鈾同位素分離
正文
由鈾235含量較低的鈾同位素混合物，獲得鈾235含量較高的鈾同位素混合物的同位素分離技術。鈾同位素分離在核燃料循環中占極重要的地位。鈾 235含量大於天然含量的鈾稱為濃縮鈾。濃縮鈾可用作反應堆的燃料(含量在3％左右),還可用作核武器的裝料（含量在90％以上）和艦艇的核動力燃料（含量在20％左右）。但是天然鈾中主要含有鈾238（含量為99.275％），而鈾235的含量僅為 0.720％。因此必須通過鈾同位素的分離來提高鈾同位素混合物中鈾235的含量。鈾同位素分離的研究起始於第二次世界大戰期間。1938年O.哈恩等人發現鈾核裂變釋放出大量能量，從此美國和德國為獲得武器級濃縮鈾都開展了分離鈾同位素的研究工作。1942年美國建造了電磁分離、氣體擴散和熱擴散三個鈾同位素分離工廠，並聯合生產了戰爭期間所用的鈾 235。現在分離鈾同位素的方法主要有氣體擴散法、離心法、噴嘴法、雷射法、化學交換法、電漿法等。具有工業價值的是氣體擴散法和離心法，雷射法的工業套用已經取得重大進展。
同位素分離的效率用分離係數或濃縮係數來表示。設分離前後鈾235的豐度分別為CF和CP,則分離係數α定義為
而濃縮係數ε則定義為ε＝α-1。同位素分離裝置的能力用分離功率來量度。分離功率表示該裝置單位時間所提供的分離功。分離功是一個分離裝置對於它所處理的物質所做的“功”，具有質量的量綱，在數值上等於同位素混合物通過該裝置所獲得的價值增量，可表示為： ΔU＝PV(CP)+W V(CW)-FV(CF)
式中P、W、F分別為精料、貧料、供料中的鈾質量；CP、CW、CF和V(CP)、V(CW)、V(CF)分別為所需同位素的豐度及價值函式。氣體擴散法 使待分離的氣體混合物流入裝有擴散膜（分離膜）的裝置來得到富集和貧化的兩股流的同位素分離方法。基本原理是：在分子間的相互碰撞忽略不計的情況下，氣體混合物中質量不同的氣體分子 (例如235UF6和238UF6)的平均熱運動速率與其質量二次方根成反比。當氣體通過擴散膜時,速率大的輕分子(235UF6)通過的幾率比速率小的重分子(238UF6)的大。這樣,通過膜以後，輕分子的含量就會提高，從而達到同位素分離的目的。
對於六氟化鈾氣體，氣體擴散法的理想單級濃縮係數為4.29×10-3。在實際擴散機中,濃縮係數遠不能達到理想值，70年代末80年代初，最高水平可達2×10-3。由於氣體擴散法的一次分離係數很小，在生產中需要把很多級按一定方式連線成級聯。簡單串聯級聯見圖1 ，
通過膜後的氣體（精料）送入前一級，未通過膜的氣體（貧料）送入後一級,鈾235逐級加濃。級聯還有並聯、搭接等多種形式。要得到90％豐度的鈾235同位素,就需要3000～4000個擴散機組成的長達幾千米的級聯裝置。 第二次世界大戰結束後，美國的實踐證明，氣體擴散法能夠用來大規模生產鈾 235。它是目前最成熟的大規模分離鈾同位素的方法，是對各種新的濃縮方法的大規模商業套用的挑戰，是比較各種方法的基本點。美國和法國大型氣體擴散工廠的分離功率達1萬噸/年以上，比能耗均在 2400千瓦·時/千克左右。氣體擴散法的缺點是分離係數小，工廠規模大，耗電量驚人，成本很高。
離心法 利用在離心力的作用下，分子質量不同的流體的壓強分布不同的原理分離同位素的方法。在巨大的離心力場作用下，輸入離心機的六氟化鈾氣體中的輕分子235UF6在離心機轉子中央部分加濃, 而重分子238UF6更多地趨於筒壁，造成鈾同位素在徑向的部分分離。
離心法的分離係數取決於兩種同位素分子的質量差，而與同位素分子本身質量無關。這就使得分離重同位素並不比分離輕同位素困難，有利於鈾同位素分離。另外，分離係數隨著離心機轉筒線速度的增加而迅速增加。實用工業離心機是高速逆流離心機(圖2)，
通過機械驅動、熱驅動和供料驅動等方式,在轉筒內部產生環流，使得在轉子的軸向上形成豐度梯度，分離係數大大增加。 離心法的優點是單級濃縮係數大，是氣體擴散法的100倍以上,濃縮到同樣程度所需要的級數大大減少。另一優點是比能耗小，只有氣體擴散法的十分之一左右。離心法的缺點是單機分離功率低，要形成一定的生產能力，需要的離心機數量很大，工業規模的離心工廠需要幾萬台甚至幾十萬台離心機。維持大量離心機長期正常運轉的技術難度大。此外，由於材料限制，高速轉子難以獲得，技術要求高。
