第一章铀钍钚原子结构

1、核燃料化学核燃料化学 主要内容主要内容一、铀、钍、钚的原子结构及核性质一、铀、钍、钚的原子结构及核性质二、铀、钍、钚的络合物化学二、铀、钍、钚的络合物化学三、铀、钍、钚的氧化与还原反应三、铀、钍、钚的氧化与还原反应四、水解、聚合与沉淀反应四、水解、聚合与沉淀反应五、铀、钍、钚的萃取化学五、铀、钍、钚的萃取化学六、离子交换反应六、离子交换反应七、金属，氧化物与氟化物化学七、金属，氧化物与氟化物化学第一章第一章 铀钍钚的原子结构及性质铀钍钚的原子结构及性质内容内容：一、原子结构一、原子结构锕系理论锕系理论锕系元素电子结构锕系元素电子结构二、铀钍钚在自然界中的存在及其核性质二、铀钍钚在自然界中的存在

2、及其核性质铀钍钚铀钍钚铀钍放射系铀钍放射系绪：绪： 锕系元素的发现：锕系元素的发现：U-1789，Th-1826，Ac-1899,Pu-1940,超铀元素，铹超铀元素，铹-1961. 锕系元素化学的发展：锕系元素化学的发展：1939年核裂变的年核裂变的发现，中子辐照天然发现，中子辐照天然U 产生产生Np,Pu之后。之后。 在发现超铀元素之前，锕列在在发现超铀元素之前，锕列在 B B族，钍、族，钍、镤、铀分别列在镤、铀分别列在BB、BB、BB族，最稳定氧化族，最稳定氧化态一致。态一致。1 1原子结构原子结构1.11.1锕系理论锕系理论但这样排列有许多但这样排列有许多矛盾矛盾之处：之处：（1）金属

3、的比重和熔点；）金属的比重和熔点；（2）U,Th矿在自然界的分布；矿在自然界的分布；（3）从结晶学看；）从结晶学看；（4）U，Th可生成可生成UH3,ThH3，与镧系氢，与镧系氢化物相似。化物相似。 随着超铀元素的发现，矛盾更加突出。随着超铀元素的发现，矛盾更加突出。如如鎿鎿、钚与铼、锇性质明显不同，而与铀、钚与铼、锇性质明显不同，而与铀相似。锕系元素的相似性表现出来。相似。锕系元素的相似性表现出来。 1945 1945年，美国化学家年，美国化学家西博格西博格等提出等提出从锕开始存在一个与第六周期的镧系相对应从锕开始存在一个与第六周期的镧系相对应的的锕系理论锕系理论。并预言了当时尚未发现的锕系

4、。并预言了当时尚未发现的锕系元素的性质。其后锕系元素的全部发现以及元素的性质。其后锕系元素的全部发现以及由实验测得的性质均和锕系理论的预言较为由实验测得的性质均和锕系理论的预言较为符合，接着又发现符合，接着又发现104104和和105105号元素，其性质号元素，其性质分别与分别与 BB和和BB族的铪和钽相似，至此就完族的铪和钽相似，至此就完全证实了锕系理论的正确性。全证实了锕系理论的正确性。 锕系理论锕系理论：周期表第七周期中，自：周期表第七周期中，自8989号元号元素锕至素锕至103103号元素铹的号元素铹的1515个元素，因原子个元素，因原子结构和性质都十分相似，故列为一个系列结构和性质都

5、十分相似，故列为一个系列而排入第三副族而排入第三副族(B)(B)的理论。的理论。镧系镧系元素元素57镧 La58铈 Ce59镨 Pr60钕 Nd61*钷 Pm62钐 Sm63铕 Eu64钆 Gd65铽 Tb66镝 Dy67钬 Ho68铒 Er69铥 Tm70镱 Yb71镥 Lu* 锕系锕系元素元素89锕 Ac90钍 Th91镤 Pa92铀 U93*镎 Np94*钚 Pu95*镅 Am96*锔 Cm97*锫 Bk98*锎 Cf99*锿 Es100*镄 Fm101*钔 Md102*锘 No103*铹 Lr电子构型原子序数 元素 符号 价电子层结57 镧 La 4f0 5d1 6s2 58 铈Ce

