[科普中國]-同位素濃縮材料

激光簡化了同位素濃縮

密歇根大學(xué)研究人員開發(fā)了一種簡單有效的方法來生產(chǎn)濃縮同位素膜。此法用臺(tái)式太瓦激光器，提供一個(gè)簡潔方法來替換傳統(tǒng)的氣體擴(kuò)散技術(shù)。一臺(tái)780 nm的鈦寶石啁啾脈沖放大激光器用超短高能脈沖燒蝕一固體靶。擴(kuò)張的等離子體使較輕的同位素位于其中心，較重同位素則呈螺旋形分布于外部區(qū)域。由于脈沖很短（150～200 fs），強(qiáng)度可高達(dá)1PW/ 。超快激光脈沖聚焦于靶產(chǎn)生磁場，磁場偏轉(zhuǎn)原子，將輕重原子分離，以基片捕獲原子研究人員用各種靶來做實(shí)驗(yàn)，有氮化硼、氮化鎵、鋅、鈦和銅。該校超快光科學(xué)中心的Peter Proko說，在所有的情形中，較低的同位素濃縮在燒蝕方向的中心，在材料表面激光脈沖產(chǎn)生等離子體。等離子體片沿表面的法線方向擴(kuò)展，含有高度聚集的帶電離子和熱電子。擴(kuò)展等離子體產(chǎn)生的電磁場加速這些帶電粒子。他說："這基本上是一個(gè)處于自身動(dòng)力學(xué)磁場中的等離子體離心機(jī)。"半導(dǎo)體工業(yè)可能是這一開發(fā)的受益者，因?yàn)榧兺凰乇∧ど崽貏e好。例如，由純碳-12組成的金剛石比含有99%-碳12天然金剛石的熱傳導(dǎo)率高12個(gè)數(shù)量級。這個(gè)理論好的方面在于它很簡單，很直接，所需要的只是激光和固態(tài)靶，且過程是自動(dòng)的，無需外加磁場，麻煩的準(zhǔn)直過程全部包含在很小的激光等離子體內(nèi)。1

鈾材料濃縮把包含該元素的較重和較輕同位素的氣體輸送到離心機(jī)（一種以非常高的速度旋轉(zhuǎn)的管子）中。

鈾同位素濃縮自然界中鈾是 （0.0057%）、 （0.7115）、 （99.28%）三種核素組成的混合物。其中 是在自然界中唯一易裂變核素（用任意能量的中子轟擊都能引起其原子核裂變的可裂變核素）。從鈾礦石中提煉出的核純級天然鈾，仍是 、 、的混合物，其中易裂變核素 僅占0.72%。因此天然鈾除可用作生產(chǎn)堆和少數(shù)動(dòng)力堆的燃料外，在大多數(shù)動(dòng)力堆及其它應(yīng)用領(lǐng)域都還不能直接利用。絕大多數(shù)動(dòng)力堆用的是低加濃由作燃料，其中的豐度（又稱天然存在比，指的是該同位素在這種元素的所有天然同位素中所占的比例。豐度的大小一般以百分?jǐn)?shù)表示。人造同位素的豐度為零）為1.5%~5%，而軍事和核工業(yè)用的濃縮鈾在90%以上，所以有的濃度在燃料循環(huán)和和核能生產(chǎn)中占有十分重要的地位。

一個(gè)同位素分離的分離能力常用它的分離功率（單位時(shí)間消耗的分離功）來表示。分離功是分離功率是同位素分離裝置消耗的功的量度。具有質(zhì)量的量綱，在數(shù)值上等于同位素混合物通過該裝置所獲得的價(jià)值增量，可表示為：

上式中P、W、F分別為精料、貧料、供料中的鈾質(zhì)量；XP、XW、XF和V(XP)、V(XW)、V(XF)分別為所需同位素的豐度及價(jià)值函數(shù)。常用kgSWU為單位，稱為千克分離功單位。同位素分離的效率用分離系數(shù)或濃縮系數(shù)來表示。設(shè)分離前后鈾235的豐度分別為CF和CP，則分離系數(shù)α定義公式如圖一：

