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铀浓缩

铀浓缩

浓缩（Uranium Enrichment），是指以天然铀作为原料，将235U与238U分开，增加235U浓度。

铀浓缩方法的种类很多。迄今形成工业规模的铀浓缩方法主要是气体扩散法和气体离心法。一些研究试验堆和快中子堆要求富集度较高的燃料。高通量的材料试验堆则需要富集到90%以上的高富集铀，高富集铀又是核武器的重要装料。

定义

天然铀中235U的丰度为0.71％，238U的丰度达99.28％。核武器装料却要90％以上的铀-235；低浓铀核反应堆的核燃料要求含235U在2~3％。为此，要求以天然铀作为原料，将235U与238U分开，增加235U浓度。这就是铀的浓缩过程。

分级

低浓铀

如果铀-235的同位素比例低于20%，则被视为低浓铀(LEU)。大多数商业反应堆使用浓度低于5%的低浓铀作为燃料，这种铀通常也被称为“反应堆级铀”。低浓铀不会变质，可以安全储存多年。

高浓铀

如果铀浓缩度超过20%，则被视为高浓铀。铀-235同位素比例如此之高的铀主要用于舰艇动力推进反应堆（例如：潜水艇）、核武器和一些研究反应堆。

回收铀

再处理或回收铀（RU）是由轻水堆（LWRs）的核电生产中产生的乏燃料制造而成的。乏燃料中含有极少量的铀，这被成为再处理或回收铀。

制备方法

铀浓缩方法的种类很多。迄今形成工业规模的铀浓缩方法主要是气体扩散法和气体离心法。

气体扩散法

气体扩散法这是一种工业应用的大规模生产方法，它将被分离的介质转化为气体状态[如含235U与238U的六氟化铀（UF6）气体]，利用了不同相对分子质量的气体分子混合物在热运动平衡时，两种分子具有相同的平均动能，而速度不同的性质。轻分子的平均速度大于较重分子的平均速度，两种分子的平均速度与质量的关系式为

这样，较轻分子与容器和隔膜碰撞的次数比重的分子多些。隔膜具有容许分子通过的微孔，这样一来两种分子就以不同的速度穿过多孔膜而扩散。扩散膜是气体扩散设备的核心部件。为了实现分离，要求气体的压力足够低，扩散膜的孔径足够小。当UF6气体流过分离级时，一部分气体从分离器的高压腔通过扩散膜进入低压腔，在低压腔235U有微小的富集，在高压侧235U被贫化，238U被富集，从而实现了同位素分离。

理论上，分离系数的最大值等于两组分的相对分子质量比的平方根，即

实际的分离系数远低于此值。具体数值还取决于机器结构、膜的特性、流量大小、气流状态，运行条件等。

气体扩散法的优点是：设备可靠性高，可长期运行，维修工作量较小。

缺点是：分离系数小，耗电量大［（2300~3000kW·h/kgSWU]，设备的规模大，平衡时间长，不宜于秘密生产。

气体离心法

离心分离器一般做成圆筒形，在高速旋转的离心机圆筒中，由于受离心力场的作用，较重的粒子在靠外边筒壁附近浓集，较轻的离子在靠近轴线处浓集。从外周和中心处分别引出贫化流分和加浓流分，以实现轻、重同位素的分离，达到浓缩的目的。

离心机的生产能力取决于筒的转速和长度，与外周转速的四次方和筒长一次方成正比。因此为了提高其分离性能，要求离心机高速旋转，转筒细长。对于直径10cm的转筒，转速要达到6万~10万转/分。转筒受到极大的拉伸应力，因而需要高强度合金钢、钛合金、纤维复合材料和高精度的机加工技术，以提高离心机的转速，转子是离心机的关键部件。这种高速运转的转子容易在各种因素（失衡、电源波动、气流波动等）的干扰下偏离平衡，发生共振，导致转子破坏。

对于转筒内壁半径为的离心机，轻同位素A的基本分离系数为离心机旋转筒中心与内壁处较轻同位素A相对丰度［分别为XA（0）和XA（R）］之比。在平衡温度下，轻、重粒子按能量呈麦克斯韦-玻耳兹曼分布，于是有

式中，为角速度，为玻耳兹曼常数，为温度。对于铀同位素m238m2353，如果圆周线速度为50000 cm/s，=300 K，玻耳兹曼常数=1.38041 X10-16 erg/K（1erg=10-7 J），原子质量单位-24g，于是有

这是理论上可达到的分离系数。在同位素分离上，离心法远比扩散法有效，因为离心法分离系数不是取决于质量的平方根，而是取决于两种同位素的质量差。对于质量差为3的铀同位素，圆周线速度为50000 cm/s的离心机，分离系数可达1.049。因此为达到一定的浓度所需的串联级数比扩散法少得多。但由于一台离心机生产能力小，为达到一定的生产量需很多离心机。这对高效率运行非常不利。这就要求离心机造价低，寿命长，维修、更换方便。

