什么是鈾濃縮？

【專家解說】：鈾濃縮 來源： 不擴(kuò)散核武器條約締約國2005年審議大會(huì) “濃縮”術(shù)語的使用涉及旨在提高某一元素特定同位素豐度的同位素分離過程，例如從天然鈾生產(chǎn)濃縮鈾或從普通水生產(chǎn)重水。濃縮設(shè)施分離鈾同位素的目的是提高鈾-235相對(duì)于鈾-238的相對(duì)豐度或濃度。這種設(shè)施的能力用分離功單位衡量。 若要在某些類型反應(yīng)堆和武器中使用鈾，就必須對(duì)其進(jìn)行濃縮。這意味著必須提高易裂變鈾-235的濃度，然后才能將其制成燃料。這種同位素的天然濃度是0.7％，而在大多數(shù)通用商業(yè)核電廠中，持續(xù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的濃度通常約為3.5％。用于武器和艦船推進(jìn)的豐度通常約為93％。但艦船推進(jìn)可以只需20％或更低的豐度。鑒于在豐度0.7％至2％之間需要與豐度2％至93％之間同樣多的分離功，因此濃縮過程不是線性的。這意味著在能夠隨時(shí)獲得商用濃縮鈾的情況下，達(dá)到武器級(jí)的濃縮工作量可減少到不足一半，而鈾的供料量可減少到20％以下。 在適用于提高鈾-235濃度的技術(shù)中，有7項(xiàng)技術(shù)特別重要： 氣體擴(kuò)散法——這是商業(yè)開發(fā)的第一個(gè)濃縮方法。該工藝依靠不同質(zhì)量的鈾同位素在轉(zhuǎn)化為氣態(tài)時(shí)運(yùn)動(dòng)速率的差異。在每一個(gè)氣體擴(kuò)散級(jí)，當(dāng)高壓六氟化鈾氣體透過在級(jí)聯(lián)中順序安裝的多孔鎳膜時(shí)，其鈾-235輕分子氣體比鈾-238分子的氣體更快地通過多孔膜壁。這種泵送過程耗電量很大。已通過膜管的氣體隨后被泵送到下一級(jí)，而留在膜管中的氣體則返回到較低級(jí)進(jìn)行再循環(huán)。在每一級(jí)中，鈾-235/鈾-238濃度比僅略有增加。濃縮到反應(yīng)堆級(jí)的鈾-235豐度需要1000級(jí)以上。 氣體離心法——在這類工藝中，六氟化鈾氣體被壓縮通過一系列高速旋轉(zhuǎn)的圓筒，或離心機(jī)。鈾-238同位素重分子氣體比鈾-235輕分子氣體更容易在圓筒的近壁處得到富集。在近軸處富集的氣體被導(dǎo)出，并輸送到另一臺(tái)離心機(jī)進(jìn)一步分離。隨著氣體穿過一系列離心機(jī)，其鈾-235同位素分子被逐漸富集。與氣體擴(kuò)散法相比，氣體離心法所需的電能要小很多，因此該法已被大多數(shù)新濃縮廠所采用。 氣體動(dòng)力學(xué)分離法——所謂貝克爾技術(shù)是將六氟化鈾氣體與氫或氦的混合氣體經(jīng)過壓縮高速通過一個(gè)噴嘴，然后穿過一個(gè)曲面，這樣便形成了可以從鈾-238中分離鈾-235同位素的離心力。氣體動(dòng)力學(xué)分離法為實(shí)現(xiàn)濃縮比度所需的級(jí)聯(lián)雖然比氣體擴(kuò)散法要少，但該法仍需要大量電能，因此一般被認(rèn)為在經(jīng)濟(jì)上不具競爭力。在一個(gè)與貝克爾法明顯不同的氣體動(dòng)力學(xué)工藝中，六氟化鈾與氫的混合氣體在一個(gè)固定壁離心機(jī)中的渦流板上進(jìn)行離心旋轉(zhuǎn)。濃縮流和貧化流分別從布置上有些類似于轉(zhuǎn)筒式離心機(jī)的管式離心機(jī)的兩端流出。南非一個(gè)能力為25萬分離功單位的鈾-235最高豐度為5％的工業(yè)規(guī)模的氣體動(dòng)力學(xué)分離廠已運(yùn)行了近10年，但也由于耗電過大，而在1995年關(guān)閉。 激光濃縮法——激光濃縮技術(shù)包括3級(jí)工藝：激發(fā)、電離和分離。