同位素分离

铀同位素离心分离法用的离心机级联装
优缺点
• 离心法的优点 (1) 单级浓缩系数大，是气体扩散法的100倍 以上,浓缩到同样程度所需要的级数大大减 筒外周速度300 m/s的离 少。
心机约900级
天然铀生产 5%的浓缩铀
转筒外周速度为400 m/s 的离心机约27级
气体扩散法要上1000级
优缺点
m1、m2则分别表示它们的质量。）
• 扩散膜含有容许分子通过的无数微孔，两种 组分以不同速率通过多孔膜而扩散，因此较 轻分子同容器壁扩散膜的碰撞次数，相对于 它的丰度来说，要比较重分子多些。
平均自由程：即分子运动中每两次碰撞之间 气体的密度越低， 的平均距离
平均自由程越长
为了实现分离，还要求气体流过微孔时，很 少发生分子间的相互碰撞。为此扩散膜中 的微孔直径须小于气体分子运动的平均自 由程 扩散法分离同位素的条件是：气体压力必须 足够低，扩散膜的孔径必须足够小，且不 会由于腐蚀而扩大
分离喷嘴法
分离喷嘴法的原理：是用 大量（约95%）氦气或 氢气同六氟化铀气体混 合成为工作气流，使之 通过狭缝喷嘴而膨胀， 在膨胀过程中加速到超 声速的气流顺着喷嘴沟 的曲面壁弯转。像离心 机一样，轻、重分子受 到不同的离心力，使同 位素部分地分离，较重 分子靠近壁面富集，较 轻分子远离壁面富集。
优缺点
• 化学交换法的比能耗比扩散法小得多，但 比投资却相当高。该法没有放射性污染， 便于生产低浓缩铀。在化学交换工厂中， 工作物质的滞溜量（充料量）相当大，而 且单级分离系数较小，这就使得工厂的平 衡时间很长，是扩散工厂的10～100倍。 • 法国在化学交换法的研究中取得很好的进 展，正在筹建一个分离功率约为100吨／年 的示范工厂。
高速离心机法
• 原理：利用在离心力的作用下，分子质量不同的流体的
压强分布不同的原理分离同位素的方法。在巨大的离心力 加浓, 而重分子更多地趋于筒壁，造成铀 同位素在径向的部分分离。 • 离心机的生产能力决定于转筒的转速和长度。理论上，单 位时间内的分离功数量，同转筒外周速度的四次方成正比， 同转筒的长度成正比。因此，离心机必须高速旋转，一般 要求达到300—500 m/s的外周速度。高速转筒承受极大的 周向拉伸应力，材料强度限制了离心机的尺寸。
H2或He 和UF混 和气
小于0.1mm
• 利用喷嘴出口处的分离楔尖把气流分成含235U较少 的重流分和含235U较多的轻流分，分别用泵抽出。 • 掺混较轻的氦气是为了带动较重的六氟化铀分子 以高速流动，来大大提高分离效果，氦气最后从 混合气体中分离出来重复使用。最佳工作压力与 狭缝的尺寸成反比。为了减小管道和压缩机的尺 寸以降低设备投资，压力是越高越好 • 喷嘴法的单元分离效果不大，介于扩散法和离心 机法之间，分离系数为1.015，同样须将大量的分 离喷嘴串联起来成为级联。
分离系数和浓缩系数
同位素分离的效率用分离系数或浓缩系数来 表示。设分离前后铀235的丰度分别为CF和 CP,则分离系数α 定义公式 ：
浓缩系数ε则定义为ε＝α-1
分离铀同位素困难之处
aˎ 同一元素的各种同位素有相同的核内质子数和核
外电子数，故其化学性质极为相似，仅在质量上 有微小的差别从而给它们彼此之间的分离在技术 上带来很大的困难。因而只能利用因质量不同而 引起的一些效应，来使同位素分离。
•
•
同位素原子 特定波长 或分子 的激光
一种发生电离或 电解
发生电离或电 解 处于基态
另一种还处于 基态
