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貧鈾
U235含量比天然鈾更低的鈾
貧鈾(depleted uranium ， DU)是鈾濃縮加工成核燃料過程中的副產(chǎn)品，其定義是鈾-235豐度低于0.711%的鈾。貧鈾是放射性重金屬，可發(fā)射α、β和γ射線。貧鈾的放射性主要由具有高線性能量轉(zhuǎn)移( linear energy transfer，LET)能力的α，3粒子構(gòu)成，其輻射強(qiáng)度是天然鈾的40%，放射半衰期長(zhǎng)達(dá)4.49×10年，一般不引起外照射損傷。貧鈾不僅具有放射毒性，更主要是具有化學(xué)（或稱重金屬）毒性。
美國(guó)國(guó)防部定的國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)為U235含量在0.3%以下，而實(shí)際使用的標(biāo)準(zhǔn)是0.20%。貧鈾能大幅提升穿甲強(qiáng)度或裝甲抗度，軍事上常用做貧鈾彈或裝甲板材。
基本信息
| 中文名 | 貧鈾 |
| 外文名 | depleted uranium |
| 定義 | 鈾-235豐度低于0.711%的鈾 |
| 標(biāo)準(zhǔn) | 低于0.711% |
| 軍事上 | 常用做貧鈾彈或裝甲板材 |
| 領(lǐng)域 | 核能、能源 |
| 學(xué)科 | 核化學(xué) |
收起
基本簡(jiǎn)介
自然界中的鈾，含有U238、U235、U234三種同位素，其中有約99.27%的鈾-238，0.72%的鈾-235，及0.0055%的鈾-234，而只有U235才能用于核裂變反應(yīng)，才能作為核武器和核電站燃料，純天然鈾中U235僅占0.72%，U238占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此天然鈾必須加工處理成高含U235的濃縮鈾。獲取濃縮鈾后剩余的鈾，U235含量更低。這種U235含量比天然鈾更低的鈾叫貧鈾。其中鈾-235和鈾-234的濃度大約只有天然鈾的三分之一，放射性則約為天然鈾的60%。也有部分貧鈾通過再處理已使用的核燃料生產(chǎn)，但這類貧鈾會(huì)含有鈾-236。
美國(guó)原子能標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（NRC）將 U235低于0.711%的鈾定為貧鈾，美國(guó)國(guó)防部定的國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)為U235含量在0.3%以下，而實(shí)際使用的標(biāo)準(zhǔn)是0.20%。表1為天然鈾和美國(guó)國(guó)防部使用的貧鈾中各種同位素比率的比較。從表中可以看出，貧鈾中不但 U235含量減少了，U234也大大減少了。
表1.天然鈾和貧鈾的比較 | |||||
重量百分?jǐn)?shù) | 輻射 (貝克勒爾/克) | ||||
U234 | U235 | U236 | U238 | ||
一般天然鈾 （對(duì)輻射能的貢獻(xiàn)率） | 0.0057% （50.7%） | 0.72% （2.2%） | 0% （0%） | 99.28% （47.1%） | 25900 |
美國(guó)國(guó)防部使用的貧鈾 （對(duì)輻射能的貢獻(xiàn)率） | 0.001% （15.6%） | 0.20% （1.1%） | 0.00030% （0.10%） | 99.8% （83.2%） | 14800 |
半衰期（年） | 2.47×10^5 | 7.1×10^8 | 2.4×10^7 | 4.5×10^9 | |
物理化學(xué)性質(zhì)
物理性質(zhì)
