人人需知的關於鈾的一切

鈾礦石、黃餅與燃料丸，鈾元素的加工過程。(圖/網路)

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，已成爲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？

大衆科學(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，就需要丰度較高的礦牀，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，使其成爲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，不過它的丰度比鈾還要高，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，因此釷成爲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，因此暱稱爲「黃餅」。黃餅不算太貴，1磅(0.45公斤)的黃餅只需20~30美元(約臺幣600~900元)，但是黃餅不能做爲能源，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，也就可以成爲核電廠的燃料。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、足夠的水做爲減速劑，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%。一般人會認爲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，因爲地質變動，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，成爲良好的減速劑，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。