量之間的微小差異（不到2%），逐漸增加鈾-235的質量。濃縮後的鈾比天然鈾的放射性低，但仍有危害，必須存於封閉儲存庫。