鈾的富集

採用專門的同位素分離方法，使235?U的豐度從天然鈾的0.71%提高的過程。

基本介紹

• 中文名：鈾的富集
• 外文名：uraniumenrichment
• 方法：採用專門的同位素分離方法
• 目的：富集鈾

使鈾元素中235U同位素豐度提高的工藝過程。鈾元素在自然界存在三種同位素，即238U、235U和234U，其中最重要的是235U，因為它是天然存在的唯一易裂變核素。天然鈾中含99.28%(原子)的238U，0.71%(原子)的235U和0.006%(原子)的234U。235U豐度高於天然鈾中235U豐度的鈾稱為富集鈾。

把235U由天然豐度富集到1.5%~4%的富集鈾，可用作輕水或石墨慢化的動力堆的燃料。富集到90%或更高豐度的鈾可用作核武器裝料；也可與釷混合作為高溫氣冷堆、輕水增殖堆的燃料。高富集鈾還用於研究(試驗)堆以提高所需的中子注量率，也可用於高功率密度的各種輕便動力堆。

同一元素的各種同位素的化學性質極為相似，尤其是鈾的同位素，相對質量差很小，因此分離鈾同位素是一項十分困難的工作。鈾富集技術涉及到國防軍事機密，國際上有防止核擴散條約的限制，因此很多技術資料封鎖很嚴密。由於這一技術在國防工業中和在核燃料循環中的重要地位，受到各國政府的重視。在經濟上競爭也十分激烈，生產出廉價的反應堆級富集鈾是一個國家政治地位和經濟實力的重要標誌。

發展簡史和現狀 最初的鈾富集技術是在極保密的情況下發展起來的。20世紀40年代初，美國曼哈頓工程計畫就開發了四種富集方法，即熱擴散法、電磁法、氣體擴散法和氣體離心法。1944年世界上第一次公斤量級的235U是在美國橡樹嶺(Oak Ridge)用電磁法分離出來的。其前級富集是用熱擴散法把天然豐度的235U濃縮到豐度為0.86%，然後供入電磁分離器進一步濃縮到武器級豐度。1945~1946年間證明氣體擴散法要比其他三種方法優越，先後停止了其他三種方法的工業開發。從此以後直到80年代，氣體擴散法一直在富集鈾方法上占主導地位。至今世界上大部分富集鈾仍然是用氣體擴散法生產的。但氣體擴散法有很大的缺點，主要是耗電量大，約占成本的70%，此外工廠的基本建設投資也很大。

在70年代，第二種富集鈾的工業方法——氣體離心法開始進入實用階段。這種方法雖然在曼哈頓計畫時已開始研製，但是因為離心機構造複雜，所以在很長一段時間內未取得突破性進展。氣體離心法的單級分離能力小，需要大量離心機，技術要求也很高，但其耗電量卻大大低於氣體擴散法。

富集方法 當前套用於工業生產的主要是氣體擴散法和氣體離心法，雷射法正處於研究開發階段。

氣體擴散法 其原理是基於分子擴散現象。根據氣體分子運動論，在同一溫度下，氣體混合物的各種分子都具有相同的平均動能，因而分子的平均速度與分子質量的平方根成反比。也就是說，分子質量越輕，分子的平均速度就越大。這樣就可以利用輕重分子的平均速度不同使輕分子得到富集。但這種結果只有在氣壓很低，氣體分子通過很小的孔時才能表現出來。

具有無數小孔的元件稱分離膜，分離過程就發生在氣體通過分離膜的過程中。通常要求分離膜上有足夠多的均勻小孔，並且小孔的半徑越小越好(以工作介質不在其中冷凝為限)，大約為10~15nm。此外，要求分離膜有承受壓差的機械強度，耐工作介質的腐蝕，價格便宜，且可大規模生產。

在分離鈾同位素的氣體擴散廠，基本的分離設備是分離器，採用的工作介質為UF6氣體。圖1是一台分離器的示意圖。分離器必須有三個口，分離膜B就裝在其中，F為進口，透過膜的那部分為M，稱為富集流，其中輕組分得到了富集；未透過膜的那部分由N流出，稱為貧化流，其中輕組分得到貧化。

為保證分離過程正常進行，每台分離器D(見圖)都帶有必要的附屬設備：在富集流和貧化流管道上分別裝有一台壓縮機C1和C2；在分離器入口有熱交換器E，用於帶出壓縮熱並維持分離器的工作溫度；在每一級的貧化流管道上有調節閥門或調節器V，用以調節膜前壓力；F為供料口；此外還有各種管道、閥門及各種測試儀表系統等(圖中未標出)。