适当的物理或化学方法
• 激光法的优点是： ①成本低，由于激光分离同位素具有高度的选择性，分离系 数很高（浓缩铀同位素时分离系数高达10，或者更高）, 因此可以减少级联装置,缩小工艺过程，厂房占地面积小, 耗电量也大为减少,比能耗比离心法更小。 ②充分利用贫化铀，激光法浓缩铀几乎可把铀235全部回收 因此可以充分利用扩散工厂或离心工厂留下的大量贫料 (铀235丰度约为 0.2％～0.3％)，这就充分利用了铀资源。
热扩散法
• 当组成均匀的气体或液体混合物中有温度梯 度时，轻组分将富集在热区而重组分将富集 在冷区，这就是热扩散效应
加热柱
因冷热 产 生热对 流
• 将欲分离的同位素混合物放在两个垂 直的同心圆管中间，内管加热，外壁 冷却。由于热扩散效应，轻组分在热 壁表面附近富集，重组分在冷壁表面 富集，同时内壁附近气体受热上升， 外管内壁附近气体因冷却下降。由于 热对流的结果，富集了的轻组分气体 和重组分气体经多次逆流接触，使得 简单热扩散效应效果倍增。热扩散柱 结构简单,操作方便,应用范围广泛， 是实验室中分离轻同位素的主要手段。
同位素分离
（isotope separation）
从铀矿石中提炼出的核纯级天然铀，仍 是238U、235U、234U的混合物，其中易 裂变核素235U仅占0.72%。因此天然铀除 可用作生产堆和少数动力堆的燃料外，在大 多数动力堆及其它应用领域都还不能直接利 用
例
轻水堆 快 堆 试验堆 一般为2-3% 大 于25% 大 于90%
（2） 电能消耗低，约为扩散法的1/20 （3） 建造规模较小的厂也相当经济，气体扩散厂的经济规 模约为10000 SWU/a，而离心机厂的经济规模约为 1000—2000 SWU/a，故便于配合需求，由小到大地逐步 发展。 （4）材料强度要求高 到20世纪80年代，离心机法的工艺趋于成熟，经济上已 可与气体扩散法相竞争，成为一种工业规模生产富集铀的 替代方法。目前国内外已建成具有相当规模的高速离心富 集铀的生产厂。
• 理论上，级分离系数的最大值（α0）等于两种组分的分子 量比值的平方根。
实际的分离系数远低于理论值,具体数值决定于设备结构、膜 的特性及其它工艺条件。由于单级分离效果不大，为了得 到5%的浓缩铀，便需要把近千个扩散级串联起来；如要 生产高浓铀便需串联数千个扩散级。
气体扩散法分离优点和缺点
• 优点：工艺过程比较简单、设备运行稳定可靠，
等离子体法
• 基于等离子体旋转和离子回旋共振两种原理来分离同位素 的方法： ① 使高温下产生的铀等离子体在电磁场中作高速旋转,在 离心力场作用下,质量较大的铀同位素等离子体在径向方 向上逐渐加浓。这种旋转等离子体装置好象是一种外壁不 动的高速离心机，其分离系数比气体离心机高得多。 ② 选择电场的频率在所需要的同位素离子共振频率范围内， 这样，所需要的同位素离子将在较大的回旋半径上循环， 这就提供了所需要的同位素与其他同位素分离的可能性。 等离子体法分离系数很高，比能耗很小，尚处在实验室阶段。
激光法
• 一种基于激光束对同位素原子或含同位素的化合 物分子的选择性激发来分离同位素的方法。 • 原理：根据原子或分子在吸收光谱上的同位素效应，利用激光的高
度单色性、很高的光强和波长连续可调的特性，用特定波长的激光选 择性地激发同位素混合物中某一同位素，进而产生电离或离解，未被 激发的同位素仍处于基态。由于受激同位素原子或分子在物理和化学 性质上与基态原子或分子差别较大，采用适当的物理或化学方法，即 可使它们分离，从而获得富集的同位素。
