2025年6月13日，以色列以“消除伊朗核威胁”为目标，对伊朗核设施及军事指挥体系发动了系统性打击。这场“12天攻防战”的发起缘由在于伊朗核问题，即“浓缩铀”问题。那么，什么是浓缩铀？浓缩铀有哪些用途？浓缩铀与核武器有什么关系？回答这些问题，我们要从铀矿石到核燃料的蜕变史说起。

美丽铀矿里的危险核素

铀矿是以铀为基本组分的矿物，是铀元素在地壳中存在的重要形式。天然铀在地壳中的含量约为百万分之二点五。作为一种稀有元素，这样的分布水平并不低，但铀在各种岩石中的含量差距巨大，并且总是以化合物状态存在，因此很难找到铀的单质。

天然铀主要由铀-238、铀-235和铀-234三个同位素组成，半衰期分别为45亿年、7亿年和 27万年。其中，铀-238是天然铀中最主要的同位素；铀-235 的含量虽然较少，却是建造核反应堆和生产核武器的关键原料。

目前，世界上已发现的铀矿物和含铀矿物约500种，具有工业开采价值的只有20多种。最重要的铀矿物包括沥青铀矿（主要成分为八L0mEVZ0I5l2gD48eueeJcA==氧化三铀）、品质铀矿（主要成分为二氧化铀）、铀石和铀黑等。这些铀矿物大多为黄色、绿色或黄绿色，有些在紫外线的作用下还能发出强烈的荧光，神秘又美丽。铀矿物的这种荧光特性也曾为放射现象的发现提供了线索。

中国的铀矿资源比较丰富，主要分布于广东、湖南、江西、新疆、内蒙古等省（区）。近年来，随着勘探技术的进步，一些新的铀矿资源相继被发现。特别是鄂尔多斯盆地泾川地区特大型铀矿的发现，无疑是我国在铀矿勘探方面取得的一项重大技术突破，必将为我国的核工业发展提供更加坚实的铀资源保障。

铀的发现与早期应用

人类使用天然含铀化合物的历史非常悠久，甚至可以追溯到公元79年。据悉，英国考古学家在挖掘古罗马帝国遗址时发现了一种色彩斑斓的玻璃状壁饰。经鉴定，该玻璃状壁饰中含有含量大于1%的氧化铀，考古学家推断应为人为添加。那么，添加这种氧化铀有什么作用呢？原来，这种氧化铀是一种重要的玻璃着色剂，能让玻璃制品呈现鲜艳的颜色，而且由于部分铀具有独特的荧光性质，更使得这些玻璃制品充满了神秘感。

1789年，德国化学家M.H.克拉普罗特首次从沥青铀矿中发现铀（实际是铀的氧化物）。当时，克拉普罗特在柏林实验室中用硝酸溶解沥青铀矿，然后用氢氧化钠进行中和，进而分离出了一种黄色化合物；对这种化合物进行加热后，又得到了一种黑色粉末。克拉普罗特认为这是一种新元素的氧化物，于是将其命名为“Uranit”，该名字源于天王星的名字“Uranus”。一年后，这种元素被正式命名为“Uranium”，化学符号为U。

1841年，法国化学家E.-M.佩利戈特通过加热四氯化铀和金属钾，然后对其进行分离，得到了真正的金属铀。当时，人们并未发现铀的放射性。1896年，法国物理学家亨利·贝可勒尔在研究铀矿物时发现一种肉眼不可见的神秘射线，这种射线能使摄影底片感光。两年后，居里夫人通过实验证明了含铀化合物具有放射性，从而揭开了铀的放射性本质，开启了核科学的新纪元。

核裂变“双刃剑”效应

铀的真正价值于1938年被发现。当时，德国放射化学家奥托·哈恩和物理化学家斯特拉斯曼发现了铀原子核裂变现象。核裂变是一个重原子核分裂成两个（或更多）中等质量碎片的现象，多在外来粒子（最常见的是中子）轰击下产生。重原子核裂变时不但能释放出巨大的能量，还能再释放出几个中子。既然中子能引发核裂变，核裂变又能产生更多中子，因此可以通过链式反应让重原子核持续释放能量。这就找到了大规模利用核能的途径。