三個擴散級串聯的示意圖

一台分離器與其附屬設備構成氣體擴散廠的最小分離單元，稱為一個擴散級。一座氣體擴散廠常常由數千個擴散級構成，它們以並聯或串聯形式排列。這種聯接稱為級聯。

氣體離心法 其基本分離設備是氣體離心機。圖3是一台逆流氣體離心機的原理圖。轉子是一個直圓筒，由輕質高強材料製成，圍繞其軸作高速旋轉。轉子由下部的電機驅動，上下有支承，外殼內保持真空以減少轉動阻力。轉子中央是一根料管，供料從管中心供入。貧料由轉子下部取出，產品出料管在轉子上部，旋轉擋板用於減小產品取料管對氣體產生的干擾。

UF6氣體進入轉子後，當離心機高速旋轉時，氣體分子可以受到比重力大幾千倍的慣性離心力的作用，轉子壁處的氣體壓力可以比中心軸處的高几百萬倍，致使壁面附近的重同位素豐度明顯地高於中心處的，而輕同位素235UF6在軸附近得到富集。

內環流逆流氣體離心機

氣體離心法富集鈾的工廠常需要裝數以萬計的離心機，但是規模大小比較靈活。離心機是高速旋轉機械，技術要求很高，轉子需要使用輕質高強材料，且要求工作壽命長。目前西歐英、德、荷蘭三國開發的離心機可運行10年以上。

雷射法 根據同位素粒子(原子或分子)在吸收光譜上的微小差別，套用單色性極好的雷射有選擇性地將某一種同位素粒子激發到某一特定的激發態，再採用物理的或化學的方法將激發的同位素粒子與未激發的其他同位素粒子分開。

雷射法可用於分離許多元素的同位素，其中以鈾同位素分離最為重要，發展很快。雷射鈾同位素分離又分原子雷射法和分子雷射法，特別是原子雷射法近年來發展最快，已進入工業化論證階段。

原子雷射法的全稱為原子蒸發雷射同位素分離法(AVLIS)，其原理如圖4所示，整個裝置包括雷射器系統和分離器系統兩大部分。用電子槍加熱金屬鈾，產生高溫鈾蒸氣原子束，再用銅蒸氣雷射器泵浦的染料雷射器輻照鈾蒸氣原子束，使之產生235U原子的三步選擇性光激發和電離，同時用電磁場使235U離子產生偏轉，與留在原子束中的238U原子分開，從而實現分離。

原子雷射法示意圖

前景 除上述外，達到規模生產或已建示範工廠的有空氣動力學法(包括噴嘴法和南非的UCOR法)、化學法等。正在實驗室內研究的還有分子雷射法，離心迴旋共振法等。可以期望，離心法和雷射法等新工藝不久將在鈾富集工業中發揮積極的作用。

國際原子能機構(IAEA)和經濟合作與發展組織核能機構(NEA/OECD)的研究表明：目前世界鈾的生產已明顯不能滿足需求，其年缺口量到2000年可超過26000t鈾。世界的鈾富集能力對滿足2000年前的需求是綽綽有餘的，加上巴西、日本和南非等少數國家和地區正計畫擴大鈾富集能力。但在展望2000年後的形勢時，還必須注意到現有氣體擴散廠的更新問題。當今普遍的看法是氣體擴散法已不能當作未來富集工業的基本工藝；離心法有投資和能耗低的優點，但由於該法技術複雜，性能尚需作進一步提高。因此，當前世界鈾富集工業正面臨著急待開發先進工藝的任務，儘快完成鈾同位素分離替代方法的研究和發展工作，以便能更經濟地生產富集鈾(包括富集後處理鈾)，滿足日益增長的需求。原子雷射法正受到法、德、日、荷、英、美等國的重視，開展了大量的研究和發展工作。表中對三種主要鈾富集方法的技術經濟特點做了比較。

_{三種主要鈾富集方法技術經濟特點比較}

富集方法	氣體擴散法	氣體離心法	雷射法
發展階段	成熟，改進餘地小	已商用，有改進潛力	研究開發階段，有開發潛力
單級富集係數	低	低	很高
單機物料流量	高	低	低
比能耗	高	低	低
投資費	高	中等或高	-
運行費	高	低	-