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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，其輻射強度是天然鈾的40%，放射半衰期長達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（或稱重金屬）毒性。
美國國防部定的國防部標準為U235含量在0.3%以下，而實際使用的標準是0.20%。貧鈾能大幅提升穿甲強度或裝甲抗度，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 |
| 標準 | 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 |
| 學科 | 核化學 |
收起
基本簡介
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，才能作為核武器和核電站燃料，純天然鈾中U235僅占0.72%，U238占絕對優(yōu)勢，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)，但這類貧鈾會含有鈾-236。
美國原子能標準委員會（NRC）將 U235低于0.711%的鈾定為貧鈾，美國國防部定的國防部標準為U235含量在0.3%以下，而實際使用的標準是0.20%。表1為天然鈾和美國國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 | |||||
重量百分數(shù) | 輻射 (貝克勒爾/克) | ||||
U234 | U235 | U236 | U238 | ||
一般天然鈾 （對輻射能的貢獻率） | 0.0057% （50.7%） | 0.72% （2.2%） | 0% （0%） | 99.28% （47.1%） | 25900 |
美國國防部使用的貧鈾 （對輻射能的貢獻率） | 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的輻射能占絕對優(yōu)勢。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，這是因為貧鈾能大幅提升穿甲強度或裝甲抗度，并且貧鈾彈在命中后另具有攝氏三千度的高溫燒灼效果。
貧鈾是為生產(chǎn)核反應堆和核武器所需加濃鈾而對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。這是因為后面所有的衰變產(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 的半衰期長達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間。貧鈾中的同位素每單位時間發(fā)射的A輻射的能量和是238U 系處于放射平衡時每單位時間發(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, 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。一是由于貧鈾密度大，制成相同體積的彈丸時質(zhì)量大。根據(jù)物理學原理，在同等火藥的情況下，彈丸獲得的動能相同，而一個物體的動量P和動能Ek的關(guān)系為EK=P^2/2m，可見彈丸在動能相同的情況下，其動量和質(zhì)量m的平方根成正比。而根據(jù)物理學中的動量原理，彈丸穿甲時的平均穿透力F、穿甲時間和彈丸動量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, 如用于飛機和導彈中的配重和壓載、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進行衰變放出α射線，α射線在空氣中每前進1cm就產(chǎn)生幾萬對離子，因此可使燃料大量電離參與反應。
危害介紹
引起貧鈾的有害健康效應。貧鈾的比活度低(39. 4 kBq/g ) , 可以認為是“僅有弱放射性”。盡管如此, 按線性劑量響應關(guān)系, 必須認為貧鈾的照射具有潛在的癌癥危險, 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毒性可以引起有害的健康效應。與放射效應相比, 化學效應通常是主要的。關(guān)于攝入鈾引起人體有害效應的報道并不多見。幾乎沒有人攝入了攝入量大得足以引起有害效應的鈾。因之, 關(guān)于鈾的攝入量的可能健康效應的資料主要取自于與人類有類似消化系統(tǒng)的動物實驗, 這些動物包括大白鼠、犬、豬和猴, 但不包括兔子和反芻動物。
一般可以得出這樣的結(jié)論: 可溶性鈾化合物的化學毒性大于不可溶性的。這種毒性主要導致腎損傷。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)學結(jié)構(gòu)不再恢復正常。
海灣戰(zhàn)爭后, 伊拉克一篇關(guān)于貧鈾的報道猜測伊拉克目前的健康和環(huán)境效應與貧鈾有一些聯(lián)系。報道指出, 某些癌癥的發(fā)生率增加了，包括兒童白血病。報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因素之下, 包括環(huán)境不適、殺蟲劑如有機磷酸脂化學藥劑、皮膚昆蟲防護劑、醫(yī)學藥品如乙嘧啶溴化物(NA PS)、低水平化學戰(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)爭綜合癥”藥劑的作用, 仍在討論之中。
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