核裂变开启了核能利用的新途径，也带来了核武器的威胁。铀-235裂变时释放的能量十分巨大：1千克铀-235全部裂变释放的能量相当于2700吨煤炭燃烧的能量；若用于核武器，则相当于4万吨TNT（三硝基甲苯）炸药的威力。相比之下，铀-238虽然占天然铀的绝大部分，但由于其无法引发核裂变，因此在核反应堆建造和核武器生产中并不直接作为燃料使用。

二战期间，铀作为战略物资受到严格管控。比如在美国，所有的铀仅限于研制核武器之需，这也让美国的铀玻璃及其制品基本消失。

1945年，美军在日本投下了两枚原子弹——“小男孩”和“胖子”，这两枚原子弹就是利用了铀-235和钚-239的核裂变，造成了巨大的破坏。“小男孩”是一枚铀弹，装载了64千克浓缩铀，但由于枪式原子弹的质能转换效率较低，最后只有不到1千克的铀-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。“胖子”是一枚钚弹，体积比“小男孩”大一些，外形更加圆润。“胖子”以6.2千克钚-239作为核装药，采用内爆式结构，爆炸当量更大，相当于2.1万吨TNT炸药的威力。这两颗原子弹的投掷不仅改变了二战的进程，也深刻影响了全球政治格局。

核裂变是一把“双刃剑”，既可以用于战争，也可以造福人类。通过人为控制核裂变链式反应的速度和规模，人们可以从原子核中获取巨大能量。1942年12月，美国建成的世界第一座核反应堆验证了可控核裂变链式反应的可行性。1954年6月，苏联的奥布宁斯克核电站投入运行，这是世界上第一座核电站，标志着核电时代的到来。核能的和平利用为人类提供了一种高效、清洁的能源选择，尤其是在应对全球气候变化和能源短缺的背景下，核能的重要性日益凸显。

铀矿的开采与“黄饼”的制备

从铀矿中提取铀需要经过一系列复杂的工艺，包括探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼、分离、浓缩等。传统的铀矿开采方法是将矿石破碎、研磨成浆液，再用硫酸浸取铀。这种方法虽然简单，但效率较低，且对环境的破坏较大。现在多采用“原地浸出法”，即通过钻孔注入浸取液，将铀浸出并提升至地面。这种方法不仅简化了操作流程，还能减少对环境的破坏。

经过分离、纯化、沉淀、过滤、干燥等操作后，可得到一种较为纯净的铀初级产品。因呈现黄色且常被加工成饼状，这种铀初级产品也被称为“黄饼”。“黄饼”的主要成分为重铀酸铵或重铀酸钠，铀含量为40%～70% 。在不同温度下煅烧“黄饼”，可分别制得三氧化铀和八氧化三铀；还可在氢气氛围中直接将“黄饼”分解还原为二氧化铀。

作为铀纯化精制和转化工艺中的重要中间产品，“黄饼”的状态相对稳定，只需要采取基本的辐射防护措施就不会对人体造成危害，因此，人们常使用“黄饼”来对铀化合物进行储存、运输和交易。目前，几乎所有开采铀矿的国家都可以生产“黄饼”，这为全球核燃料市场的供应提供了基础保障。

不过，因为“黄饼”中的铀-235的同位素丰度很低，难以维持链式反应的进行，所以，“黄饼”一般只是用于提炼浓缩铀，并不能直接用于建造核反应堆或生产核武器。

铀浓缩：走向应用的关键步骤

同位素丰度是以原子百分数表示的地壳中某种元素各同位素的相对含量。比如，氧有3个同位素——氧-16、氧-17和氧-18，它们的同位素丰度分别为 99.76% 、0.04%和0.20%。铀有14个同位素，其中11个是人工同位素，3个是天然同位素。铀的3个天然同位素是铀-238、铀-235和铀-234，它们的同位素丰度分别为99.274%、0.720%和0.006%。

作为一种易裂变核素，铀-235在热中子的轰击下会发生核裂变反应，能够释放巨大的能量，因此成为建造核反应堆和生产核武器的关键原料。但铀-235的丰度仅为0.720%，想要成为核燃料，就需要提高铀-235的丰度，即进行铀浓缩。