6、4f1 5d1 6s2 59 镨Pr 4f3 6s2 60 钕Nd 4f4 6s2 61 钷Pm 4f5 6s2 镧系元素镧系元素价电子构型通式：价电子构型通式：4f0-144f0-14，5d0-15d0-1，6s2 6s2 1.21.2电子结构和氧化态电子结构和氧化态62 钐Sm 4f6 6s2 63 铕Eu 4f7 6s2 64 钆Gd 4f7 5d1 6s2 65 铽Tb 4f9 6s2 66 镝Dy 4f10 6s2 67 钬Ho 4f11 6s2 68 铒Er 4f12 6s2 69 铥Tm 4f13 6s2 70 镱Yb 4f14 6s2 71 镥Lu 4f14 5d1 6s2 氧

7、化态氧化态 +III+III氧化态是所有镧系元素的特征氧化氧化态是所有镧系元素的特征氧化态。它们失去三个电子所需的电离势较低，态。它们失去三个电子所需的电离势较低，即能形成稳定的即能形成稳定的+III+III氧化态。但也存在一些氧化态。但也存在一些不常见的氧化态。有些虽然也有不常见的氧化态。有些虽然也有+II+II或或+IV+IV氧氧化态，但都不稳定。化态，但都不稳定。镧系元素的原子半径和离子半径随着原子序数镧系元素的原子半径和离子半径随着原子序数的增加而逐渐减小的现象称为的增加而逐渐减小的现象称为镧系收缩镧系收缩。1 1、电子构型、电子构型原子序数原子序数元素元素 符号符号 价电子层结构价电

8、子层结构 89 89 锕锕Ac Ac 5f0 6d1 7s2 5f0 6d1 7s2 90 90 钍钍Th Th 5f0 6d2 7s2 5f0 6d2 7s2 91 91 镤镤Pa Pa 5f2 6d1 7s2 5f2 6d1 7s2 92 92 铀铀U U 5f3 6d1 7s2 5f3 6d1 7s2 93 93 镎镎Np Np 5f4 6d1 7s2 5f4 6d1 7s2 95 95 钚钚Pu Pu 5f6 7s2 5f6 7s2 锕系元素的通性锕系元素的通性价电子构型：价电子构型：5f0-145f0-14，6d0-26d0-2，7s27s295 95 镅镅Am Am 5f7 7s2

9、 5f7 7s2 97 97 锔锔Cm Cm 5f7 6d1 7s2 5f7 6d1 7s2 97 97 锫锫Bk Bk 5f9 7s2 5f9 7s2 98 98 锎锎Cf Cf 5f10 7s2 5f10 7s2 99 99 锿锿Es Es 5f11 7s2 5f11 7s2 100 100 镄镄Fm Fm 5f12 7s2 5f12 7s2 101 101 钔钔Md Md 5f13 7s2 5f13 7s2 102 102 锘锘No No 5f14 7s2 5f14 7s2 103 103 铹铹Lr Lr 5f14 6d1 7s2 5f14 6d1 7s2 锕系镧系电子构型比较锕系镧系电

10、子构型比较氧化态原子序数氧化态原子序数 元素元素 符号符号 氧化态氧化态89 89 锕锕Ac Ac +3+3 90 90 钍钍Th Th +3 +3 +4+4 91 91 镤镤Pa Pa +3 +4 +3 +4 +5+5 92 92 铀铀U U +3 +4 +5 +3 +4 +5 +6+6 93 93 镎镎Np Np +3 +4 +3 +4 +5+5 +6 +7 +6 +7 95 95 钚钚Pu Pu +3 +3 +4+4 +5 +6 +7 +5 +6 +7 95 95 镅镅Am Am +2 +2 +3+3 +4 +5 +6 +4 +5 +6 96 96 锔锔Cm Cm +3+3 +4 +4

