同位素分离资料
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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
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
（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。
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％。
Hale Waihona Puke Baidu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
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%
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
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。
• 理论上，级分离系数的最大值（α 0）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，
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： ΔU＝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。
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
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 场作用下，输入离心机的六氟化铀气体中的轻分子在离心 机转子中央部分加浓, 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。
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，m1、 可知：较轻分子的平均速度大，较重分子的平 均速度小。
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。
• 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
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
（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。
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％。
Hale Waihona Puke Baidu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
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%
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
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。
• 理论上，级分离系数的最大值（α 0）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，
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： ΔU＝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。
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
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 场作用下，输入离心机的六氟化铀气体中的轻分子在离心 机转子中央部分加浓, 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。
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，m1、 可知：较轻分子的平均速度大，较重分子的平 均速度小。
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。