有2種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這種濃縮，即“原子激光法”和“分子激光法”。原子激光法是將金屬鈾蒸發(fā)，然后以一定的波長應(yīng)用激光束將鈾-235原子激發(fā)到一個(gè)特定的激發(fā)態(tài)或電離態(tài)，但不能激發(fā)或電離鈾-238原子。然后，電場對(duì)通向收集板的鈾-235原子進(jìn)行掃描。分子激光法也是依靠鈾同位素在吸收光譜上存在的差異，并首先用紅外線激光照射六氟化鈾氣體分子。鈾-235原子吸收這種光譜，從而導(dǎo)致原子能態(tài)的提高。然后再利用紫外線激光器分解這些分子，并分離出鈾-235。該法似乎有可能生產(chǎn)出非常純的鈾-235和鈾-238，但總體生產(chǎn)率和復(fù)合率仍有待證明。在此應(yīng)當(dāng)指出的是，分子激光法只能用于濃縮六氟化鈾，但不適于“凈化”高燃耗金屬钚，而既能濃縮金屬鈾也能濃縮金屬钚的原子激光法原則上也能“凈化”高燃耗金屬钚。因此，分子激光法比原子激光法在防擴(kuò)散方面會(huì)更有利一些。 同位素電磁分離法——同位素電磁分離濃縮工藝是基于帶電原子在磁場作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)其質(zhì)量不同的離子由于旋轉(zhuǎn)半徑不同而被分離的方法。通過形成低能離子的強(qiáng)電流束并使這些低能離子在穿過巨大的電磁體時(shí)所產(chǎn)生的磁場來實(shí)現(xiàn)同位素電磁分離。輕同位素由于其圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與重同位素不同而被分離出來。這是在20世紀(jì)40年代初期使用的一項(xiàng)老技術(shù)。正如伊拉克在20世紀(jì)80年代曾嘗試的那樣，該技術(shù)與當(dāng)代電子學(xué)結(jié)合能夠用于生產(chǎn)武器級(jí)材料。 化學(xué)分離法——這種濃縮形式開拓了這樣的工藝，即這些同位素離子由于其質(zhì)量不同，它們將以不同的速率穿過化學(xué)“膜”。有2種方法可以實(shí)現(xiàn)這種分離：一是由法國開發(fā)的溶劑萃取法，二是日本采用的離子交換法。法國的工藝是將萃取塔中2種不互溶的液體混和，由此產(chǎn)生類似于搖晃1瓶油水混合液的結(jié)果。日本的離子交換工藝則需要使用一種水溶液和一種精細(xì)粉狀樹脂來實(shí)現(xiàn)樹脂對(duì)溶液的緩慢過濾。 等離子體分離法——在該法中，利用離子回旋共振原理有選擇性地激發(fā)鈾-235和鈾-238離子中等離子體鈾-235同位素的能量。當(dāng)?shù)入x子體通過一個(gè)由密式分隔的平行板組成的收集器時(shí)，具有大軌道的鈾-235離子會(huì)更多地沉積在平行板上，而其余的鈾-235等離子體貧化離子則積聚在收集器的端板上。已知擁有實(shí)際的等離子體實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的國家只有美國和法國。美國已于1982年放棄了這項(xiàng)開發(fā)計(jì)劃。法國雖然在1990年前后停止了有關(guān)項(xiàng)目，但它目前仍將該項(xiàng)目用于穩(wěn)定同位素分離。 迄今為止，只有氣體擴(kuò)散法和氣體離心法達(dá)到了商業(yè)成熟程度。所有這7項(xiàng)技術(shù)均在不同程度上具有擴(kuò)散敏感性，因?yàn)樗鼈兌寄軌蛟谝豁?xiàng)秘密計(jì)劃中不惜代價(jià)地被用于從天然鈾或低濃鈾生產(chǎn)高濃鈾。但是，由于這些技術(shù)的特征不同，因而將影響到其被探知的可能性。 http://www.un.org/chinese/News/focus/nuclear19.htm