11、97 97 锫锫Bk Bk +3+3 +4 +4 98 98 锎锎Cf Cf +2 +3 +2 +3 99 99 锿锿Es Es +2 +3 +2 +3 100 100 镄镄Fm Fm +2 +3 +2 +3 101 101 钔钔Md Md +2 +3 +2 +3 102 102 锘锘No No +2 +3 +2 +3 103 103 铹铹Lr Lr +3 +3 氧化态氧化态 从从AcAc到到LrLr原子半径和离子半径随着有效原子半径和离子半径随着有效核电核逐渐增加而减小，这种现象称为核电核逐渐增加而减小，这种现象称为锕系锕系收缩收缩。但锕系收缩一般比镧系收缩得大一些，。但锕系收缩一般比镧系收

12、缩得大一些，尤其是前几个元素（尤其是前几个元素（AcAc、ThTh、PaPa、U U）更为）更为显著。显著。 锕系元素原子结构的特点是：锕以后的锕系元素原子结构的特点是：锕以后的元素电子依次填充元素电子依次填充5f5f内电子层，它们的最外内电子层，它们的最外层的电子构型基本相同，使锕系元素之间的层的电子构型基本相同，使锕系元素之间的性质非常相似。性质非常相似。 锕系元素原子的价电子层结构与镧锕系元素原子的价电子层结构与镧系十分相似，锕系元素的电子构型系十分相似，锕系元素的电子构型5f0-145f0-14、6d0-26d0-2、7s27s2，而镧系为，而镧系为4f0-144f0-14、5d0-1

13、5d0-1、6s26s2。它们的主要差别是。它们的主要差别是5f5f和和6d6d的能量更的能量更接近，而接近，而4f4f和和5d5d的能量则相差较大。使锕的能量则相差较大。使锕系元素中前面的元素原子（从系元素中前面的元素原子（从ThNpThNp）具）具有保持有保持d d电子的强烈倾向，而电子的强烈倾向，而NpNp以后的锕以后的锕系元素的价电子层结构与镧系元素相似。系元素的价电子层结构与镧系元素相似。镧素镧素元素的特征氧化态是元素的特征氧化态是+3.+3.锕系锕系中前面一部分元素存在多种氧化态，中前面一部分元素存在多种氧化态，Bk(Bk(锫锫) )之后之后的元素，稳定的氧态是的元素，稳定的氧态是

14、+3+3。这是因为在锕系中的前面。这是因为在锕系中的前面元素元素AcNpAcNp，在成键过程中比较容易地使用，在成键过程中比较容易地使用5f5f电子，电子，因而可以给出因而可以给出7s7s、6s6s和和5f5f电子，呈现最高氧化态。并电子，呈现最高氧化态。并象第一过渡系元素一样，锕系元素当达到最高象第一过渡系元素一样，锕系元素当达到最高+7+7氧化氧化态（态（Np7+Np7+）后，便表现为氧化态降低。这说明它们使）后，便表现为氧化态降低。这说明它们使用用5f5f电子变得越来越困难。如电子变得越来越困难。如CmCm和和BkBk（锫）锫）的最高氧的最高氧化态是化态是+4+4，其后的元素实际上只有，

15、其后的元素实际上只有+2+2和和+3+3。锕系性质总结：锕系性质总结：（1 1）锕系元素都是）锕系元素都是金属金属，与镧系，与镧系元素元素一样，一样，化学化学性质性质比较比较活泼活泼。前一部分元素存在多。前一部分元素存在多种氧化态，种氧化态，BkBk之后稳定的氧态是之后稳定的氧态是+3+3。（2 2）大多数锕系元素能形成配位化合物）大多数锕系元素能形成配位化合物 。（3 3）a a衰变和自发裂变是锕系元素的重要衰变和自发裂变是锕系元素的重要核特性，随着原子序数的增大核特性，随着原子序数的增大 ，半衰期依，半衰期依次缩短。次缩短。（4 4）锕系元素的毒性和辐射的危害较大，）锕系元素的毒性和辐射的

