核电站换下的核燃料有放射性吗 核电站的燃料会发生爆炸吗

近些年来核问题反复被炒热，成为公众关注的焦点。那么，铀是什么东西？它为什么这么重要？铀是怎么提取和浓缩的？核燃料会发生爆炸吗？今天我们就来讨论这些问题。

铀是一种放射性元素，它的原子核里有92个质子，核外有92个电子。但是铀的中子数量并不固定，有的有146个中子，92 146=238，因此这种铀被称为铀-238（²³⁸U），在地球上它是铀最多的同位素，大约占到99.274%；还有的铀原子核里只有143个中子，比铀-238少3个中子，这种铀同位素就是大名鼎鼎的铀-235（²³⁵U）了。

一块提纯的金属铀

由于核内中子数量太多，铀的原子核都不稳定，它们会自发衰变成更轻的元素，同时释放出α粒子，因此铀具有放射性。相比之下，铀-238更稳定一些，它的半衰期是44.7亿年，跟地球的年龄差不多；铀-235的半衰期为7.04 亿年。铀的半衰期非常长，它释放的α粒子又很容易被阻挡，因此戴着手套接触铀是安全的，事实上你就算是把一小块纯铀放进普通信封里也不会有什么危险，它是热的，可以充当暖宝宝。

之前有科学家徒手去捡（掰）金属铀球的故事，事实上那是因为科学家知道阿尔法粒子不能穿透皮肤，他的健康是有保障的，但如果让几颗金属铀球聚在一起就容易发生意外核爆。

链式反应

铀-235的一个特点就是它受到中子轰击后容易发生裂变，这会使它变得非常危险。当受到一个慢中子（热中子）轰击时，铀-235的原子核会因为突然多出来一个中子而分裂成两个较小的核——141Ba和92Kr，同时向外释放3个中子和强大的能量；若这3个中子又被附近其它的铀-235核吸收，就会引发链式反应，也就是我们常说的核爆炸。

1945年8月6日，美国飞机在日本广岛上空扔了一枚绰号叫“小男孩”的炸弹，它中间装了64千克浓缩铀，其中大约不到1千克铀-235发生了链式反应，爆炸当量相当于1.5万吨TNT炸药，直接导致6.6万人死亡。

“小男孩”在广岛

除了拿来制造原子弹，铀还可以用来发电。一块铀到底是可以造原子弹还是用作核电站的燃料棒，与其中铀-235的浓度（丰度）密切相关。

理论上，需要52千克纯的铀-235裸球（直径17厘米）才能引发链式反应，因为质量决定了其激发产生的中子数量，这被称为核爆炸的临界质量。随着核武器设计越来越先进，比如用更好的中子反射层，只需要几千克的浓缩铀就可以产生核爆炸，这也为核武器小型化创造了条件。

中子反射层可以降低临界质量

若核材料中铀-235的浓度比较低，它就不容易发生核爆炸那样不受控制的链式反应，同时有相当一部分核裂变发射出来的中子被慢化剂慢化、被控制棒吸收掉了。当有足够多的铀-235原子核发生裂变，又不至于达到核爆炸的临界值，我们就可以将它散发的热量收集起来（慢化剂同时又是冷却剂，用于与外部热交换），也就是烧开水，再利用水蒸气推动蒸汽轮机发电。

铀-235用于核发电

在大多数核反应堆（轻水堆）所需要的染料棒里，铀-235的浓度通常在3.5%~4.5%之间，其它大多是铀-238。我们知道在自然界铀矿中99%以上都是铀238，它可以吸收中子变成铀-239，但要引发它裂变需要极高的能量，所以被称为贫铀。铀-235在自然界的丰度只有0.72%，为了获得更高丰度的铀-235，我们就需要将它与铀-238分离出来，这就是大家常听说的铀浓缩。

铀元素是天然存在的，它大多产生于超新星内部，当两颗中子星相撞时也会产生铀。还有一些铀是由更重的放射性元素衰变生成的，例如242Pu衰变生成²³⁸U，247Cm衰变后生成²³⁵U。

在地球上，铀基本以氧化物的形式存在于铀矿石中，其中主要是二氧化铀（UO₂）、三氧化铀（UO₃）和微量的过氧化铀（U₃O₈）。

矿石被采集后，经过破碎、酸碱处理、过滤等一系列工序后生成U₃O₈，俗称"黄饼"或“黄蛋糕”，再把它加工成UO₂就成为加压重水反应堆的核燃料。

“黄饼”

大多数核反应堆无法使用黄饼发电，必须要从中提取出铀-235来。通过将U₃O₈与氟反应生成六氟化铀（UF₆）气体，再将UF₆经过高速离心机一点一点分离出含有铀-235的UF₆气体，从而生产出含铀-235达20%的浓缩铀，这足以满足在大多数核反应堆的需要。

六氟化铀的分子结构

这需要从两方面看，在参与到核裂变之前，无论是原子弹里的武器级浓缩铀（浓度85%以上）还是核电站燃料棒里的低浓缩铀（浓度20%以下）都是安全的，它们释放的α粒子（氦原子核）穿透力很低，β粒子（高能电子）又极少，所以你可以戴手套把它拿在手上端详。需要注意的是，任何情况下吸入α粒子都是危险的。

工作人员在安装前检查核燃料棒

铀-235的裂变需要外部中子的激发，这些中子携带着能量，当能量的大小足够时（1~2MeV），铀-235就会裂变并释放出三个的中子与更强大能量（200MeV），中子可以轻易地致命。铀-235裂变的产物同样具有强烈的放射性，当人吸入这些物质后会破坏DNA，进而导致各脏器衰竭。

核电站的燃料棒不会像原子弹那样发生核爆炸，这是由其中铀-235的浓度决定的。核爆炸的前提是中子引起的连锁反应，它需要铀-235的原子达到一定的密度，或者拥有相当的总质量。根据计算，一个浓度为20%的铀金属球，其质量需要达到400千克才有可能爆炸，而5%以下浓度发生爆炸的可能性接近0。

只有当铀达到相当浓度、超过其临界质量，并且有合适能量的中子轰击，核材料才会有爆炸的危险。

日本福岛核电站氢气爆炸引发放射性物质扩散

铀是放射性物质，它产生于超新星内部，并且广泛分布在地球表面。在地球上，铀的含量比我们熟知的许多金属比如锡、汞或银都要多得多。

铀-235受中子轰击后会发生裂变，同时释放巨大能量，人们利用它来制造核武器，也通过控制这种裂变的过程来进行核能发电。

自然界中的铀-235浓度极低，需要经过极其复杂的提纯工序才能得到浓缩铀，5%以下的低浓度铀就可以发电。核燃料棒总体上是安全的，因为制造核武器至少需要20%以上浓度，这只有极少国家才能做到。