铀浓缩

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。在天然矿石中铀的三种同位素共生，其中铀-235的含量非常低，只有约0.7%。为满足核武器和核动力的需求，一些国家建造了铀浓缩厂，以天然铀矿作原料，运用同位素分离法（扩散法、离心法和激光法等）使天然铀的三种同位素分离，以提高铀-235的丰度，提炼浓缩铀。

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。

为了控制全球铀浓缩活动，防止核武器扩散，2010年4月举行的世界核安全峰会发表公报强调，各国对高浓缩铀需要采取特别防范措施，在技术和经济可行的情况下，鼓励将使用高浓缩铀的反应堆转化为使用低浓缩铀，并最大限度减少使用高浓缩铀。

技术要求

若要在某些类型反应堆和武器中使用铀，就必须对其进行浓缩，这意味着必须提高易裂变铀-235的浓度，然后才能将其制成燃料。这种同位素的天然浓度是0.7％，而在大多数通用商业核电厂中，持续链式反应的浓度通常约为3.5％。用于武器和舰船推进的丰度通常约为93％。但舰船推进可以只需20％或更低的丰度。鉴于在丰度0.7％至2％之间需要与丰度2％至93％之间同样多的分离功，因此浓缩过程不是线性的。这意味着在能够随时获得商用浓缩铀的情况下，达到武器级的浓缩工作量可减少到不足一半，而铀的供料量可减少到20％以下。 

铀原料经浓缩提取铀235以后，会产生铀235含量低于天然铀的副产品，这种铀叫做贫铀。贫铀除了具有放射性外，还具有高密度、高硬度、高韧性等物理特性，又由于铀易氧化，穿甲时发热燃烧，形成较大的破坏作用，因此一些国家制造了贫铀弹。

处理技术

气体扩散法

这是商业开发的第一个浓缩方法。该工艺依靠不同质量的铀同位素在转化为气态时运动速率的差异。在每一个气体扩散级，当高压六氟化铀气体透过在级联中顺序安装的多孔镍膜时，其铀-235轻分子气体比铀-238分子的气体更快地通过多孔膜壁。这种泵送过程耗电量很大。已通过膜管的气体随后被泵送到下一级，而留在膜管中的气体则返回到较低级进行再循环。在每一级中，铀-235/铀-238浓度比仅略有增加。浓缩到反应堆级的铀-235丰度需要1000级以上。

气体离心法

在这类工艺中，六氟化铀气体被压缩通过一系列高速旋转的圆筒，或离心机。铀-238同位素重分子气体比铀-235轻分子气体更容易在圆筒的近壁处得到富集。在近轴处富集的气体被导出，并输送到另一台离心机进一步分离。随着气体穿过一系列离心机，其铀-235同位素分子被逐渐富集。与气体扩散法相比，气体离心法所需的电能要小很多，因此该法已被大多数新浓缩厂所采用。

气体动力学分离法

所谓贝克尔技术是将六氟化铀气体与氢或氦的混合气体经过压缩高速通过一个喷嘴，然后穿过一个曲面，这样便形成了可以从铀-238中分离铀-235同位素的离心力。气体动力学分离法为实现浓缩比度所需的级联虽然比气体扩散法要少，但该法仍需要大量电能，因此一般被认为在经济上不具竞争力。在一个与贝克尔法明显不同的气体动力学工艺中，六氟化铀与氢的混合气体在一个固定壁离心机中的涡流板上进行离心旋转。浓缩流和贫化流分别从布置上有些类似于转筒式离心机的管式离心机的两端流出。南非一个能力为25万分离功单位的铀-235最高丰度为5％的工业规模的气体动力学分离厂已运行了近10年，但也由于耗电过大，而在1995年关闭。

激光浓缩法

激光浓缩技术包括3级工艺：激发、电离和分离。有2种技术能够实现这种浓缩，即“原子激光法”和“分子激光法”。原子激光法是将金属铀蒸发，然后以一定的波长应用激光束将铀-235原子激发到一个特定的激发态或电离态，但不能激发或电离铀-238原子。然后电场对通向收集板的铀-235原子进行扫描。分子激光法也是依靠铀同位素在吸收光谱上存在的差异，并首先用红外线激光照射六氟化铀气体分子。铀-235原子吸收这种光谱，从而导致原子能态的提高。然后再利用紫外线激光器分解这些分子，并分离出铀-235。该法似乎有可能生产出非常纯的铀-235和铀-238，但总体生产率和复合率仍有待证明。在此应当指出的是，分子激光法只能用于浓缩六氟化铀，但不适于“净化”高燃耗金属钚，而既能浓缩金属铀也能浓缩金属钚的原子激光法原则上也能“净化”高燃耗金属钚。因此分子激光法比原子激光法在防扩散方面会更有利一些。

