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铀-235的富集

http://www.kq81.com 时间:2019/11/26 9:35:06 来源:选矿网 点击次数:497

    铀
    原子序数:92,原子量:238.029,元素名称:铀,元素符号:U
    从铀矿中获得的精铀产品是天然铀产品。在纯天然铀中能够被热中子轰击发生裂变反应的铀-235仅占0.71%,99.27%的铀-238,热中子轰击不会发生裂变反应。也就是说,每1000个铀原子中,只有7个可被热中子轰击发生裂变,要作为核电厂轻水堆(压水堆和沸水堆)的燃料,需要把铀-235的浓度提高到2.5%~5%。如果要用到研究堆去做燃料,需要把铀-235浓度提高到10%~90%。若要用来制造原子弹,则需要把铀-235浓度提高到90%以上。
    铀-235和铀-238是同一元素的同位素,它们在化学性质上没有什么差别,只是在质量上有微小差别,相差约1%。因此,要实现铀-235和铀-238分离,把铀-235富集起来,技术上的难度是很大的。提高铀-235浓度(称为富集)的方法,现在主要有气体扩散法、高速离心法和激光法。
    一、利用分子扩散的气体扩散法
    气体扩散法就是把铀转化成六氟化铀气体,做成高压供料流。当它们通过特制的多孔膜时,质量较轻的铀-235分子运动速度大,容易透过膜。质量较重的铀-238分子运动速度小,不易透过膜。扩散膜要求很高,1平方厘米上有几亿个微孔,要求耐腐蚀和能承受很大的压差。气体扩散法使铀-235和铀-238分离开来,实际上,一次扩散分离的效果是很低的。要将铀-235的浓度从0.71%提高到3%,需要一千多个分离单元串联起来,所以铀扩散工厂是一个庞大的工厂,并且是一个耗电大户。
    二、利用质量差别的气体离心法
    离心法是将铀转化成六氟化铀气体后做供料,注入高速离心机。离心机的转速很高,每分钟的转速超千转。在高速旋转离心力的作用下,质量较重的铀-238甩向离心机转筒的壁面附近,质量较轻的铀-235,聚集在转筒中心轴线附近。这样,铀-235和铀-238得到了分离。因为单台离心机的生产量是很小的,需要许多台离心机串联起来使用,才能获得满足需要的分离产品。
    离心法比扩散法耗电少,经济性高,设备使用寿命长,已在逐渐替代扩散法富集铀-235。预计到2010-2015年,气体离心技术将取代气体扩散技术。美国开发的第五代离心机转子高达15米多,直径达76.2厘米,转速达到每分钟1万转,单机生产能力为400~600千克分离功/年。
    三、利用光谱差别的激光法
    激光法是根据铀-235和铀-238原子(或分子)吸收光谱的微小差别来实现分离的。激光法分为原子激光法和分子激光法。前者直接浓缩金属铀蒸气,而后者则是对六氟化铀气体进行分离。目前,原子激光法开发比较成熟。
    原子激光法是将金属铀熔化,蒸发形成原子蒸气束。用特定的激光与铀原子蒸气束相作用,有选择性地激发铀原子。铀-235原子被激发电离,形成等离子体,铀-238原子不被激发。受激发的铀-235在电场作用下发生偏转,将其引出来,收集在精料板上。铀-238原子不被激发,仍为中性,收集在贫料板上,这样实现铀-235和铀-238的分离。
    激光法分离铀同位素是新开发的技术,具有分离系数高,耗电少,生产灵活,分离级数少,工厂规模小等优点,正在向工业化应用发展。

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