16、危害较大，必须在有防护措施的密闭工作箱中操作这必须在有防护措施的密闭工作箱中操作这些物质。些物质。 概述概述 铀，铀，9292号元素，是自然界中能够找到的最重号元素，是自然界中能够找到的最重元素。银白色活泼的金属，能和所有的非金属作元素。银白色活泼的金属，能和所有的非金属作用（用（惰性气体惰性气体除外）。铀的同位素从铀除外）。铀的同位素从铀-226-226到铀到铀- -240240。铀的化学性质活泼，易与绝大多数非金属反。铀的化学性质活泼，易与绝大多数非金属反应，能与多种金属形成合金。铀最初只用做玻璃应，能与多种金属形成合金。铀最初只用做玻璃着色或陶瓷釉料，着色或陶瓷釉料，19381938年发

17、现铀年发现铀核裂变核裂变后，开始后，开始成为主要的核原料。成为主要的核原料。2 铀钍钚的存在及核性质铀钍钚的存在及核性质2.1铀铀铀分布铀分布 铀广泛分布于地壳和环境水中，主要以四铀广泛分布于地壳和环境水中，主要以四价和六价化合物状态存在，形成价和六价化合物状态存在，形成UOUO2 2和各种铀酰和各种铀酰盐。盐。 铀矿分布分散，含量低。目前已知的含铀矿分布分散，含量低。目前已知的含铀矿物约有铀矿物约有200200多种，其中只有多种，其中只有20-3020-30多种均有多种均有开采价值。开采价值。 由于矿物中含有的铀酰盐易溶于水，在由于矿物中含有的铀酰盐易溶于水，在地下水的侵蚀下，铀会从地表层进

18、入江、河、地下水的侵蚀下，铀会从地表层进入江、河、湖、海和土壤，因而也容易转移到动植物体内。湖、海和土壤，因而也容易转移到动植物体内。 宇宙太空中含有一定数量铀。宇宙太空中含有一定数量铀。铀矿石铀矿石翠砷铜铀矿翠砷铜铀矿菱镁铀矿菱镁铀矿磷锌铀矿磷锌铀矿沥青铀矿沥青铀矿 晶质铀矿晶质铀矿 在广西发现的中国第一块铀矿石，现存核在广西发现的中国第一块铀矿石，现存核工业北京地质研究院。工业北京地质研究院。 元素来源元素来源可用电解法、分解法、还原法等从铀可用电解法、分解法、还原法等从铀矿中制得。尽管铀在地壳中分布广泛，但矿中制得。尽管铀在地壳中分布广泛，但是只有是只有沥青铀矿沥青铀矿和和钾钒铀矿钾钒铀

19、矿两种常见的矿两种常见的矿床。人们认识铀正是从这两种矿石开始。床。人们认识铀正是从这两种矿石开始。 铀通常被人们认为是一种铀通常被人们认为是一种稀有金属稀有金属，尽管铀在地壳中的含量很高，比尽管铀在地壳中的含量很高，比汞汞、铋铋、银银要多得多，但由于提取铀的难度较大，要多得多，但由于提取铀的难度较大，所以发现的晚。所以发现的晚。主要用途：主要用途： 早期仅作为玻璃、陶瓷和珐琅的着色剂。早期仅作为玻璃、陶瓷和珐琅的着色剂。 铀也可以作为钢及其它金属冶炼的配料，有机合成铀也可以作为钢及其它金属冶炼的配料，有机合成中的触媒，橡胶工业中的防老剂和增硬剂等；中的触媒，橡胶工业中的防老剂和增硬剂等； 核燃

20、料核燃料核武器、核电站（富集核武器、核电站（富集235235U U和和233233U U）生产生产PuPu 贫铀：装甲、贫铀弹、防护材料贫铀：装甲、贫铀弹、防护材料铀的毒性铀的毒性p 放射性放射性p 化学化学铀的用途及危害铀的用途及危害 铀共有铀共有1515种放射性同位素和一种同种放射性同位素和一种同质异能素，其中质异能素，其中238238U U、235235U U和和234234U U三种是天三种是天然存在的，其丰度分别为：然存在的，其丰度分别为：99.275%99.275%，0.720%0.720%和和0.0054%0.0054%。人工放射性铀同位素。人工放射性铀同位素中最重要的是中最重要