根据浓缩程度，浓缩铀可分为低浓缩铀和高浓缩铀。核电厂轻水堆燃料通常使用低浓缩铀，铀-235的丰度为3%～5%；核武器装料则需要使用高浓缩铀，铀-235丰度要在80%以上，甚至超过90%。那么，如何才能提高铀-235的丰度呢？

铀浓缩的关键在于分离铀-238和铀-235。这两个同位素的原子核都含有92个质子，化学性质基本相同，唯一不同的是铀-238比铀-235多3个中子，因而两者的质量存在微弱差别，这也成为分离两者的技术突破口。

目前，商业化程度较高的铀浓缩技术为离心分离技术，该技术依据的正是铀-238和铀-235之间存在的微弱质量差。

“黄饼”难以溶于水， 但可以与氢氟酸发生反应生成六氟化铀（UF₆）。六氟化铀是一种既稳定又具有高挥发性的铀化合物。在标准状况下，六氟化铀为灰色晶体，具有强毒性，可与水发生剧烈反应，能腐蚀大多数金属。它与铝的反应比较温和，在铝的表面可形成一层致密的氟化铝薄膜，以阻止反应的进一步发生。

一般情况下，先将铀氧化物转化为四氟化铀，再将四氟化铀通过高温氟化转化为六氟化铀。对于铀浓缩而言，将固态铀氧化物转化成气态六氟化铀是一种十分有效的方法。在气态六氟化铀中，含有铀-235的六氟化铀（²³⁵UF₆）比含有铀-238的六氟化铀（²³⁸UF₆）轻了0.852%，因此，将六氟化铀注入气体离心机之后，稍重的²³⁸UF₆就被甩到靠外壁的地方，稍轻的²³⁵UF₆则被聚集在靠近转轴的地方。这样一来，人们就可以把靠近转轴的²³⁵UF₆抽出来，然后输入到下一台离心机中，以得到浓度更高的²³⁵UF_6……如此不断循环，直至铀-235达到目标丰度。

世界之所以关注浓缩铀，是因为铀-235的丰度决定了浓缩铀的应用领域。每一次离心分离，都是一次分离铀-238和提升铀-235丰度的过程；多级离心分离则是一步步提升铀-235丰度的循环过程。作为铀浓缩技术的核心装备之一，气体离心机的先进性以及装备数量直接反映了一个国家的核工业技术水平。

核反应堆的“心脏”

核电厂轻水堆燃料中铀-235的丰度为3%～5%，那是不是把铀-235的丰度提高到这个水平后就可以装炉发电了呢？并非如此。达到目标丰度后，六氟化铀需要先通过还原反应转化为粉末状的二氧化铀；然后，二氧化铀粉末会被压制成小的圆柱体，并烧结成陶瓷芯块，再装入锆合金制成的包壳管之中，这样一根根细长的燃料棒就制成了；把这些燃料棒按照一定规则组装成核燃料组件后，才可以用于核能发电。

核燃料组件是核反应堆的“心脏”，主要负责维持反应堆的链式反应并产生裂变热能。核裂变产生的放射性物质有超过98%会滞留在陶瓷燃料芯块中，这些燃料芯块又被密封在锆合金包壳内。因此，燃料芯块必须能够经受高温和辐射环境的考验，并且要求锆合金包壳管不仅要具备高强度和耐腐蚀性，还要防止裂变产物和放射性物质泄漏到反应堆冷却剂中。此外，燃料棒的排列方式和组件的结构设计也会影响反应堆的热工性能和中子经济性。

核燃料组件的安全性是核反应堆安全运行的关键。现代核燃料组件的设计采用了多层安全屏障，这些屏障共同构成了核反应堆的纵深防御体系，极大提高了核电站的安全性。

核能的未来充满了挑战和机遇。一方面，随着第四代核电技术的发展和国际合作的加强，核能有望在应对全球气候变化和能源短缺方面发挥更大作用；另一方面，核能的安全性、核废料处理和核扩散问题仍然是公众关注的焦点。核能的开发与利用需要在技术创新、安全管理和国际合作之间找到平衡，这样才能实现核能的可持续发展。

[责任编辑]谌燕