鈾的各種同位素都具有放射性，主要是α射線，其中U234的輻射能占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。天然鈾中U234含量雖少，但其輻射能幾乎占全部輻射能的一半。貧鈾也有放射性，由于貧鈾中U234、U235含量減少，因此貧鈾的輻射能僅是天然鈾的60%，雖然弱一些，但并無本質(zhì)減少，貧鈾的輻射能主要是由U238貢獻(xiàn)的。
貧鈾除了具有放射性外，它的金屬性能也是其他金屬不可替代的。它具有高密度、高硬度、高韌性等物理特性。貧鈾的密度高達(dá)19.1g/cm3可以和鎢匹敵，幾乎是鉛的2倍。可做為飛行器的配重塊，或放射線療法及工業(yè)用放射造影器材的屏蔽物，及放射性物質(zhì)使用的貨箱。軍事上則常用做貧鈾彈或裝甲板材，這是因?yàn)?/span>貧鈾能大幅提升穿甲強(qiáng)度或裝甲抗度，并且貧鈾彈在命中后另具有攝氏三千度的高溫?zé)菩Ч?/span>
貧鈾是為生產(chǎn)核反應(yīng)堆和核武器所需加濃鈾而對(duì)天然鈾采取濃縮工藝的副產(chǎn)品。天然鈾中235U 的同位素含量是0. 7% , 與其相比, 貧鈾中235U 的同位素含量耗減到了原含量的大約三分之一, 約為0. 2%。
貧鈾作為金屬, 理論密度為19. 07 g? cm 3(是鉛密度的1. 7 倍)。貧鈾中只存在有微量的234U 以后的衰變產(chǎn)物。這是因?yàn)楹竺嫠械乃プ儺a(chǎn)物在鈾礦石的加工過程中已經(jīng)被分離, 而234U 以后的新衰變產(chǎn)物還沒有來得及生成(234U 的子體230Th 的半衰期長(zhǎng)達(dá)7. 50×104 a)。這樣, 由于貧鈾的污染, 不存在鐳和氡(234U 以后的衰變產(chǎn)物) , 在任何有意義的量生成之前需要幾千年的時(shí)間。貧鈾中的同位素每單位時(shí)間發(fā)射的A輻射的能量和是238U 系處于放射平衡時(shí)每單位時(shí)間發(fā)射的所有A輻射的能量總和的11%。貧鈾發(fā)射的B輻射能量約為總B輻射的42% , C輻射約為總C輻射1. 4%。鈾存在于所有的巖石和土壤中。地殼中238U 的正常活度濃度為5～ 125 Bq/k g (0. 5～ 10ppm , 1 ppm = 1 g?t ) , 235U 的正常活度濃度為0. 2～ 5 Bq/k g。在某些富鈾的巖石類型(如明礬頁巖) 中, 238U 的活度濃度約為600～ 5 000 Bq/kg (50～ 400 ppm )。優(yōu)質(zhì)鈾礦石(1%～ 30% 的鈾) 中的活度濃度為1. 2×103～ 3. 6×106 Bq/kg。純鈾在與其最近的衰變產(chǎn)物處于放射平衡時(shí), 活度濃度為50. 23 ×106 Bq?k g。含238U、235U、234U、234Th、234Pa 和231Th 的貧鈾的活度濃度為39. 42×106 Bq/kg, 即(12. 27+ 0. 16+ 2.29+ 12. 27+ 12. 27+ 0. 16) ×106 Bq/k g。
利用
貧鈾彈
貧鈾穿甲彈穿甲性能很強(qiáng)。一是由于貧鈾密度大，制成相同體積的彈丸時(shí)質(zhì)量大。根據(jù)物理學(xué)原理，在同等火藥的情況下，彈丸獲得的動(dòng)能相同，而一個(gè)物體的動(dòng)量P和動(dòng)能Ek的關(guān)系為EK=P^2/2m，可見彈丸在動(dòng)能相同的情況下，其動(dòng)量和質(zhì)量m的平方根成正比。而根據(jù)物理學(xué)中的動(dòng)量原理，彈丸穿甲時(shí)的平均穿透力F、穿甲時(shí)間和彈丸動(dòng)量P有如下關(guān)系：
Fdt—P…F=P/t=ZmE/t
因此彈丸穿透力和彈丸質(zhì)量平方根成正比，這就是貧鈾穿甲彈為什么穿甲性能很強(qiáng)的主要原因。其次貧鈾的高硬度也是重要因素，又由于鈾易氧化，穿甲時(shí)發(fā)熱燃燒，形成較大的后破壞作用，殺傷乘員及破壞坦克的內(nèi)部設(shè)備。