21、的是233233U U。铀的同位素铀的同位素U235 丰度：丰度： 0.720% 很高的热中子裂变截面，很高的热中子裂变截面，580.2靶；俘获靶；俘获截面截面98.3靶。靶。 平均有效中子数平均有效中子数=2.07，可引起链式反，可引起链式反应。应。 含量低，按使用要求浓缩。含量低，按使用要求浓缩。核性质核性质 同位素富集使天然铀中的铀同位素富集使天然铀中的铀235 235 转变为浓缩转变为浓缩铀的物理过程。铀铀的物理过程。铀235235的富集是一个昂贵而又复杂的富集是一个昂贵而又复杂的物理过程，而浓缩工厂就成为核工业中的一个的物理过程，而浓缩工厂就成为核工业中的一个重要组成部分。重要组成部

22、分。 根据国际原子能机构的定义，丰度为根据国际原子能机构的定义，丰度为3 3的铀的铀235235为核电站发电用低为核电站发电用低浓缩铀浓缩铀，铀，铀235235丰度大于丰度大于8080的铀为的铀为高浓缩铀高浓缩铀，其中丰度大于，其中丰度大于9090的称为的称为武武器级高浓缩铀器级高浓缩铀，主要用于制造核武器。与其相对，主要用于制造核武器。与其相对的是贫化铀的是贫化铀 。 铀浓缩铀浓缩 U233易裂变核素。易裂变核素。热中子裂变截面，热中子裂变截面，530.6靶；俘获截面靶；俘获截面47.0靶。靶。平均有效中子数平均有效中子数=2.28，可引起链式反应。增，可引起链式反应。增殖比有可能大于殖比有

23、可能大于1，实现增值。，实现增值。以天然钍为原料，在反应堆生产而来，以天然钍为原料，在反应堆生产而来， Th-232+nTh-233Pa-233U-233(两次两次衰变衰变) U238U238 天然放射系中铀镭系的母体，丰度天然放射系中铀镭系的母体，丰度99.275% 。 可裂变核素，可被能量可裂变核素，可被能量1MeV1MeV的快中子分裂。的快中子分裂。快中子裂变截面快中子裂变截面2.752.75靶，也可自发裂变。靶，也可自发裂变。 是生成是生成Pu239Pu239的主要核燃料。的主要核燃料。U-238+nU-239Np-239Pu-239(U-238+nU-239Np-239Pu-239(

24、两次两次衰衰变变) )同位素同位素半衰期，半衰期，a衰变方式衰变方式比活度，比活度，Bq.mg-1238U4.468 109 12.4235U7.038 108 79.4234U2.450 105 2.3 105233U1.592 105 3.5 105天然铀同位素和天然铀同位素和233U233U的一些核特性的一些核特性铀的放射性污染可经过呼吸道、消化道、铀的放射性污染可经过呼吸道、消化道、皮肤、直接照射、遗传等途径进入人体，一部皮肤、直接照射、遗传等途径进入人体，一部分放射性核素进入生物循环，并经食物链进入分放射性核素进入生物循环，并经食物链进入人体。容易引发包括白血病在内的许多癌症和人体。

25、容易引发包括白血病在内的许多癌症和一些肝脏、神经系统疾病，特别是对生殖器官一些肝脏、神经系统疾病，特别是对生殖器官危害可能造成不孕或遗传变异。危害可能造成不孕或遗传变异。放射性放射性概述概述钍钍(thorium)(thorium)锕系第二个元素，一种天然放射性元素。锕系第二个元素，一种天然放射性元素。元素符号元素符号ThTh，原子序数，原子序数9090，相对原子质量，相对原子质量232.0381232.0381。块状金属呈银白色，但长期暴。块状金属呈银白色，但长期暴露于大气中会丧失光泽。露于大气中会丧失光泽。2.2钍钍 1826 1826年，年，J.J. J.J. 玻齐利厄斯（玻齐利厄斯（Be

