铀同位素浓缩方法

铀同位素浓缩方法摘要：本文主要讲述用同位素浓缩原理，掌握主要常用浓缩方法，各自原理特点和不同方法之间的优缺点。关键词：易裂变核素，分离功，分离功率，丰度，分离系数，浓缩系数等。自然界中铀是234U（0.0057%）、235U（0.7115）、238U（99.28%）三种核素组成的混合物。其中235U是在自然界中唯一易裂变核素（用任意能量的中子轰击都能引起其原子核裂变的可裂变核素）。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。绝大多数动力堆用的是低加浓由作燃料，其中235U的丰度（又称天然存在比，指的是该同位素在这种元素的所有天然同位素中所占的比例。丰度的大小一般以百分数表示。人造同位素的丰度为零）为1.5%~5%，而军事和核工业用的浓缩铀在90%以上，所以有的浓度在燃料循环和和核能生产中占有十分重要的地位。一个同位素分离的分离能力常用它的分离功率（单位时间消耗的分离功）来表示。分离功是分离功率是同位素分离装置消耗的功的量度。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：SW=P·V(𝐗𝐏)+W·V(𝐗𝐖)-F·V(𝐗𝐅)上式中P、W、F分别为精料、贫料、供料中的铀质量；XP、XW、XF和V(XP)、V(XW)、V(XF)分别为所需同位素的丰度及价值函数。常用kgSWU为单位，称为千克分离功单位。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：α=CP1−CPCF1−CF⁄浓缩系数ε则定义为ε＝α-1。1.气体扩散法气体扩散法是用于铀同位素分离的最早、最成熟的铀同位素方法，也是商业开发的第一种浓缩方法。它是一种使待分离的气体混合物，流入装有分离膜的装置来得到浓缩和贫化的两股物流的同位素分离方法。其分离原理是在分子间相互碰撞可以忽略不计的情况下，气体混合物中分子的平均热运动速度反比质量的平方根。因此，铀的两种主要同位素235U和238U的六氟化物（UF6），由于质量不同，他们分子运动速度不同。含235U的UF6分子的运动速度略大于较重的238U的UF6分子的运动速度。当它们沿着多空分离膜流动时，通过膜的轻分子的数目相对多些（单位时间内轻分子碰撞器壁的概率大），而剩下来没有穿过分离膜的气体中，重分子数目相对多些，这样就达到了分离的目的。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，是目前全球唯一一座仍在运行的气体扩散铀浓缩厂。∅1=N1Ph(2πM1RT)12⁄∅2=(1−N1)Ph(2πM2RT)12⁄式中N1为轻组分摩尔数即含235U的UF6分子的摩尔数，Ph为高压区的总压力，M1为235UF6的相对分子质量，M2为238UF6的相对分子质量。根据两式可得到单级全分离系数（αβ）O:（αβ）O=∅1∅2⁄=√M1M2=√352349=1.004我们选择的原料为UF6。因为氟只有一种质量数为19的同位素，所以在各分子形成的UF6之间的质量差，完全取决于铀同位素。在理想条件我们计算出的全分离系数（αβ）O=1.004。实际上分离膜的孔径大小、几何形状在孔附近不同分子间的碰撞等，与理想条件铀一定差别，使得高压区的轻组分的实际丰度大于理想条件下的丰度，故实际的全分离洗漱（αβ）O小于1.004.气体扩散的单级分离系数（又称分离因子。表示某一单元分离操作或某一分离流程将两种物质分离的程度。通常有两种定义：单级分离系数，表示物料中两种物质在某一单元分离操作（单级分离操作）前后相对含量的比值，流程分离系数，表示物料中两种物质在经过某一分离流程前后相对含量的比值）是很小的，通常小于1.002.因此要想将天然铀中235U的丰度提高到3%，且贫油化中含0.255U,则大约需要1400级串联起来的压缩机压缩气体，又需水冷却，所以气体扩散厂占地面积大、能耗大（根据国外数据，约为2400KWh·SWU−1）、冷却水用量大，致使投资大，建厂周期大。但它有个最大的优点，就是生产量大。2.离心法气体离心分离法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在离心法中称径向平衡分离系数（单级分离系数的一种），可由下式表示：(αβ)O=[P(0),M1P(0),M2⁄][P(r),M1P(r),M2⁄]⁄=e（M2−M1）ω2r22RT⁄上式表明，离心法的分离系数与圆周速度的平方和被分离的各种分子形式的质量差有关，而与含有被分离同位素的元素组成的化合物有关。