貧鈾用于彈頭的頂端, 可以穿透裝甲板。也可用于巡航導(dǎo)彈的錐形頭部和坦克的裝甲。貧鈾有許多其他用途, 如用于飛機(jī)和導(dǎo)彈中的配重和壓載、賽艇的龍骨、工業(yè)和醫(yī)用X 射線和伽瑪輻射的屏蔽材料、放射源的運(yùn)輸容器。貧鈾之所以有這些用途, 主要原因之一是它的密度高。貧鈾用于武器, 可使武器極為堅(jiān)硬, 能夠穿透裝甲板。除了密度高之外, 貧鈾用于軍事用途的其他原因還在于它價(jià)格便宜, 可以大量獲取。
貧鈾裝甲
貧鈾活化燃料電池結(jié)構(gòu)與一般燃料電池相同，但電極采用多孔石墨電極，內(nèi)部摻入少量貧鈾，陽極表面沉積一層鉑，陰極表面沉積一層鈀。鉑和鈀是吸收氧，氫的材料，使活化材料附近燃料密度更大催化效率更高。U-238進(jìn)行衰變放出α射線，α射線在空氣中每前進(jìn)1cm就產(chǎn)生幾萬對(duì)離子，因此可使燃料大量電離參與反應(yīng)。
危害介紹
引起貧鈾的有害健康效應(yīng)。貧鈾的比活度低(39. 4 kBq/g ) , 可以認(rèn)為是“僅有弱放射性”。盡管如此, 按線性劑量響應(yīng)關(guān)系, 必須認(rèn)為貧鈾的照射具有潛在的癌癥危險(xiǎn), 雖然其水平要比環(huán)境中的其他許多來自天然源和人工源的放射性物質(zhì)要低。
食入或吸入的鈾及其化學(xué)毒性可以引起有害的健康效應(yīng)。與放射效應(yīng)相比, 化學(xué)效應(yīng)通常是主要的。關(guān)于攝入鈾引起人體有害效應(yīng)的報(bào)道并不多見。幾乎沒有人攝入了攝入量大得足以引起有害效應(yīng)的鈾。因之, 關(guān)于鈾的攝入量的可能健康效應(yīng)的資料主要取自于與人類有類似消化系統(tǒng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn), 這些動(dòng)物包括大白鼠、犬、豬和猴, 但不包括兔子和反芻動(dòng)物。
一般可以得出這樣的結(jié)論: 可溶性鈾化合物的化學(xué)毒性大于不可溶性的。這種毒性主要導(dǎo)致腎損傷。腎功能的損傷與暴露程度有關(guān), 在攝入幾天后發(fā)生。這些效往往在停止暴露后消失, 但腎的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)不再恢復(fù)正常。
海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后, 伊拉克一篇關(guān)于貧鈾的報(bào)道猜測(cè)伊拉克目前的健康和環(huán)境效應(yīng)與貧鈾有一些聯(lián)系。報(bào)道指出, 某些癌癥的發(fā)生率增加了，包括兒童白血病。報(bào)道還指出先天性畸形和免疫系統(tǒng)疾病也增加了。數(shù)千名參加過海灣戰(zhàn)爭(zhēng)的美、加、英士兵事后宣稱患有多種不適癥狀, 一般稱之為“海灣戰(zhàn)爭(zhēng)綜合癥”。這些退伍老兵曾暴露于各種各樣的損壞性或潛在損壞性危險(xiǎn)因素之下, 包括環(huán)境不適、殺蟲劑如有機(jī)磷酸脂化學(xué)藥劑、皮膚昆蟲防護(hù)劑、醫(yī)學(xué)藥品如乙嘧啶溴化物(NA PS)、低水平化學(xué)戰(zhàn)藥劑、多種接種疫苗和貧鈾。總之, 今天的研究已經(jīng)表明許多患有“海灣戰(zhàn)爭(zhēng)綜合癥”的老兵曾暴露于許多物質(zhì)之下。貧鈾是否起著“海灣戰(zhàn)爭(zhēng)綜合癥”藥劑的作用, 仍在討論之中。
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尚可名片
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