26、rzeliusBerzelius）在）在矿物中首次发现了钍（矿物中首次发现了钍（ThoriumThorium）。）。 钍在自然界分布广泛，含量大致是铀的钍在自然界分布广泛，含量大致是铀的3 3倍。倍。一般以难溶性的氧化物或硅酸盐形式存在自然界一般以难溶性的氧化物或硅酸盐形式存在自然界中，因此，在江、河、湖、海和动植物中的含量中，因此，在江、河、湖、海和动植物中的含量比铀低很多。钍的主要矿物是比铀低很多。钍的主要矿物是独居石独居石，其成分是，其成分是钍和稀土的混合磷酸盐。其次是钍和稀土的混合磷酸盐。其次是ThOThO2 2和和UOUO2 2共生的共生的方钍石以及硅酸钍为主要成分的钍石。方钍石以及

27、硅酸钍为主要成分的钍石。 钍的发现钍的发现 含钍矿物有含钍矿物有100100多种，钍资源仅是铀的多种，钍资源仅是铀的1/31/3。钍。钍常和铀、稀土元素共生。常和铀、稀土元素共生。三种主要类型。三种主要类型。(1)(1)氧化物型氧化物型：主要有方钍石，其化学组成为：主要有方钍石，其化学组成为ThOThO2 2UOUO2 2，含，含ThOThO2 258.458.49393。(2)(2)硅酸盐型硅酸盐型：主要有钍石，其化学组成为：主要有钍石，其化学组成为ThSiOThSiO4 4，含含ThOThO2 225256363。(3)(3)磷酸盐型磷酸盐型：主要有独居石，其化学组成为：主要有独居石，其化

28、学组成为(Ce(Ce，LaLa，ThTh，U)POU)PO4 4，含，含ThOThO2 24 41212。独居石是钍的主要原料。钍的主要生产国有巴西、独居石是钍的主要原料。钍的主要生产国有巴西、印度和美国等。印度和美国等。矿物原料矿物原料20012001年经济合作与发展组织发表的数据年经济合作与发展组织发表的数据国家国家可靠的储藏估计（吨）可靠的储藏估计（吨）估计还有的储藏（吨）估计还有的储藏（吨）巴西巴西606,000700,000土耳其土耳其380,000500,000印度印度319,000-美国美国137,000295,000挪威挪威132,000132,000格陵兰格陵兰54,0003

29、2,000加拿大加拿大45,000128,000澳大利亚澳大利亚19,000-南非南非18,000-埃及埃及15,000309,000其它国家其它国家505,000-全世界总和全世界总和2,230,0002,130,000用途用途（1 1）氧化钍可用于白炽罩中增加亮度。）氧化钍可用于白炽罩中增加亮度。（2 2）在镁中加入百分之几的钍，可得到）在镁中加入百分之几的钍，可得到高温性质优良的低比重合金。钍的一些高温性质优良的低比重合金。钍的一些化合物是化学工业重要的催化剂。化合物是化学工业重要的催化剂。（3 3）钍与中子反应生成可裂变的）钍与中子反应生成可裂变的233U233U。用用233U233U

30、作核燃料可节约天然铀和省去铀同作核燃料可节约天然铀和省去铀同位素分离所需的能耗。位素分离所需的能耗。 已发现质量数从已发现质量数从212212到到236236的的2525种钍同位种钍同位素。素。其中只有其中只有6 6种是天然存在的，在天然钍种是天然存在的，在天然钍中，最重要的是中，最重要的是232232ThTh，其丰度约，其丰度约100%100%。 232Th232Th俘获热中子俘获截面较大，俘获热中子俘获截面较大，7.47.4靶，俘靶，俘获一个获一个热中子热中子生成生成233Th233Th，后者经，后者经2 2次次衰变衰变生成易裂变核素生成易裂变核素233U233U，故，故232Th232T

31、h是重要的次是重要的次级核燃料级核燃料. .核性质核性质天然钍同位素的一些核特性天然钍同位素的一些核特性同位同位素素丰度丰度半衰期半衰期衰变模式衰变模式衰变能衰变能量量MeV衰变产衰变产物物228Th人造人造1.9116年年衰变衰变5.520224Ra229Th人造人造7340年年衰变衰变5.168225Ra230Th人造人造75,380年年衰变衰变自发分裂自发分裂510-11 %4.770 226Ra 232Th100 %1.4051010年年衰变衰变自发分裂自发分裂 10-9 %4.083 228Ra 钍同位素钍同位素232Th232Th的半衰期为的半衰期为140.5140.5亿年，亿年，