这些性质是离心法所特有的。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。因此大多数新浓缩厂采用该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。3.喷嘴法（气体动力学分离法）喷嘴法是一种利用气体动力学原理分离同位素的方法。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U238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。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。4.激光分离法激光分离同位素是根据原子或分子在吸收光谱上的同位素位移，用特定波长的激光激发某特定同位素原子或含该原子的分子，再通过物理或化学方法使激发态原子或分子与基态成分分开，从而达到浓缩同位素的目的。激光法分离同位素与前述三种方法相比具有以下特点：（1）分离系数大。利用激光的高度单色性，选择性地激发同位素混合物中某特定同位素原子或含有该原子的分子，对其他的同位素原子或分子影响很小，故分离系数大（而气体扩散、离心法等是利用同位素质量的微小差别来进行分离，分离系数很小）。（2）能量消耗低。由于是极强的选择性激发和电离，所以能量仅消耗在特定的同位素原子或含有该原子的分子上。而扩散法、离心法等则是将能量消耗在同位素在同位素混合物各原子或分子上。(3)平衡时间短。由于激光分离系数大、分离单元少，因此平衡时间很短，大大减少了系统装置中的滞留量（气体扩散的平衡时间需要几个月，激光法几乎不需要平衡时间）。（4）产生的废物少。减少了三废污染，整个分离过程不需要化学试剂，仅需要激光器发生的激光光子。激光同位素分离的基本方法原子或分子体系激光分离同位素，都必须满足：1.被利用的原子或分子的光谱有同位素位移；2.有与被分离同位素频率相匹配的合适的激光器；3.利用合适的物理或化学方法，收集产品。各国科技工作者正在从上述三方面进行研究（特别是前两点），一期达到商用阶段。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。其他浓缩法：1.化学交换法该方法是利用同位素之间具有微小的化学性质（化学平衡、反应速度等）的差异来进行同位素分离的。溶液中四价铀与六价铀共存时，六价铀离子中的235U6+比235U4+多，且离子交换树脂对六价铀的吸附远大于四价铀的吸附，当氧化剂、四价和六价铀的混合溶液、还原剂依次加入离子交换柱时，铀溶液在交换柱内的移动过程经历反复的吸附、分离，最后在柱上的上部235U被浓缩。本方法分离系数很小，约为1.0015。2.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。3.等离子体法天然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。4.热扩散法当组成均匀的气体或液体混合物中有温度梯度时，轻组分将富集在热区而重组分将富集在冷区，这就是热扩散效应。将欲分离的同位素混合物放在两个垂直的同心圆管中间，内管加热，外壁冷却。由于热扩散效应，轻组分在热壁表面附近富集，重组分在冷壁表面富集，同时内壁附近气体受热上升，外管内壁附近气体因冷却下降。由于热对流的结果，富集了的轻组分气体和重组分气体经多次逆流接触，使得简单热扩散效应效果倍增。热扩散柱结构简单,操作方便,应用范围广泛，是实验室中分离轻同位素的主要手段。参考资料：[1]王成孝.核能与核技术应用.北京：原子能出版社.2002.229~234[2]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754~757[4]世界铀浓缩技术发展现状核燃料循环2006年12月19~21[5]全球铀浓缩市场概况.核燃料循环.2010年第10期21~24[6]美国关闭帕杜卡气体扩散铀浓缩厂.核燃料循环.2013年6月第22页[7]王焕灯.激光同位素分离近况.激光与光电子学进展.1982年05期[8]杨伯和.化学法分离铀同位素.铀矿冶.2000年2月第19卷第1期[9]王祥云.核化学与放射化学.2007年3月第1版[112012164118王文博