浓缩铀

浓缩铀
一.概述
　　
　　铀是存在于自然界中的一种稀有化学元素，具有放射性。根据国际原子能机构的定义，丰度为3%的铀235为核电站发电用低浓缩铀，铀235丰度大于80%的铀为高浓缩铀，其中丰度大于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，而浓缩分离是其中最后的流程，需要很高的科技水平。获得1公斤武器级铀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。目前除了几个核大国之外，日本、德国、印度、巴基斯坦、阿根廷等国家都掌握了铀浓缩技术。提炼浓缩铀通常采用气体离心法，气体离心分离机是其中的关键设备，因此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。
　　现时的核电站使用的是铀核燃料。铀有12种同位素(铀-226~铀-240）。其中的铀－234不会发生核裂变，铀－238在通常情况下也不会发生核裂变，而铀－235这种同位素原子能够轻易发生核裂变，或者说，做核燃料的实际上是铀－235。但是，从矿山里开采出来的铀里面，铀－235的含量却又是很低，仅占0.64％，绝大部分是铀－238，它占了99.2％。这就相当于我们的煤饼厂或炼油厂，生产出的煤饼里大部分是泥沙，当然也就没法燃烧。根据研究结果，在铀核燃料中铀－235的含量要达到3％以上才能燃烧。因此，开采出来的铀，并不同于开采出来的煤块直接可以用做燃料，它需要经过提纯、浓缩的手续，把铀－235的含量比例提高之后，方能用做燃料。
二.提纯方法
　　提纯浓缩铀－235含量的技术比较复杂，因为元素的各种同位素，如同“孪生姐妹”，无论在物理性质和化学性质上都十分相似，采用通常的各种物理提纯方法或者化学提纯方法收效都甚微，代价却很高。现时用来提纯铀－235的主要方法有气体扩散法、离子交换法、气体离心法、蒸馏法、电解法、电磁法、电流法等，其中以气体扩散法最成熟，制造第一颗原子弹用的铀核材料就是用这种方法制造出来的。所有这些提纯方法，它们的工艺过程都比较复杂，办厂投资高，运转过程中消耗的能量也高；而且产量低，生产出的铀核燃料成本大。因此，科学家一直在找新提纯方法。现在，激光科学工作者提出用激光进行提纯，或许这种方法能够大大地降低生产铀燃料的成本。
三.激光提纯法
　　
1.依据

　　　用激光提纯、浓缩铀－235的主要依据是激光有极好的单色性，以及各同位素原子的同位素光谱位移。各个同位素原子核含的中子数目不同，它们的能级发生所谓同位素位移，发射出来的光辐射波长出现差异，当然，相差的数值是十分小的。但是，激光的单色性很好，能够做到用和某种同位素原子发射的光辐射波长相同的激光去激发其中的一种原子，而不会把其他同位素原子一起激发，亦即是说，用激光可以做到单独把各种同位素原子中的一种激发到高能态，或者把它的原子电离。被电离的同位素原子再用电场就可以把它从同位素混合物堆中单独“拉”出来，收集后就可以单独获得这种同位素。如果是把这种同位素的原子激发到高能级去的，我们便可以利用在高能级的原子和在基态的原子参加化学反应的活动能力不同，通过化学反应方法把它给分离出来。
　　用激光的方法提纯浓缩铀－235，比现有的各种方法都优越，生产设备可以大大简化，生产成本也可以大大降低。根据科学家的估计，生产投资大约只有气体扩散法的1/2，生产过程中消耗的能量只有气体扩散法的1/10左右。所以，世界各国都很重视开发这种铀核燃料生产技术。美国从1977年就开始研究用激光提纯浓缩铀燃料，从实验上证实了这种方法在原理上的可行性。1982年，美国能源部确定，今后使用激光来生产铀核燃料。
　　
2.技术路线

　　
　　用激光提纯浓缩铀－235的技术路线有两条：一条称为原子法，另一条称为分子法。原子法提纯时用的原料是经过提炼铀矿得到的铀块。先用炉子把这铀块加热到高温，形成铀原子蒸气，在这铀蒸气里面包含有铀元素的同位素铀－234、铀－235、铀－238的原子。然后用在可见光波段的激光（比如用铜蒸气激光泵浦的染料激光器）照射这铀原子蒸气。调谐激光器的输出波长，让它落在铀－235的原子吸收谱线中心，使它单独获得激发或者电离。其后再使用其他物理方法便可以把铀－235原子从同位素铀混合气体中分离出来。这条技术路线现在已经比较成熟，达到生产应用阶段。分子法使用的原料是铀的分子化合物（比如六氟化铀）。用在中红外波段的激光（比如波长16微米的激光）照射这种化合物，并且选择的激光波长正好是让铀－235的这种化合物的分子获得激发（或电离），再通过前面在原子法中用的物理方法或化学方法把含铀－235的分子化合物从混合中分离出来，再对含铀－235的分子化合物作化学分解反应，便可以获得铀－235。这条技术路线现在还未达到生产阶段，不过，从发展的潜力来说，分子法比原子法优越。一方面是因为分子法分离时使用的原料是铀的分子化合物，原料来源比较丰富；其次是在分离的工作过程中不需要加热，而原子法则需要加热到2000多度，使铀原料形成蒸气。高温铀蒸气有很强的腐蚀性。因此分子法的生产设备会比较简单，生产成本也相应较低。

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忒深奥不是我这个档次能整明白的