濃縮系數(shù)ε則定義為ε=α-1。

氣體擴(kuò)散法氣體擴(kuò)散法是用于鈾同位素材料分離的最早、最成熟的鈾同位素材料方法，也是商業(yè)開發(fā)的第一種濃縮方法。它是一種使待分離的氣體混合物，流入裝有分離膜的裝置來得到濃縮和貧化的兩股物流的同位素分離方法。其分離原理是在分子間相互碰撞可以忽略不計(jì)的情況下，氣體混合物中分子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度反比質(zhì)量的平方根。

因此，鈾的兩種主要同位素 和 的六氟化物（ ），由于質(zhì)量不同，他們分子運(yùn)動(dòng)速度不同。含 的分子的運(yùn)動(dòng)速度略大于較重的 的分子的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)它們沿著多空分離膜流動(dòng)時(shí)，通過膜的輕分子的數(shù)目相對多些（單位時(shí)間內(nèi)輕分子碰撞器壁的概率大），而剩下來沒有穿過分離膜的氣體中，重分子數(shù)目相對多些，這樣就達(dá)到了分離的目的。目前"氣體擴(kuò)散法約占世界總濃縮能力的25%，雖然它是一項(xiàng)經(jīng)久耐用耐的可靠技術(shù)，但因這種泵送過程耗電量很大，且大多數(shù)氣體擴(kuò)散廠己接近設(shè)計(jì)壽命，所以總體傾向能耗低的離心分離技術(shù)。美國鈾濃縮公司（USEC）于2013年5月底關(guān)停了帕杜卡（Paducah）氣體擴(kuò)散鈾濃縮廠，該廠建于20世紀(jì)50年代，是目前全球唯一一座仍在運(yùn)行的氣體擴(kuò)散鈾濃縮廠。

式中N1為輕組分摩爾數(shù)即含 的 分子的摩爾數(shù)，Ph為高壓區(qū)的總壓力，M1為235的相對分子質(zhì)量，M2為238的相對分子質(zhì)量。根據(jù)兩式可得到單級全分離系數(shù)（αβ）O：

我們選擇的原料為 。因?yàn)榉挥幸环N質(zhì)量數(shù)為19的同位素，所以在各分子形成的 之間的質(zhì)量差，完全取決于鈾同位素材料。在理想條件我們計(jì)算出的全分離系數(shù)（αβ）O=1.004。實(shí)際上分離膜的孔徑大小、幾何形狀在孔附近不同分子

間的碰撞等，與理想條件鈾一定差別，使得高壓區(qū)的輕組分的實(shí)際豐度大于理想條件下的豐度，故實(shí)際的全分離洗漱（αβ）O小于1.004.氣體擴(kuò)散的單級分離系數(shù)（又稱分離因子。表示某一單元分離操作或某一分離流程將兩種物質(zhì)分離的程度。通常有兩種定義：單級分離系數(shù)，表示物料中兩種物質(zhì)在某一單元分離操作（單級分離操作）前后相對含量的比值，流程分離系數(shù)，表示物料中兩種物質(zhì)在經(jīng)過某一分離流程前后相對含量的比值）是很小的，通常小于1.002.因此要想將天然鈾中 的豐度提高到3%，且貧油化中含0.255U，則大約需要1400級串聯(lián)起來的壓縮機(jī)壓縮氣體，又需水冷卻，所以氣體擴(kuò)散廠占地面積大、能耗大（根據(jù)國外數(shù)據(jù)，約為2400KWh\SWU）、冷卻水用量大，致使投資大，建廠周期大。但它有個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)，就是生產(chǎn)量大。

離心法氣體離心分離法通過重力或離心力場分離 與 同位素。在巨大的離心力場作用下，輸入離心機(jī)的六氟化鈾氣體中的輕分子 在離心機(jī)轉(zhuǎn)子中央部分加濃，而重分子 更多地趨于筒壁，造成鈾同位素材料在徑向的部分分離在離心法中稱徑向平衡分離系數(shù)（單級分離系數(shù)的一種），可由下式表示：

上式表明，離心法的分離系數(shù)與圓周速度的平方和被分離的各種分子形式的質(zhì)量差有關(guān)，而與含有被分離同位素的元素組成的化合物有關(guān)。這些性質(zhì)是離心法所特有的。

