铀-235的富集

2017/8/24 9:29:47

从铀矿中获得的精铀产品是天然铀产品。在纯天然铀中能够被热中子轰击发生裂变反应的铀-235仅占0.71%，99.27%的铀-238，热中子轰击不会发生裂变反应。也就是说，每1000个铀原子中，只有7个可被热中子轰击发生裂变，要作为核电厂轻水堆（压水堆和沸水堆）的燃料，需要把铀-235的浓度提高到2.5%~5%。如果要用到研究堆去做燃料，需要把铀-235浓度提高到10%~90%。若要用来制造原子弹，则需要把铀-235浓度提高到90%以上。
铀-235和铀-238是同一元素的同位素，它们在化学性质上没有什么差别，只是在质量上有微小差别，相差约1%。因此，要实现铀-235和铀-238分离，把铀-235富集起来，技术上的难度是很大的。提高铀-235浓度（称为富集）的方法，现在主要有气体扩散法、高速离心法和激光法。
1．利用分子扩散的气体扩散法
气体扩散法就是把铀转化成六氟化铀气体，做成高压供料流。当它们通过特制的多孔膜时，质量较轻的铀-235分子运动速度大，容易透过膜。质量较重的铀-238分子运动速度小，不易透过膜。扩散膜要求很高，1平方厘米上有几亿个微孔，要求耐腐蚀和能承受很大的压差。气体扩散法使铀-235和铀-238分离开来，实际上，一次扩散分离的效果是很低的。要将铀-235的浓度从0.71%提高到3%，需要一千多个分离单元串联起来，所以铀扩散工厂是一个庞大的工厂，并且是一个耗电大户。
2．利用质量差别的气体离心法
离心法是将铀转化成六氟化铀气体后做供料，注入高速离心机。离心机的转速很高，每分钟的转速超千转。在高速旋转离心力的作用下，质量较重的铀-238甩向离心机转筒的壁面附近，质量较轻的铀-235，聚集在转筒中心轴线附近。这样，铀-235和铀-238得到了分离。因为单台离心机的生产量是很小的，需要许多台离心机串联起来使用，才能获得满足需要的分离产品。
离心法比扩散法耗电少，经济性高，设备使用寿命长，已在逐渐替代扩散法富集铀-235。预计到2010-2015年，气体离心技术将取代气体扩散技术。美国开发的第五代离心机转子高达15米多，直径达76.2厘米，转速达到每分钟1万转，单机生产能力为400~600千克分离功/年。
3．利用光谱差别的激光法
激光法是根据铀-235和铀-238原子（或分子）吸收光谱的微小差别来实现分离的。激光法分为原子激光法和分子激光法。前者直接浓缩金属铀蒸气，而后者则是对六氟化铀气体进行分离。目前，原子激光法开发比较成熟。
原子激光法是将金属铀熔化，蒸发形成原子蒸气束。用特定的激光与铀原子蒸气束相作用，有选择性地激发铀原子。铀-235原子被激发电离，形成等离子体，铀-238原子不被激发。受激发的铀-235在电场作用下发生偏转，将其引出来，收集在精料板上。铀-238原子不被激发，仍为中性，收集在贫料板上，这样实现铀-235和铀-238的分离。
激光法分离铀同位素是新开发的技术，具有分离系数高，耗电少，生产灵活，分离级数少，工厂规模小等优点，正在向工业化应用发展。