32、它的放射性比铀低。原因是因为由于它的半它的放射性比铀低。原因是因为由于它的半衰期高衰期高. . 钍放射钍放射粒子，因此它被吸入或者食入粒子，因此它被吸入或者食入的话危险比较高。尤其粉状的金属和氧化物的话危险比较高。尤其粉状的金属和氧化物能够进入肺，非常危险，会致癌。能够进入肺，非常危险，会致癌。放射性放射性 PuPu，9494号，人造元素。钚为银白色金属，号，人造元素。钚为银白色金属，强强辐射体。钚属于辐射体。钚属于极毒极毒元素。钚是世界上元素。钚是世界上第二毒的物质（世界上第一毒的物质为钋）。第二毒的物质（世界上第一毒的物质为钋）。一片阿斯匹林大小的钚，足以毒死一片阿斯匹林大小的钚，足以毒死

33、2 2亿人，亿人，5 5克的钚足以毒死所有人类。第一个以大规模克的钚足以毒死所有人类。第一个以大规模人工制造的元素，在自然界的含量属极少量。人工制造的元素，在自然界的含量属极少量。2.3钚钚概述概述 美国的西博格美国的西博格(G(GT TSeaborg)Seaborg)等于等于19401940年用年用氘轰击铀氘轰击铀制得制得238 Pu238 Pu，美国的肯尼，美国的肯尼迪迪(J(JW WKennedy)Kennedy)等于等于19411941年发现最重要年发现最重要的钚同位素的钚同位素239 Pu239 Pu。19421942年美国提取出约年美国提取出约50g50g钚。钚。发现发现 目前已发

34、现目前已发现PuPu的同位素有的同位素有2020个，都是人个，都是人工合成。其质量数从工合成。其质量数从228-247228-247，其中最重要，其中最重要的是的是239Pu239Pu和和238Pu238Pu。 半衰期最长的半衰期最长的244 244 PuPu的半衰期为的半衰期为82826Ma6Ma，半衰期最短的，半衰期最短的233 233 PuPu的半衰期为的半衰期为20min20min。 核性质核性质 239Pu 比比U235具有更高的中子裂变截面。具有更高的中子裂变截面。 从天然铀做装料的热中子反应堆生产，将从天然铀做装料的热中子反应堆生产，将来也可以用快堆生产来也可以用快堆生产239P

35、u：U-238+nU-239Np-239Pu-239(两次两次衰衰变变) 239 pu在裂变过程中释放出巨大的能量。在裂变过程中释放出巨大的能量。1kg 239 Pu裂变释放出的核能，相当于裂变释放出的核能，相当于3Mkg的煤燃烧产生的热能。的煤燃烧产生的热能。 1945年，美国投在日本的原子弹装料。年，美国投在日本的原子弹装料。在热中子反应堆中，核燃料中的铀在热中子反应堆中，核燃料中的铀-238-238经中子辐照后转变为经中子辐照后转变为Pu239 PuPu239 Pu及其他钚的及其他钚的同位素。用作核武器装料的同位素。用作核武器装料的239 Pu239 Pu，其重，其重同位素的含量应小于同

36、位素的含量应小于0 05 51 1。称这种。称这种钚为钚为军用钚军用钚。动力堆中生成的钚，含有动力堆中生成的钚，含有2020以上的以上的240 240 PuPu和和5 5以上的以上的241 Pu241 Pu，不宜用来制造核武，不宜用来制造核武器，但能用作反应堆的核燃料。称这种钚器，但能用作反应堆的核燃料。称这种钚为为工业钚工业钚。 Pu239俘获截面也高，俘获截面也高，271.3靶，所以靶，所以U238经辐照后除了产生经辐照后除了产生Pu239,还有还有Pu 240，Pu241等。等。 随辐照时间和燃烧深度不同，得到的随辐照时间和燃烧深度不同，得到的Pu同位素比例不同。辐照时间和燃烧深度增加，

