铀同位素分离

1、铀同位素分离铀同位素分离的研究起始于第二次世界大战期间。1938年0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U235。现在分离铀同位素的方法主要有气体扩散法、气体离心法、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气体离心法，激光法的工业应用已经取得重大进展。本文将对以上提及的几种铀同位素分离方法的原理及优缺点进 行简要介绍。1. 电磁分离法电磁同位素分离（EMIS）技术是20世纪40年代初在美国曼哈顿计划中开发

2、出来的，目的是制造武器级高浓铀，但是不久以后被放弃。然而，它后来又重新出现，成为1992年发现的伊拉克秘密武器铀浓缩计划的主攻方向。该法是基于带电原子在磁场作圆周运动时，铀同位素质量不同的离子旋转半径不同而被分离的方法，与质谱仪原理相同。通过形成低能离子的强电流束，并使这些低能离子在穿过巨大的电磁体时所产生的磁场来实现铀同位素分 离，由于轻同位素与重同位素圆周运动半径不同而被分离。但是该技术的能耗巨大，约为气体扩散技术的十倍。2. 气体动力学分离法（喷嘴法）喷嘴法的原理是六氟化铀与氢（或氦）的气体 混合物通过喷嘴吹向凹形壁，即让流动着的六氟化 铀混合气体受到高速直线或离心的加速度，使较重 的U

3、238同位素比较轻的 U235更靠近壁面，这样利用 曲面末端的“刮板”可将气体分成浓缩铀和贫化铀 的两股流，如右图所示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。南非气体动力学分离厂也是由于耗电过大，在1995年关闭。3. 等离子体分离法该法是利用离子回旋共振原理，有选择性地激发铀同位素离子中等离子体U235的能量,当等离子体通过密式

4、分隔的平行板收集器时，因U235离子具有大轨道而更多地沉积在平行板上，其余的等离子体贫化离子则积聚在收集器的端板上。实际拥有等离子体实验计划的只有美国和法国，1982年美国已放弃了这项开发计划，在1990年前后，法国虽停了有关项目，但仍将该项目用于稳定同位素分离。4. 同位素化学分离法铀的几种同位素在质量上的微小差异，能引起化学反应平衡的小的变化，这可用来作同位素分离的基础。有两种方法能实现这种分离：一是法国开发的溶剂萃取法，二是日本使用的离子交换法。法国工艺是将萃取塔中两种不互溶的液体混和，由此产生类似摇晃一瓶油水混合液；日本离子交换工艺，是使用一种精细粉状树脂对一种水溶液进行缓慢过滤。该法

5、相对于其他几种方法具有能耗低、设备简单、工艺过程环保的优点，另外该法还可有效利用天然铀资源，相关资料显示，离子交换法的尾料中U235含量仅为0.1%左右。化学法分离铀同位素的分离系数小，它可以生产反应堆用的低浓铀。但是化学法达到生产平衡的 时间长，生产高浓铀的周期比较长；同时,设备内铀的滞留量较大，高浓铀容易达到临界。因此 化学法不宜用于军事目的，有利于防止核扩散，技术可以出口。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。5. 气体扩散法这是最早、最成熟的铀同位素方法，也是商业开发的第一种浓缩方法。该法利用铀同位素质量不同，在转化为气态时有运动速率

6、差。在每一气体扩散级，当高压六氟化铀气体穿过联级多孔镍膜时，其 U235轻分子气体更快地穿过多孔膜壁。已通过膜管的气体随后被泵送 到下一级，而留在膜管中的气体则返回较低级再循环。在每一膜滤级中U235浓度仅略有增加，浓缩到反应堆级的 U235丰度需千级膜滤以上。目前"气体扩散法约占世界总浓缩能力的25%，虽然它是一项经久耐用耐的可靠技术，但因这种泵送过程耗电量很大，且大多数气体扩散厂己接近设计寿命，所以总体倾向能耗低的离心分离技术。美国铀浓缩公司（USEC）于2013年5月底关停了帕杜卡（Paducah）气体扩散铀浓缩厂，该厂建于20世纪50年代，是目前全球唯座仍在运行的气体扩散铀浓

7、缩厂。6. 气体离心法因此大多数新浓缩厂采用该气体离心法是在 20世纪40年代由德国工程师 （Gernot Erppe ）发明的那种逆流型气体离心机的原 理发展成功的。其理论基础是通过重力或离心力场 分离U235与U238同位素。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。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法占世界总浓缩能力的大约65%。离心法的缺点是单机分离功

8、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 高。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7激光分离铀同位素与扩散技术和离心技术利用同位素的质量差别进行分离不同，激光技术是利用同位素质量差别所引起的激发能差别，根据不同同位素原子（或由其组成的分子）在吸收光谱上的微小差别（称为同位素位移），用线宽极窄即单色性极好的激光，选择性地将某一原子（或分子）激发到特定的激发态，再用物理或化学方法使之与未激发的原子（或分子）相分离。激光同位素分离的基本方法分离方法k锻光餓蕪统的响砲系统的釀态隈子義汽光压法霰外

9、，可见动鈕转移同几何偽转光化反应电子瓏生（b）牝学反应牝学产狗红外十（紫外就可见）选様徽发+电翼|电方法收址离子纯元灌吒悴并子光比瓦应紫外.可见曲子壶融发（甜代学反旋1化学产畅光致于离解懑发到予需崛苗（e）解离碎片光吧反应红外f抵寿命抵动态籤发（f）代学反应化学产恂滋烷到解專的撫动态（6）解騙戒炜枸代）碎片昇抽体两挣光解崗红外十傑外戍可见J选择援动越发+解蛊（h）解离碎片激光浓缩法曾是人们关注的焦点，因为它可能大幅降低能耗、建设费用和尾料丰度。该法可能产出很纯的铀 U235,但总体生产率和复合率还有待证明。需要指出的是，分子激光法只适用浓缩六氟化铀，不适于“净化”高燃耗钚金属，而既能浓缩铀金属也能浓缩钚金属的 原子激光法也能“净化”钚金属，因此”分子激光法比原子激光法在防扩散方面更有利。美国用原子蒸气激光分离同位素已获得成功，据了解全球激光浓缩公司（GLE ）正计划在北卡罗来纳州威尔明顿建设一座商业激光铀浓缩设施，该项目已经获得美国政府的批准。参考资料：1 王成孝核能与核技术应用北京：原子能出版社 2002.2292342 曾铁铀和铀浓缩及其方法综述湖南工业职业技术学院学报 2013年2月13卷1期3 杨恩波.离子交换色谱法分离铀同位素.第七届稳定同位素学术成果交流会论文集7547574