【知识】铀矿浓缩技术介绍

纯度为3%的U-235为核电站发电用低浓缩铀,U-235纯度大于80%的铀为高浓缩铀,其中纯度大于90%的称为武器级高浓缩铀,主要用于制造核武器。获得铀是非常复杂的系列工艺,要经过探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼等流程,而浓缩分离是其中**后的流程,需要很高的科技水平。获得1公斤武器级U-235需要200吨铀矿石。由于涉及核武器问题,铀浓缩技术是国际社会严禁扩散的敏感技术。前苏联为了大量生产核武器,在60年代率先完成了离心机的设计制造并且建设了规模宏大的铀浓缩工厂。到70-80年代,欧洲铀浓缩公司也完成了自己的离心机。美国由于可以与欧洲共享该技术,因此并未单独开发铀浓缩离心机,欧洲铀浓缩公司在美国建造的大型离心机单机每年可以生产200-600千克浓缩铀,而欧洲铀浓缩公司的小型浓缩铀离心机的产量只有3-30千克/年。

气势宏大的前苏联铀浓缩工厂的离心机
除了目前还在实验室中的几种新型铀浓缩方法,曾用于制造核武器的铀浓缩方法有四种,而用于为商业核电站提供燃料的铀浓缩方法则只有气体扩散法和气体离心法两种。 
   气体扩散法:使待分离的气体混合物流入装有扩散膜(分离膜)的装置来得到富集和贫化的两股流的同位素分离方法。基本原理是:在分子间的相互碰撞忽略不计的情况下,气体混合物中质量不同的气体分子(例如235UF6和238UF6)的平均热运动速率与其质量二次方根成反比。当气体通过扩散膜时,速率大的轻分子(235UF6)通过的几率比速率小的重分子(238UF6)的大。这样,通过膜以后,轻分子的含量就会提高,从而达到同位素分离的目的。

气体扩散法装置图
其中,气体扩散法虽然产能很大,也是冷战时代几个强国制造核武器时的**方法,而且第二次世界大战结束后,美国的实践证明,气体扩散法能够用来大规模生产铀235。它是目前**成熟的大规模分离铀同位素的方法,是对各种新的浓缩方法的大规模商业应用的挑战,是比较各种方法的基本点。美国和法国大型气体扩散工厂的分离功率达一万吨/年以上,比能耗均在2400千瓦·时/千克左右。但是其缺点是分离系数小,工厂规模大,耗电量惊人,成本很高。早期由于发电用的低浓度铀多为核武器生产过程中产生,所以其成本过高的问题可以忽略。但是在今天,商业化的核电站必须考虑降低成本的问题。于是,冷战期间苏联首先开发的气体离心法成为了核大国的主要铀浓缩方法。这种方法耗电只有气体扩散法的十分之一,也有一些试图跨过核门槛的第三世界国家采用这一方法。这些国家主要是通过向俄罗斯购买的较早期的离心机或走私关键部件来实现铀浓缩的。
  气体离心法:气体离心分离机是其中的关键设备。铀原料放置于离心机中央反应室内,离心机以7-8万转/分钟的速度旋转。较重的U-238原子逐渐靠近离心机的边缘,而较轻的U-235则保留在离心机中心部位。结晶U-235被称为“富铀”(浓缩铀),其余的“贫铀”则被丢弃。仅靠单个离心机一次分离是远远不够的,必须通过更多离心机加工,才可以分离提纯。这些离心机以“级联配置”联接一体。因而,“级联配置”成为核物质用途的又一重要线索。铀在一级离心机提纯后,会转送到下一级离心机继续提纯,级级相连。由于核电站所需铀浓缩较低,其离心机级联层次较少,因而看起来会比较短。而用作核武器的铀浓度要达到90%以上,其离心机层次更多,级联配置自然显得又细又长。

气体离心法示意图
美国等国家通常把拥有该设备作为判断一个国家是否进行核武器研究的标准。核电站核反应堆只需3%~5%的U-235,而要生产核武器,U-235浓度**少要达到90%。如果发现某个国家的U-235浓度达到90%,这就是企图制造核武器的铁证。