37、同位素比例不同。辐照时间和燃烧深度增加，重同位素增加，军用重同位素增加，军用Pu239需要短时间照射需要短时间照射铀获得。铀获得。后处理中：了解后处理中：了解Pu同位素组成；同位素组成；Pu重同位素：合成重超铀元素重同位素：合成重超铀元素Am243, Cm244.物理性质物理性质 金属钚在室温到熔点金属钚在室温到熔点(914K)(914K)之间有之间有5 5次相变。形成次相变。形成、和和相相的钚受热膨胀；但形成的钚受热膨胀；但形成和和相时，相时，受热却收缩。因此，在制作反应堆燃料受热却收缩。因此，在制作反应堆燃料元件时，只能使用钚和其他金属形成的元件时，只能使用钚和其他金属形成的合金，而不能使

38、用金属钚。合金，而不能使用金属钚。 1945 1945年美国生产出公斤级的钚，制成了第一年美国生产出公斤级的钚，制成了第一颗原子弹。现在主要生产国是颗原子弹。现在主要生产国是美国、俄罗斯、英美国、俄罗斯、英国、法国国、法国。中国于。中国于2020世纪世纪7070年代初开始生产钚。年代初开始生产钚。 钚的应用范围很广，钚是易裂变的放射性元素，钚的应用范围很广，钚是易裂变的放射性元素，能用作核燃料，用于制造核武器。钚用作能用作核燃料，用于制造核武器。钚用作快中子快中子增殖反应堆增殖反应堆燃料时，新形成的钚比消耗的钚还要燃料时，新形成的钚比消耗的钚还要多，可使铀多，可使铀238238转变为钚而加以充

39、分利用。转变为钚而加以充分利用。钚钚238238用于制造同位素电池，用作宇宙飞船、人造卫星、用于制造同位素电池，用作宇宙飞船、人造卫星、航标灯的电源。航标灯的电源。 应用应用 放射性元素放射性元素：全部由放射性核素：全部由放射性核素组成的元素称为放射性元素。组成的元素称为放射性元素。 现已发现的放射性元素共有现已发现的放射性元素共有3636个，个，在元素周期表中从在元素周期表中从8484号元素到号元素到118118号元号元素，以及素，以及4343号元素号元素TcTc和和6161号元素号元素PmPm。 分为两大类：分为两大类：天然放射性元素天然放射性元素； 人工放射性元素人工放射性元素。2.4天

40、然放射系天然放射系 天然放射性元素天然放射性元素是指自然界中存在的是指自然界中存在的放射性元素，它们是放射性元素，它们是8484PoPo钋钋 、8585AtAt砹砹 、8686RnRn氡氡 、8787FrFr钫钫 、8888RaRa、8989AcAc、9090ThTh、9191PaPa和和9292U U等九个元素。等九个元素。 随着一系列天然放射性元素的发现随着一系列天然放射性元素的发现及对它们性质和规律的研究，发现许多天及对它们性质和规律的研究，发现许多天然放射性元素之间存在着一定关系。将它然放射性元素之间存在着一定关系。将它们归纳为几个系列，即为们归纳为几个系列，即为天然放射系天然放射系。

41、自然界存在三个主要放射系自然界存在三个主要放射系238U238U系，又称铀系或铀镭系：系，又称铀系或铀镭系： 238U238U的半衰期的半衰期为为4.4684.46810109 9年年235U235U系系, ,又称锕系或锕铀系：母核又称锕系或锕铀系：母核235U235U的半衰的半衰期为期为7.0387.03810108 8年年232Th232Th系，又称钍系：母核的半衰期为系，又称钍系：母核的半衰期为1.41.410101010年年 这三个放射系总共有这三个放射系总共有4949种核素，原子序数从种核素，原子序数从9292（铀）到（铀）到8080（汞），各系中都产生稀有气体氡。（汞），各系中都产生稀有气体氡。 主要通过主要通过衰变，少数通过衰变，少数通过-衰变形成亲代联系，衰变形成亲代联系，且伴随有且伴随有跃迁；有少数核素有分支放射衰变，但绝跃迁；有少数核素有分支放射衰变，但绝无无+衰变或轨道电子俘获；通过衰变或轨道电子俘获；通过1010余次衰变最后到达余次衰变最后到达稳定的铅同位素。稳定的铅同位素。 衰变质