[科普中國(guó)]-同位素分離工廠

概念

由于天然的化學(xué)元素或化合物，大都以同位素混合物狀態(tài)存在，其中各同位素含量均有一定值的天然豐度，但他們彼此的和性質(zhì)迥異，而在原子能工業(yè)或其他科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)常需將同一元素中的不同同位素進(jìn)行分離以供特殊用途之需。這些同位素的物理化學(xué)性質(zhì)極為相似，其分離工作一般化合物與元素的分離更為困難。同位素分離的方法有多種。若是輕同位素（元素中期表中第一、二周期的元素如氕、氚、鋰-6、鋰-7、硼-10、硼-11等）由于其相對(duì)質(zhì)量差大，常采用化學(xué)化工方法如蒸餾、同位素交換、電解法等進(jìn)行分離。而重同位素則由于相對(duì)質(zhì)量差小，常采用物理方法如電磁、氣體擴(kuò)散、熱擴(kuò)散、離心法等進(jìn)行分離。鈾-235同鈾-238的分離屬于后者。

法國(guó)皮埃爾拉特同位素分離工廠法國(guó)建造的皮埃爾拉特同位素分離工廠的目的是使法國(guó)能夠獨(dú)立自主地生產(chǎn)高濃縮鈾。這種工廠規(guī)模巨大，造價(jià)昂貴。工廠采用氣體擴(kuò)散法分離鈾，年產(chǎn)量的幾噸U235。建造這種工廠的第一項(xiàng)復(fù)雜工程是使六氟化鈾（鈾氣體化合物）處于65℃的溫度下，以防止產(chǎn)生使氣體凝固的冷區(qū)。因此，整個(gè)裝置必須封閉在一個(gè)溫度較高的恒溫容器內(nèi)。

分離級(jí)是一個(gè)十分復(fù)雜的裝置。它包括壓縮機(jī)和多孔膜。膜的孔徑約10毫微米。分離級(jí)要求高度密封，能運(yùn)行幾千小時(shí)而無(wú)須停機(jī)。1958年法國(guó)在沙克萊核研究實(shí)驗(yàn)室利用氣體擴(kuò)散法第一次實(shí)現(xiàn)了鈾同位素的分離。同年，第一座實(shí)驗(yàn)工廠也在沙克萊投入運(yùn)行。皮埃爾拉特工廠是仿照這個(gè)實(shí)驗(yàn)工廠建立的。從外表上來(lái)看，皮埃爾拉特工廠包括四個(gè)工廠：低層分廠、中層分廠、高層分廠和更高層分廠。1

同位素分離級(jí)聯(lián)同位素分離級(jí)聯(lián)的優(yōu)化一直是級(jí)聯(lián)理論研究中的一個(gè)重要課題。分離單元是同位素分離工廠中最小的單位。核能的快速發(fā)展對(duì)濃縮鈾需求的增長(zhǎng)以及科技發(fā)展對(duì)穩(wěn)定同位素越來(lái)越大的需求要求有高性能的級(jí)聯(lián)。尤其是在濃縮鈾方面，同位素分離的規(guī)模巨大。主要同位素分離的方法是氣體離心機(jī)法，同位素分離的設(shè)施由成千上萬(wàn)臺(tái)離心機(jī)通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)的方式構(gòu)成分離級(jí)聯(lián)。級(jí)聯(lián)分離性能的提高能降低分離功成本，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，建設(shè)高效的同位素分離級(jí)聯(lián)或使已有級(jí)聯(lián)運(yùn)作在最佳工作狀態(tài)具有重要的實(shí)際意義。

獲得高性能的分離級(jí)聯(lián)需要從理論上首先給出同位素分離工廠級(jí)聯(lián)的水力學(xué)狀態(tài)，即級(jí)聯(lián)中供料位置、各級(jí)流量、分流比沿級(jí)數(shù)的分布。在比較簡(jiǎn)化的理論模型中，如所謂的豐度匹配級(jí)聯(lián)(MARC級(jí)聯(lián))、Q級(jí)聯(lián)等，都可以把級(jí)聯(lián)的水力學(xué)狀態(tài)與供料豐度和所要求的產(chǎn)品豐度(級(jí)聯(lián)的外參量)通過(guò)解析表達(dá)式聯(lián)系起來(lái)。因此對(duì)這類級(jí)聯(lián)的優(yōu)化能夠很方便地進(jìn)行。但在實(shí)際中，情況比簡(jiǎn)化的理論模型要復(fù)雜得多，如組分間的分離系數(shù)就不完全是常用的與組分質(zhì)量差的一種指數(shù)關(guān)系?？梢杂煤?jiǎn)化的理論模型做一些初步的性能分析和設(shè)計(jì)，但要與實(shí)際密切結(jié)合則需使用實(shí)驗(yàn)獲得的分離系數(shù)表達(dá)式。這樣針對(duì)簡(jiǎn)化模型的優(yōu)化方法就不完全適用了，需要一種能夠處理實(shí)際復(fù)雜情況的優(yōu)化方法。

直接數(shù)值優(yōu)化是一種有效的優(yōu)化方法。給定了初值后，只要有根據(jù)級(jí)聯(lián)水力學(xué)參數(shù)計(jì)算豐度的方法，優(yōu)化的過(guò)程可以交給優(yōu)化軟件去完成。優(yōu)化的難度在于整實(shí)型混合、有等式的約束、多變量的非線性優(yōu)化。處理整實(shí)型混合的方法是把整型和實(shí)型變量分開(kāi)，利用模型級(jí)聯(lián)(這里為Q級(jí)聯(lián))大致給出整型變量的值，從而確定取值范同而大大縮小搜索空間。處理等式約束是把等式約束變?yōu)椴坏仁郊s束，通過(guò)質(zhì)量守恒的關(guān)系在優(yōu)化過(guò)程中自然趨向等式約束：對(duì)于多變量，則選用全局優(yōu)化和局部?jī)?yōu)化結(jié)合的策略，盡快縮小優(yōu)化空間，提高優(yōu)化效率。

組分和級(jí)數(shù)的數(shù)量對(duì)優(yōu)化的難度有較大影響。組分少和級(jí)數(shù)少的情況能夠容易得到優(yōu)化結(jié)果，反之則困難些。對(duì)于組分和級(jí)數(shù)很多的情況，還需要進(jìn)一步研究更有效的優(yōu)化方式。對(duì)于鈾同位素分離，由于所需的目標(biāo)組分豐度不高，分離級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)不多，完全可以用直接數(shù)值優(yōu)化的方法獲得最優(yōu)級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)方案。但對(duì)于多組分的分離，級(jí)數(shù)很多情況下，數(shù)值優(yōu)化可以給出接近真實(shí)最優(yōu)結(jié)果的優(yōu)化結(jié)果，但要確定最優(yōu)還需進(jìn)一步的研究。2