同位素电磁分离法

同位素电磁分离浓缩工艺是基于带电原子在磁场作圆周运动时其质量不同的离子由于旋转半径不同而被分离的方法。通过形成低能离子的强电流束并使这些低能离子在穿过巨大的电磁体时所产生的磁场来实现同位素电磁分离。轻同位素由于其圆周运动的半径与重同位素不同而被分离出来。这是在20世纪40年代初期使用的一项老技术。正如伊拉克在20世纪80年代曾尝试的那样，该技术与当代电子学结合能够用于生产武器级材料。

化学分离法

这种浓缩形式开拓了这样的工艺，即这些同位素离子由于其质量不同，它们将以不同的速率穿过化学“膜”。有2种方法可以实现这种分离：一是由法国开发的溶剂萃取法，二是日本采用的离子交换法。法国的工艺是将萃取塔中2种不互溶的液体混和，由此产生类似于摇晃1瓶油水混合液的结果。日本的离子交换工艺则需要使用一种水溶液和一种精细粉状树脂来实现树脂对溶液的缓慢过滤。

等离子体分离法

在该法中，利用离子回旋共振原理有选择性地激发铀-235和铀-238离子中等离子体铀-235同位素的能量。当等离子体通过一个由密式分隔的平行板组成的收集器时，具有大轨道的铀-235离子会更多地沉积在平行板上，而其余的铀-235等离子体贫化离子则积聚在收集器的端板上。已知拥有实际的等离子体实验计划的国家只有美国和法国。美国已于1982年放弃了这项开发计划。法国虽然在1990年前后停止了有关项目，但它目前仍将该项目用于稳定同位素分离。

意义

2012年12月27日，历经长期的艰苦攻关,中核集团研制的铀浓缩离心机在兰州成功实现工业化应用,这标志着我国具备了核燃料生产的自主化工业能力,完全掌握了离心法铀浓缩技术,对保障我国核电可持续发展有着重大的战略意义。铀浓缩离心机技术是核燃料生产的关键技术,是衡量国家核技术水平的重要标志。

相关事件

伊朗2013年1月30日通知国际原子能机构，计划在中部纳坦兹的铀浓缩工厂内，使用更先进的离心机来提高铀的浓度。消息人士说，伊朗要在该铀浓缩厂内装备数以千计的高科技机器，这些机器可以比现有的装备更快地进行铀浓缩，增速可达两倍或3倍。n据西方媒体报道，国际原子能机构于1月24日收到了伊朗原子能组织所发信件。信中称，德黑兰将在纳坦兹的铀浓缩工厂使用新的IR2m型离心机，但没有透露新型离心机安装的时间和数量等相关信息。据报道，伊朗此前一直在努力发展新型离心机，但因为技术原因未能实现大规模生产。此次的IR2m型离心机，比伊朗现有的离心机效率更高，将加快铀浓缩的速度。n美国白宫发言人杰伊·卡尼1月31日在白宫例行新闻发布会上说，伊朗安装新型离心机计划属于“进一步升级”的对抗之举，这种继续违反联合国安理会和国际原子能机构理事会相关决议的做法，标志着伊朗再次采取“挑衅之举”，只会导致国际社会进一步对其采取孤立措施。卡尼表示，只要伊朗拒绝在其核计划问题上履行国际义务，施加压力的举动就不会停止，但美方仍然认为目前仍有“时间和空间”通过外交途径解决伊朗核问题。n俄罗斯则呼吁伊朗冻结浓缩铀的工作。俄外长拉夫罗夫说，向伊朗方面发出的停止铀浓缩活动的呼吁会一直持续到谈判取得成果为止。俄罗斯已经告知国际原子能机构，将在现场观察这一切。俄罗斯要同安理会所有成员国一道共同呼吁伊朗在谈判期间冻结铀浓缩活动。n中国外交部发言人洪磊在2月1日的例行记者会上表示，伊朗作为《不扩散核武器条约》缔约国，享有和平利用核能的权利，同时也应履行相应的国际义务。中方始终认为，推进对话合作是妥善解决伊朗核问题的唯一正确途径。n联合国1月31日回应称，伊朗此举有挑衅的意味，并要求伊朗提供详细信息。n美国和欧盟一直希望通过经济制裁向伊朗施压，逼迫其在核问题上让步，但伊朗一直坚称，其核项目是出于民用目的。欧盟外交与安全政策高级代表阿什顿1月31日表示，相信新一轮伊核会谈将很快开启。但伊朗外长萨利希称，会谈的时间和地点尚未确定。有分析认为，伊朗在此时宣布使用新型离心机，会加剧西方对其发展核武器的担心，也将使伊核会谈的前景更加扑朔迷离。