[科普中國]-原子蒸氣激光同位素分離

原子蒸氣激光同位素分離法，也稱AVLIS，為一種選擇性電離元素（通常是鈾）中特定質(zhì)量的同位素，實(shí)現(xiàn)同位素分離的方法。其使用特殊工作波長的調(diào)諧激光，原理基于不同質(zhì)量的同位素吸收光譜存在同位素位移。

簡介原子蒸氣激光同位素分離法，也稱AVLIS，為一種選擇性電離元素（通常是鈾）中特定質(zhì)量的同位素，實(shí)現(xiàn)同位素分離的方法。其使用特殊工作波長的調(diào)諧激光，原理基于不同質(zhì)量的同位素吸收光譜存在同位素位移。

較之氣體離心法，AVLIS能夠?qū)崿F(xiàn)更低的能耗與更高的分離效率。其分離過程也能減少傳統(tǒng)法所帶來的較大放射性廢料排放量。

另一種與其類似的技術(shù)利用激光分離分子而非原子，被稱為分子激光同位素分離工藝（MLIS）。1

原理由于它們的超精細(xì)結(jié)構(gòu)差異，235U與238U的吸收光譜存在細(xì)微不同：235U的吸收峰位于502.74nm，而U的吸收峰則移動(dòng)至502.73nm。AVLIS過程使用可調(diào)諧染料激光，這種激光的中心發(fā)射波長能被準(zhǔn)確調(diào)諧，使混合物中的235U吸收光子躍遷至激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生光致游離并電離成離子。電離出的235U離子束被靜電場偏置方向進(jìn)入收集裝置，而中性的238U則不受電場影響無礙通過。

一套完整的AVLIS系統(tǒng)由鈾蒸發(fā)系統(tǒng)、激光系統(tǒng)與尾料收集器組成。鈾蒸發(fā)系統(tǒng)通常由大功率條帶式或掃描式電子束槍組成，打到混合物靶上的能量大于2.5 kW/cm，生成高純度的氣態(tài)鈾元素。1

激光激發(fā)通常情況下，AVLIS使用的激光器由兩級組成：銅蒸氣激光器（CVL）與可調(diào)脈沖染料激光器。前者的作用是染料激光器的泵浦光源。銅蒸氣激光器作為波長、模式可調(diào)諧的主振蕩器提供窄線寬、低噪聲與高波長穩(wěn)定性的種子光源。它的輸出功率被作為光放大器的染料激光器放大，并最終照射至鈾蒸汽樣品上。需要指出的是在AVLIS過程中235U原子并非被直接電離，而是吸收一個(gè)小于電離能的光子到達(dá)激發(fā)態(tài)，再吸收第二、第三個(gè)光子的能量完成電離的逐級電離過程。因此AVLIS的激光裝置需三個(gè)不同波長的激光照射鈾蒸氣以完成三光子電離。

分離其它元素的原子蒸氣激光同位素（如對鋰的同位素分離）通常采用窄線寬的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。1

商業(yè)化與國際意義在1994年，在美國政府史上規(guī)模最大的聯(lián)邦技術(shù)轉(zhuǎn)移過程中，AVLIS流程被轉(zhuǎn)讓至美國濃縮公司（United States Enrichment Corporation）并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。但在投資了一億美元資金后，美國濃縮公司在1996年6月9日取消了AVLIS技術(shù)的生產(chǎn)計(jì)劃。

當(dāng)前某些國家仍然在持續(xù)研究推進(jìn)AVLIS技術(shù)與配套工藝，并使國際社會對核技術(shù)監(jiān)管提出了挑戰(zhàn)。根據(jù)目前的公開資料顯示，伊朗曾經(jīng)秘密開展過AVLIS技術(shù)的研究計(jì)劃。但在2003年被曝光后，伊朗政府聲稱該計(jì)劃所涉及的實(shí)驗(yàn)設(shè)施已被拆除。1

工藝簡史公開文獻(xiàn)來源顯示，AVLIS技術(shù)最早于1970年代初分別被前蘇聯(lián)與美國同時(shí)發(fā)明。在美國，盡管有數(shù)個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室參與了AVLIS的早期研究，其主要研究工作實(shí)由勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)進(jìn)行。包括澳大利亞（1982-1984）、法國（1984）、印度（1994）與日本（1996）等國家的學(xué)術(shù)界也陸續(xù)發(fā)表了可用于AVLIS濃縮鈾的可調(diào)諧激光器研究。2

參見美國原子能委員會

電磁型同位素分離器

原子譜線

氣體擴(kuò)散法

激光

核燃料循環(huán)

核能

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李航 - 副教授 - 西南大學(xué)