目前離心法是氣體擴散法的最強的競爭者。西歐、美國和日本等國正在實施離心機發展計畫。80年代美國大型離心機已經達到建造商業工廠的階段，單機分離功率達200～600千克／年；西歐和日本也已達到建造示範工廠的水平，單機分離功率為3～30千克／年。
噴嘴法 利用氣體動力學原理分離同位素的方法。當氣體同位素混合物高速通過裝有噴嘴的彎曲軌道時，其輕組分在半徑小的圓周上被濃縮，而重組分在半徑大的圓周上被濃縮（圖3 ）。
其分離效應主要是離心作用造成的，這種離心作用是由氣流被適當形狀的靜壁偏轉所引起的。工作氣體是用氫氣高度稀釋的六氟化鈾。 噴嘴法的單級分離係數介於氣體擴散法和離心法之間，比能耗和比投資與氣體擴散法相當或略大。1956年聯邦德國用噴嘴法分離了六氟化鈾，80年代與巴西聯合投資準備籌建示範工廠。南非研製的渦流管法也是一種氣體動力學方法。由於氣體動力學法的比能耗和比投資都很高，已經成功套用擴散法的國家一般都不再研製氣體動力學方法。
雷射法 一種基於雷射束對同位素原子或含同位素的化合物分子的選擇性激發來分離同位素的方法。其原理是根據原子或分子在吸收光譜上的同位素效應，利用雷射的高度單色性、很高的光強和波長連續可調的特性，用特定波長的雷射選擇性地激發同位素混合物中某一同位素，進而產生電離或離解，未被激發的同位素仍處於基態。由於受激同位素原子或分子在物理和化學性質上與基態原子或分子差別較大，採用適當的物理或化學方法，即可使它們分離，從而獲得富集的同位素。
雷射法的優點是：①成本低，由於雷射分離同位素具有高度的選擇性，分離係數很高（濃縮鈾同位素時分離係數高達10，或者更高）,因此可以減少級聯裝置,縮小工藝過程，廠房占地面積小,耗電量也大為減少,比能耗比離心法更小。②充分利用貧化鈾，雷射法濃縮鈾幾乎可把鈾235全部回收。因此可以充分利用擴散工廠或離心工廠留下的大量貧料(鈾235豐度約為 0.2％～0.3％)，這就充分利用了鈾資源。雷射法的缺點是物理過程複雜，對工藝技術及材料設備要求高，選擇性激發受到各種因素的影響,分離產額低。雷射法是一種經濟的生產鈾235的新方法。美國用原子蒸氣雷射分離同位素已獲得成功，並將作為21世紀的濃縮鈾技術。世界各國也在競相開展雷射法分離鈾同位素的研究工作。
化學交換法 利用不同化合物分子或離子間的同位素交換反應來分離同位素的方法。過去一般用來分離輕同位素，現在由於找到合適的載體,提高了分離係數,減少了理論塔板高度，用該法來分離鈾同位素已獲得成功。最高的分離係數達1.001 5,這是通過在樹脂床上的四價鈾和在水溶液中的六價鈾的離子交換獲得的。
化學交換法的比能耗比擴散法小得多，但比投資卻相當高。該法沒有放射性污染，便於生產低濃縮鈾。在化學交換工廠中，工作物質的滯溜量（充料量）相當大，而且單級分離係數較小，這就使得工廠的平衡時間很長，是擴散工廠的10～100倍。
法國在化學交換法的研究中取得很好的進展，正在籌建一個分離功率約為100噸／年的示範工廠。
電漿法 基於電漿鏇轉和離子迴旋共振兩種原理來分離同位素的方法：①使高溫下產生的鈾電漿在電磁場中作高速鏇轉,在離心力場作用下,質量較大的鈾同位素電漿在徑向方向上逐漸加濃。這種鏇轉電漿裝置好象是一種外壁不動的高速離心機，其分離係數比氣體離心機高得多。②選擇電場的頻率在所需要的同位素離子共振頻率範圍內，這樣，所需要的同位素離子將在較大的迴旋半徑上循環，這就提供了所需要的同位素與其他同位素分離的可能性。電漿法分離係數很高，比能耗很小，尚處在實驗室階段。
鈾同位素分離與穩定同位素分離有著密切的關係，前者的許多方法是由後者發展起來的，其基本原理是相同的。（見彩圖）
鈾同位素分離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.