離心法的優(yōu)點(diǎn)是單級濃縮系數(shù)大，是氣體擴(kuò)散法的100倍以上，濃縮到同樣程度所需要的級數(shù)大大減少。另一優(yōu)點(diǎn)是比能耗小，只有氣體擴(kuò)散法的十分之一左右。因此大多數(shù)新濃縮廠采用該法占世界總濃縮能力的大約65%。離心法的缺點(diǎn)是單機(jī)分離功率低，要形成一定的生產(chǎn)能力，需要的離心機(jī)數(shù)量很大，工業(yè)規(guī)模的離心工廠需要幾萬臺(tái)甚至幾十萬臺(tái)離心機(jī)。維持大量離心機(jī)長期正常運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)難度大。此外，由于材料限制，高速轉(zhuǎn)子難以獲得，技術(shù)要求高。

噴嘴法也稱氣體動(dòng)力學(xué)分離法。

噴嘴法是一種利用氣體動(dòng)力學(xué)原理分離同位素的方法。噴嘴法的原理是六氟化鈾與氫（或氦）的氣體混合物通過噴嘴吹向凹形壁，即讓流動(dòng)著的六氟化鈾混合氣體受到高速直線或離心的加速度，使較重的 同位素比較輕的 更靠近壁面，這樣利用曲面末端的“刮板”可將氣體分成濃縮鈾和貧化鈾的兩股流，如右圖所示 噴嘴法的單級分離系數(shù)介于氣體擴(kuò)散法和離心法之間，比能耗和比投資與氣體擴(kuò)散法相當(dāng)或略大。 由于氣體動(dòng)力學(xué)法的比能耗和比投資都很高，已經(jīng)成功應(yīng)用擴(kuò)散法的國家一般都不再研制氣體動(dòng)力學(xué)方法。2

激光分離法激光分離同位素是根據(jù)原子或分子在吸收光譜上的同位素位移，用特定波長的激光激發(fā)某特定同位素原子或含該原子的分子，再通過物理或化學(xué)方法使激發(fā)態(tài)原子或分子與基態(tài)成分分開，從而達(dá)到濃縮同位素的目的。 激光法分離同位素與前述三種方法相比具有以下特點(diǎn)：

（1）分離系數(shù)大。利用激光的高度單色性，選擇性地激發(fā)同位素混合物中某特定同位素原子或含有該原子的分子，對其他的同位素原子或分子影響很小，故分離系數(shù)大（而氣體擴(kuò)散、離心法等是利用同位素質(zhì)量的微小差別來進(jìn)行分離，分離系數(shù)很小）。

（2）能量消耗低。由于是極強(qiáng)的選擇性激發(fā)和電離，所以能量僅消耗在特定的同位素原子或含有該原子的分子上。而擴(kuò)散法、離心法等則是將能量消耗在同位素在同位素混合物各原子或分子上。

（3）平衡時(shí)間短。由于激光分離系數(shù)大、分離單元少，因此平衡時(shí)間很短，大大減少了系統(tǒng)裝置中的滯留量（氣體擴(kuò)散的平衡時(shí)間需要幾個(gè)月，激光法幾乎不需要平衡時(shí)間）。

（4）產(chǎn)生的廢物少。減少了三廢污染，整個(gè)分離過程不需要化學(xué)試劑，僅需要激光器發(fā)生的激光光子。

原子或分子體系激光分離同位素，都必須滿足：

1.被利用的原子或分子的光譜有同位素位移；

2.有與被分離同位素頻率相匹配的合適的激光器；

3.利用合適的物理或化學(xué)方法，收集產(chǎn)品。

各國科技工作者正在從上述三方面進(jìn)行研究（特別是前兩點(diǎn)），一期達(dá)到商用階段。

激光濃縮法曾是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)樗赡艽蠓档湍芎?、建設(shè)費(fèi)用和尾料豐度。該法可能產(chǎn)出很純的鈾 ，但總體生產(chǎn)率和復(fù)合率還有待證明。需要指出的是，分子激光法只適用濃縮六氟化鈾，不適于“凈化”高燃耗钚金屬，而既能濃縮鈾金屬也能濃縮钚金屬的原子激光法也能“凈化”钚金屬，因此"分子激光法比原子激光法在防擴(kuò)散方面更有利。美國用原子蒸氣激光分離同位素已獲得成功，據(jù)了解全球激光濃縮公司（GLE）正計(jì)劃在北卡羅來納州威爾明頓建設(shè)一座商業(yè)激光鈾濃縮設(shè)施，該項(xiàng)目已經(jīng)獲得美國政府的批準(zhǔn)。

