铀是核工业中的最重要的元素之一，要了解核工业，我们首选需要了解有关铀的相关知识。铀是一种非常重的金属，它具有富集的能量，而且在自然界中来源丰富。铀存在于大量岩石中，其含量为百万分之二到四。它如同地壳中的锡、钨和钼一样常见。铀也存在于海水中，可以从海洋中经过提取还原得到。

1789年，德国化学家克拉普罗特从沥青铀矿中分离出铀。它是以八年前发现的天王星命名。

铀是66亿年前由超新星形成，它在太阳系并不常见。铀的缓慢放射性衰变是地球内部热量的主要来源，这些热量使地球产生了对流和大陆飘移。

铀具有密度大的特点，因此它也被用作游艇的龙骨，飞机操作面板的配重，以及辐射屏蔽层。铀的熔点为1132°C，化学符号U。

铀原子

根据原子核质量增加的规则排序，铀是自然界中能找到的最重的元素之一（氢最轻）。铀的密度是水的18.7倍。

与其他元素相似，铀有几种不同的存在形式，这些不同的形式被称为同位素。同位素之间的区别在于它们原子核中不带电的粒子（中子）数量的不同。地壳中天然铀主要有两种同位素：铀238（U-238）含量为93.0%，铀235（U-235）含量大约为0.7%。

其中U-235非常的重要，因为它在一定条件下很容易被分裂，同时释放出大量能量。该过程叫做“裂变”，我们通常用“核裂变”来表述。

同时，与其他所有放射性同位素相同，铀的同位素也会衰变。其中U-238的衰变十分缓慢，它的半衰期大约与地球的年龄相同（45亿年）。这就意味着它几乎没有放射性，而不像其他许多存在于岩石和沙中的同位素。然U-238衰变产热为0.1瓦/吨，足以温暖地核。U-235衰变稍微快一些。

铀原子的能量

U-235原子核由92个质子和143个中子组成（92+143=235）。当U-235原子核捕获一个运动的中子时，它会分裂成两部分（也就是裂变），同时以热能的形式放出能量，并且该过程中会产生两个或三个额外的中子。如果这些中子能引起其他U-235原子核的分裂，并进一部释放出中子，就可以实现裂变的链式反应。当这个过程一遍又一遍的发生，经过数次后，就能从少量的铀中获得大量的热。反应堆中进行的就是这一过程，我们可以将该过程理解为铀的“燃烧”。该过程释放出的热量用来产生蒸气，进一步用于发电。

反应堆内部

在反应堆中，铀燃料以一种特定的方式装配就能实现可控的裂变链式反应。U-235裂变释放的热量用来产生水蒸气，从而驱动涡轮和发电机进行发电。因此，核电站和火电站有许多共同点：它们都需要通过热量来产生水蒸气驱动涡轮机以及发电机。然而，核电站中铀的裂变代替了火电站煤或天然气的燃烧。

反应堆堆芯中的链式反应由控制棒进行控制，控制棒能够吸收中子。通过控制棒的插入或撤回可以让反应堆在所需的功率下运行。

燃料周围包裹着称为慢化剂的物质，它们用来降低反应发射出中子的速度，从而使链式反应继续进行，因为中子速度过快铀核不能捕获到它们。水，石墨和重水等在不同类型的反应堆中充当慢化剂。

由于选用的燃料的特点（例如U-235的丰度低），即使反应堆中发生大的故障导致燃料过热和熔化，都不会像原子弹一样爆炸。

一个典型的1000兆瓦的反应堆足够给一座多达100万人口的现代化城市供电。

铀和钚

U-235是一种易裂变物质，而U-238这是一种可增殖物质。也就是说当U-238捕获一个在堆芯中运动的中子，可以间接转变为可裂变的钚239。Pu-239的性质和U-235非常相似，当它被中子击中时会裂变并且放出大量的能量。

因为反应堆堆芯中具有大量的U-238，所以这些反应经常发生，事实上大约有三分之一的能量来自于Pu-239的“燃烧”。

但是有时候Pu-239捕获到中子后不发生分裂，而是变成了Pu-240。因为Pu-239要么逐步“燃烧”，要么变成Pu-240，所以燃料在反应堆中停留时间越长，其中的Pu-240就越多。（它的意义在于当乏燃料在三年左右的时候移除时，其中含有的钚不适合作武器，但是可以作为燃料进行循环。）

从铀矿到反应堆燃料

根据铀矿的深度，可以采用地下开采和露天开采两种方式对其进行开采。将经过开采后的矿石粉碎，然后通过酸对其中的铀进行溶解，这是一种获得铀的方法。也可以通过地浸法（ISL）开采铀矿，该方法通过对多孔的地下矿体进行地下溶解，然后通过泵将它们抽到地面。

铀矿的开采加工，或者ISL方法得到的最终产品为八氧化三铀。这种状态的铀用于销售。在用于反应堆发电之前，还需经过一系列的处理，生产成为可用的燃料。对于世界上大多数的反应堆来说，下一步是把八氧化三铀转化为气态的六氟化铀，以便用于铀的浓缩。浓缩过程将U-235的丰度由天然丰度0.7%增加到4-5%。这样做有利反应堆的技术效率提高以及操作，特别是对于大的反应堆更有必要，这些反应堆可以使用普通的水作为慢化剂。

经过浓缩后，再将六氟化铀转化为二氧化铀，用来制作燃料芯块，将这些芯块装进薄的金属管中，然后把这些金属管组装成束，做成堆芯的燃料元件或组件。对于那些采用天然铀作为燃料的反应堆（这些反应堆需要石墨或重水作为慢化剂），只需要将八氧化三铀纯化后转化成二氧化铀即可。当铀燃料在反应堆中经过三年左右的时间，就会将使用过的燃料撤出，一部分可以进行燃料循环，一部分则需要埋在地下进行处理。

摘自http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Introduction/What-is-Uranium–How-Does-it-Work-/