鈾濃縮為什么要利用離心機？

【專家解說】：“濃縮”術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。濃縮設施分離鈾同位素的目的是提高鈾-235相對于鈾-238的相對豐度或濃度。這種設施的能力用分離功單位衡量。 若要在某些類型反應堆和武器中使用鈾，就必須對其進行濃縮。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)鏈式反應的濃度通常約為3.5％。用于武器和艦船推進的豐度通常約為93％。但艦船推進可以只需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獲得商用濃縮鈾的情況下，達到武器級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濃度的技術中，有7項技術特別重要： 氣體擴散法——這是商業(yè)開發(fā)的第一個濃縮方法。該工藝依靠不同質量的鈾同位素在轉化為氣態(tài)時運動速率的差異。在每一個氣體擴散級，當高壓六氟化鈾氣體透過在級聯(lián)中順序安裝的多孔鎳膜時，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，而留在膜管中的氣體則返回到較低級進行再循環(huán)。在每一級中，鈾-235/鈾-238濃度比僅略有增加。濃縮到反應堆級的鈾-235豐度需要1000級以上。 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的圓筒，或離心機。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出，并輸送到另一臺離心機進一步分離。隨著氣體穿過一系列離心機，其鈾-235同位素分子被逐漸富集。與氣體擴散法相比，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。 氣體動力學分離法——所謂貝克爾技術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噴嘴，然后穿過一個曲面，這樣便形成了可以從鈾-238中分離鈾-235同位素的離心力。氣體動力學分離法為實現(xiàn)濃縮比度所需的級聯(lián)雖然比氣體擴散法要少，但該法仍需要大量電能，因此一般被認為在經(jīng)濟上不具競爭力。在一個與貝克爾法明顯不同的氣體動力學工藝中，六氟化鈾與氫的混合氣體在一個固定壁離心機中的渦流板上進行離心旋轉。濃縮流和貧化流分別從布置上有些類似于轉筒式離心機的管式離心機的兩端流出。南非一個能力為25萬分離功單位的鈾-235最高豐度為5％的工業(yè)規(guī)模的氣體動力學分離廠已運行了近10年，但也由于耗電過大，而在1995年關閉。 激光濃縮法——激光濃縮技術包括3級工藝：激發(fā)、電離和分離。有2種技術能夠實現(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用激光束將鈾-235原子激發(fā)到一個特定的激發(fā)態(tài)或電離態(tài)，但不能激發(fā)或電離鈾-238原子。然后，電場對通向收集板的鈾-235原子進行掃描。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)率和復合率仍有待證明。在此應當指出的是，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散方面會更有利一些。 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動時其質量不同的離子由于旋轉半徑不同而被分離的方法。通過形成低能離子的強電流束并使這些低能離子在穿過巨大的電磁體時所產(chǎn)生的磁場來實現(xiàn)同位素電磁分離。輕同位素由于其圓周運動的半徑與重同位素不同而被分離出來。這是在20世紀40年代初期使用的一項老技術。正如伊拉克在20世紀80年代曾嘗試的那樣，該技術與當代電子學結合能夠用于生產(chǎn)武器級材料。 化學分離法——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量不同，它們將以不同的速率穿過化學“膜”。有2種方法可以實現(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粉狀樹脂來實現(xiàn)樹脂對溶液的緩慢過濾。 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?shù)入x子體通過一個由密式分隔的平行板組成的收集器時，具有大軌道的鈾-235離子會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。已知擁有實際的等離子體實驗計劃的國家只有美國和法國。美國已于1982年放棄了這項開發(fā)計劃。法國雖然在1990年前后停止了有關項目，但它目前仍將該項目用于穩(wěn)定同位素分離。 迄今為止，只有氣體擴散法和氣體離心法達到了商業(yè)成熟程度。所有這7項技術均在不同程度上具有擴散敏感性，因為它們都能夠在一項秘密計劃中不惜代價地被用于從天然鈾或低濃鈾生產(chǎn)高濃鈾。但是，由于這些技術的特征不同，因而將影響到其被探知的可能性。