其他濃縮法1、化學(xué)交換法 該方法是利用同位素之間具有微小的化學(xué)性質(zhì)（化學(xué)平衡、反應(yīng)速度等）的差異來進(jìn)行同位素分離的。溶液中四價(jià)鈾與六價(jià)鈾共存時(shí)，六價(jià)鈾離子中的 比多，且離子交換樹脂對六價(jià)鈾的吸附遠(yuǎn)大于四價(jià)鈾的吸附，當(dāng)氧化劑、 四價(jià)和六價(jià)鈾的混合溶液、還原劑依次加入離子交換柱時(shí)，鈾溶液在交換柱內(nèi)的移動(dòng)過程經(jīng)歷反復(fù)的吸附、分離，最后在柱上的上部 被濃縮。本方法分離系 數(shù)很小，約為1.0015。

2、電磁分離法 電磁同位素分離（EMIS）技術(shù)是20世紀(jì)40年代初在美國曼哈頓計(jì)劃中開發(fā)出來的，目的是制造武器級高濃鈾，但是不久以后被放棄。然而，它后來又重新出現(xiàn)，成為1992年發(fā)現(xiàn)的伊拉克秘密武器鈾濃縮計(jì)劃的主攻方向。該法是基于帶電原子在磁場作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，鈾同位素材料質(zhì)量不同的離子旋轉(zhuǎn)半徑不同而被分離的方法，與質(zhì)譜儀原理相同。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)鈾同位素材料分離，由于輕同位素與重同位素圓周運(yùn)動(dòng)半徑不同而被分離。但是該技術(shù)的能耗巨大，約為氣體擴(kuò)散技術(shù)的十倍。3

3、等離子體法 天然基于等離子體旋轉(zhuǎn)和離子回旋共振兩種原理來分離同位素的方法：

① 使高溫下產(chǎn)生的鈾等離子體在電磁場中作高速旋轉(zhuǎn)，在離心力場作用下，質(zhì)量較大的鈾同位素材料等離子體在徑向方向上逐漸加濃。這種旋轉(zhuǎn)等離子體裝置好象是一種外壁不動(dòng)的高速離心機(jī)，其分離系數(shù)比氣體離心機(jī)高得多。

② 選擇電場的頻率在所需要的同位素離子共振頻率范圍內(nèi)，這樣，所需要的同位素離子將在較大的回旋半徑上循環(huán)，這就提供了所需要的同位素與其他同位素分離的可能性。 等離子體法分離系數(shù)很高，比能耗很小，尚處在實(shí)驗(yàn)室階段。

4、熱擴(kuò)散法 當(dāng)組成均勻的氣體或液體混合物中有溫度梯度時(shí)，輕組分將富集在熱區(qū)而重組分將富集在冷區(qū)，這就是熱擴(kuò)散效應(yīng)。 將欲分離的同位素混合物放在兩個(gè)垂直的同心圓管中間，內(nèi)管加熱，外壁冷卻。由于熱擴(kuò)散效應(yīng)，輕組分在熱壁表面附近富集，重組分在冷壁表面富集，同時(shí)內(nèi)壁附近氣體受熱上升，外管內(nèi)壁附近氣體因冷卻下降。由于熱對流的結(jié)果，富集了的輕組分氣體和重組分氣體經(jīng)多次逆流接觸，使得簡單熱擴(kuò)散效應(yīng)效果倍增。熱擴(kuò)散柱結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，應(yīng)用范圍廣泛，是實(shí)驗(yàn)室中分離輕同位素的主要手段。4