铀同位素分离-铀同位素分离

铀同位素分离-铀同位素分离

铀同位素分离-正文

由铀235含量较低的铀同位素混合物，获得铀235含量较高的铀同位素混合物的同位素分离技术。铀同位素分离在核燃料循环中占极重要的地位。铀 235含量大于天然含量的铀称为浓缩铀。浓缩铀可用作反应堆的燃料(含量在3％左右),还可用作核武器的装料（含量在90％以上）和舰艇的核动力燃料（含量在20％左右）。但是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％。因此必须通过铀同位素的分离来提高铀同位素混合物中铀235的含量。

铀同位素分离的研究起始于第二次世界大战期间。1938年O.哈恩等人发现铀核裂变释放出大量能量，从此美国和德国为获得武器级浓缩铀都开展了分离铀同位素的研究工作。1942年美国建造了电磁分离、气体扩散和热扩散三个铀同位素分离工厂，并联合生产了战争期间所用的铀 235。现在分离铀同位素的方法主要有气体扩散法、离心法、喷嘴法、激光法、化学交换法、等离子体法等。具有工业价值的是气体扩散法和离心法，激光法的工业应用已经取得重大进展。

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C F和C P,则分离系数α定义为

而浓缩系数ε则定义为ε＝α-1。同位素分离装置的能力用分离功率来量度。分离功率表示该装置单位时间所提供的分离功。分离功是一个分离装置对于它所处理的物质所做的“功”，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(C P)+W V(C W)-FV(C F)

式中P、W、F分别为精料、贫料、供料中的铀质量；C P、C W、C F和V(C P)、V(C W)、V(C F)分别为所需同位素的丰度及价值函数。

气体扩散法使待分离的气体混合物流入装有扩散膜（分离膜）的装置来得到富集和贫化的两股流的同位素分离方法。基本原理是：在分子间的相互碰撞忽略不计的情况下，气体混合物中质量不同的气体分子 (例如235UF6和238UF6)的平均热运动速率与其质量二次方根成反比。当气体通过扩散膜时,速率大的轻分子(235UF6)通过的几率比速率小的重分子(238UF6)的大。这样,通过膜以后，轻分子的含量就会提高，从而达到同位素分离的目的。

对于六氟化铀气体，气体扩散法的理想单级浓缩系数为4.29×10-3。在实际扩散机中,浓缩系数远不能达到理想值，70年代末80年代初，最高水平可达2×10-3。由于气体扩散法的一次分离系数很小，在生产中需要把很多级按一定方式连接成级联。简单串

联级联见图1 ，通过膜后的气体（精料）送入前一级，未通过膜的气体（贫料）送入后一级,铀235逐级加浓。级联还有并联、搭接等多种形式。要得到90％丰度的铀235同位素,就需要3000～4000个扩散机组成的长达几千米的级联装置。

第二次世界大战结束后，美国的实践证明，气体扩散法能够用来大规模生产铀 235。它是目前最成熟的大规模分离铀同位素的方法，是对各种新的浓缩方法的大规模商业应用的挑战，是比较各种方法的基本点。美国和法国大型气体扩散工厂的分离功率达1万吨/年以上，比能耗均在 2400千瓦·时/千克左右。气体扩散法的缺点是分离系数小，工厂规模大，耗电量惊人，成本很高。

离心法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235UF6在离心机转子中央部分加浓, 而重分子238UF6更多地趋于筒壁，造成铀同位素在径向的部分分离。

离心法的分离系数取决于两种同位素分子的质量差，而与同位素分子本身质量无关。这就使得分离重同位素并不比分离轻同位素困难，有利于铀同位素分离。另外，分离系数随着离心机转筒线速度的增加而迅速增加。实用工业离心机是高速逆流离心机(图

2)，通过机械驱动、热驱动和供料驱动等方式,在转筒内部产生环流，使得在转子的轴向上形成丰度梯度，分离系数大大增加。

离心法的优点是单级浓缩系数大，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少。另一优点是比能耗小，只有气体扩散法的十分之一左右。离心法的缺点是单机分离功率低，要形成一定的生产能力，需要的离心机数量很大，工业规模的离心工厂需要几万台甚至几十万台离心机。维持大量离心机长期正常运转的技术难度大。此外，由于材料限制，高速转子难以获得，技术要求高。

目前离心法是气体扩散法的最强的竞争者。西欧、美国和日本等国正在实施离心机发展计划。80年代美国大型离心机已经达到建造商业工厂的阶段，单机分离功率达200～600千克／年；西欧和日本也已达到建造示范工厂的水平，单机分离功率为3～30千克／年。

喷嘴法利用气体动力学原理分离同位素的方法。当气体同位素混合物高速通过装有喷嘴的弯曲轨道时，其轻组分在半径小的圆周上被浓缩，而重组分在半径大的圆周上被浓缩（图3 ）。

其分离效应主要是离心作用造成的，这种离心作用是由气流被适当形状的静壁偏转所引起的。工作气体是用氢气高度稀释的六氟化铀。

喷嘴法的单级分离系数介于气体扩散法和离心法之间，比能耗和比投资与气体扩散法相当或略大。1956年联邦德国用喷嘴法分离了六氟化铀，80年代与巴西联合投资准备筹建示范工厂。南非研制的涡流管法也是一种气体动力学方法。由于气体动力学法的比能耗和比投资都很高，已经成功应用扩散法的国家一般都不再研制气体动力学方法。

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。其原理

是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。

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。

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。

化学交换法利用不同化合物分子或离子间的同位素交换反应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。

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。

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。

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。（见彩图）

铀同位素分离

参考书目

S. Villani, ed., Uranium Enrichment,Topics in Applied Physics, Vol.35,

Springer-Verlag,Berlin,1979.

D. R. Olander, Technical Basis of the Gas Centrifuge,

E.J.Henley,

J.Lewins,ed.,Advances in Nuclear Science and Technology, Vol. 6, Academic Press,new York,1972.