容易在工程上实现等
• 缺点：气体扩散法的缺点是分离系数太小，
需要串联太多的分离级和消耗太多的电能，因而 缺乏经济竞争力。
为使工艺气体通过扩散膜，必须在级间不断地 进行重新压缩，因而气体扩散厂要消耗大量的电 能。大型扩散厂每SWU约需消耗2300-2500 kW·h 电能。一座9000 tSWU的扩散厂需要附设2400 MW 的发电厂
激光法的缺点：是物理过程复杂，对工艺技术及材料设备要 求高，选择性激发受到各种因素的影响,分离产额低。
激光法是一种经济的生产铀235的新方法。美国用原子蒸气 激光分离同位素已获得成功，并将作为21世纪的浓缩铀技 术。世界各国也在竞相开展激光法分离铀同位素的研究工 作。
化学交换法
• 它是基于在同位素化学交换反应中，同位 素在各反应分子间的分布不是等几率的来 分离同位素的方法。 • 过去一般用来分离轻同位素，现在由于找 到合适的载体,提高了分离系数,减少了理 论塔板高度，用该法来分离铀同位素已获 得成功。最高的分离系数达1.001 5,这是 通过在树脂床上的四价铀和在水溶液中的 六价铀的离子交换获得的。
概念
• 铀的浓缩：为了获得能满足不同需求的
浓缩铀，必须采用特殊的方法来分离铀的 同位素，这种由铀同位素混合物中提高所 需同位素（235U）含量的工艺过程。
5.5吨天然铀原料
3% 0.2%左右 无工业价值 排除存储
1吨低富集铀
4.5吨贫化铀
概念
分离功：（Separation Work ）把一定量铀富集到一定
铀同位素离心分离法用的离心机级联装优缺点离心法的优点1单级浓缩系数大是气体扩散法的100倍以上浓缩到同样程度所需要的级数大大减离心机约900级天然铀生产转筒外周速度为4005的浓缩铀ms的离心机约27级气体扩散法要上1000级优缺点2电能消耗低约为扩散法的1203造规模较小的厂也相当经济气体扩散厂的经济规模约为10000swua而离心机厂的经济规模约为10002000swua故便于配合需求由小到大地逐步发展
气体扩散法
基本原理是基于两种不同分子量的气体混合物 （235UF6和238UF6）在热运动平衡时，两种分 子具有相同的平均动能和不同的运动速度。 两种分子的平均速度与质量的关系如下式：
（V1、V2分别表示235UF6和238UF6分子的平均速度， 可知：较轻分子的平均速度大，较重分子的平 均速度小。
235U丰度所需投入的工作量。 具有质量的量纲，在数值上等于同位素混合物通过该装置所 获得的价值增量，可表示为： Δ U＝PV(CP)+W V(CW)-FV(CF) （式中P、W、F分别为精料、贫料、供料中的铀质量；CP、 CW、CF和V(CP)、V(CW)、V(CF)分别为所需同位素的丰度 及价值函数） 可简写为SUM 单位有 kgSWU 多少千克分离功 tSWU 多少吨分离功 MSWU 多少百万分离功 从天然铀原料生产1吨3%的富集铀，大约需要4.3tSWU。
bˎ 天然铀矿中铀235含量较低，获得铀235含 量较高的铀同位素需要复杂混合物的同位 素分离技术 天然铀中主要含有铀238含量为99.275％， 而铀235的含量仅为 0.720％。
铀同位素分离方法
• 铀同位素分离与稳定同位素分离有着密切 的关系，前者的许多方法是由后者发展起 来的，其基本原理是相同的。 • 现在同位素分离方法有： 气体扩散法、高速离心法、分离喷嘴法、激 光法、化学交换法、等离子体法