该方法的优点是：电能消耗少，只有扩散法的1/20；厂的规模可以较小，便于配合需要，由小到大逐步发展；平衡时间短，滞留量小，分批再循环容易；投资大，但运行费用低。

相比于扩散法，离心法的级联级数明显减少，因此该方法被大多数新铀浓缩厂采用。

电磁分离法

将待分离的同位素混合物电离成离子，并由一组高压电极引出。在离子源的出口处得到一高速运动的离子束，束中的离子具有相同的动能，但速度不同，离子进入真空盒后，在横向均匀磁场的作用下，以半径做圆周运动。

轻、重离子由于其质量不同，将沿不同的轨道在磁场中运动。质量较大的离子运动半径较大。离子偏转一定角度后，用收集板在不同位置可收集到相应质量数的离子，而后用电荷将离子中和，便可得到该同位素被浓缩了的原子。

这种方法投资大，耗电多，效率低，但技术相对简单。该方法曾在美、苏联研制核武器初期被用来生产原子弹所需的高浓铀，20世纪80-90年代初又被伊拉克所用，试图生产核武器计划所需的浓缩铀。

激光分离技术

除气体扩散法和气体离心法外，世界多国正在积极研究激光分离技术。激光分离法是根据原子或分子在吸收光谱上的同位素位移，用特定波长的激光激发某特定同位素原子或含有该原子的分子，再通过物理或化学方法使激发态原产或分子与基态成分分开，从而获得富集的同位素。

激光分离法工艺占地面积小，单位分离功的基建投资和电能消耗预计仅为扩散法的1/10，经济性占优。由于工艺技术仍有待完善，故尚未得到商业应用。

意义

235U是三种易裂变核素(235U、239Pu、233U)中唯一天然存在的，它在天然铀中

的丰度为0.71%。轻水动力堆需使用低富集铀燃料，其中235U的丰度约为2%~

5%。一些研究试验堆和快中子堆要求富集度较高的燃料。高通量的材料试验

堆则需要富集到90%以上的高富集铀，高富集铀又是核武器的重要装料。

研究历史

1789年，德国化学家克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）先将沥青铀矿石浸入磷酸使其溶解，再加入碳酸钾将磷酸中和。此时产生的沉淀中含有锌、锰、铝、铁等元素，以及黄色沉淀UO₂CO₃。经检验，黄色沉淀UO₂CO₃在过量碳酸钾中可反应生成K₄[UO₂(CO₃)₂]，并完全溶于过量碳酸钾。朱利斯·克拉普罗特将其以"铀"命名，以此致敬在1781年发现的天王星。

接着，克拉普罗特用油脂将黄色沉淀UO₂CO₃调和成糊状物，与木炭充分混合后置于坩埚中加热，得到金属光泽粉末，并认为该粉末为金属铀。

1841年，法国化学家彼利高特（E,M,Peligot）制得灰绿色具有强烈的潮解性的四氯化铀。四氯化铀在加热条件下与水反应生成盐酸气和克拉普罗特合成出的金属粉末。经化学式推断，发现该金属粉末为金属铀的假设不成立，应为铀的氧化物，即UO₂。在此基础上，彼利高特将无水氯化铀与K的粉末充分混合，并置于坩埚中加热，最终获得了金属铀。

1928年，瑞典物理学家莉泽·迈特纳（Lise Meitne）、德国化学家哈恩（Hahn Otto）和德国化学家斯特拉斯曼（Friedrich Wilhelm Straßmann）发现了铀的核裂变。

1934年，恩里科·费米发现，铀被中子辐照后在新核中会产生某种“反常的”人工放射性。费米用装在小玻璃球中的铍粉和装作为具有尺寸小、结构简单、且具有高稳定性的较强中子源，接着从氢开始，从原子序数小的元素开始，逐一进行系统地轰击，当轰击到时，发现了人工放射性。在轰击铀时，得到了放射性产物，经过分析，他们发现所得产物既不是铀的同位素，也不是原子序数介于铅和铀之间的元素，在此基础上科学家们研究得到超铀元素。

1938年,莉泽·迈特纳、哈恩等科学家利用了“液滴模型”解释了核裂变现象，并对核裂变产物依据质量守恒定律和电子守恒定律进行了推断。次年4月，科学家们证明了链式裂变反应的存在。1940年初，Г.Н.弗廖洛夫和К.А.彼得扎克研究发现了铀核的自发裂变过程。

2013年6月21日，中核集团在甘肃兰州宣布，中国核工业关键的铀浓缩技术完全实现自主化和工业化应用，标志着中国成为继美国、英国、法国、俄罗斯等少数国家之后，自主掌握铀浓缩技术并成功实现工业化应用的国家。