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铀同位素分离


youtongweisu fenli
铀同位素分离
separation of uranium isotopes


   由铀235含量较低的铀同位素混合物,获得铀235含量较高的铀同位素混合物的同位素分离技术。铀同位素分离在核燃料循环中占极重要的地位。铀 235含量大于天然含量的铀称为浓缩铀。浓缩铀可用作反应堆的燃料(含量在3%左右),还可用作核武器的装料(含量在90%以上)和舰艇的核动力燃料(含量在20%左右)。但是天然铀中主要含有铀238(含量为99.275%),而铀235的含量仅为 0.720%。因此必须通过铀同位素的分离来提高铀同位素混合物中铀235的含量。
 铀同位素分离的研究起始于第二次世界大战期间。1938年O.哈恩等人发现铀核裂变释放出大量能量,从此美国和德国为获得武器级浓缩铀都开展了分离铀同位素的研究工作。1942年美国建造了电磁分离、气体扩散和热扩散三个铀同位素分离工厂,并联合生产了战争期间所用的铀 235。现在分离铀同位素的方法主要有气体扩散法、离心法、喷嘴法、激光法、化学交换法、等离子体法等。具有工业价值的是气体扩散法和离心法,激光法的工业应用已经取得重大进展。
 同位素分离的效率用分离系数或浓缩系数来表示。设分离前后铀235的丰度分别为,[kg2]kg2则分离系数定义为[1135-1]1135-1 而浓缩系数[kg2]kg2则定义为-1。同位素分离装置的能力用分离功率来量度。分离功率表示该装置单位时间所提供的分离功。分离功是一个分离装置对于它所处理的物质所做的“功”,具有质量的量纲,在数值上等于同位素混合物通过该装置所获得的价值增量,可表示为:
          ()+ ()-()式中分别为精料、贫料、供料中的铀质量;()、()[kg2]kg2()分别为所需同位素的丰度及价值函数。
 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UFUF)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(UF)通过的几率比速率小的重分子(UF)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。
 对于六氟化铀气体,气体扩散法的理想单级浓缩系数为4.29×10。在实际扩散机中,浓缩系数远不能达到理想值,70年代末80年代初,最高水平可达2×10。由于气体扩散法的一次分离系数很小,在生产中需要把很多级按一定方式连接成级联。简单串联级联见图1 [气体扩散法串联级示意图]气体扩散法串联级示意图,通过膜后的气体(精料)送入前一级,未通过膜的气体(贫料)送入后一级,铀235逐级加浓。级联还有并联、搭接等多种形式。要得到90%丰度的铀235同位素,就需要3000~4000个扩散机组成的长达几千米的级联装置。
 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。它是目前最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1万吨/年以上,比能耗均在 2400千瓦·时/千克左右。气体扩散法的缺点是分离系数小,工厂规模大,耗电量惊人,成本很高。
 离心法 利用在离心力的作用下,分子质量不同的流体的压强分布不同的原理分离同位素的方法。在巨大的离心力场作用下,输入离心机的六氟化铀气体中的轻分子UF在离心机转子中央部分加浓, 而重分子UF更多地趋于筒壁,造成铀同位素在径向的部分分离。
 离心法的分离系数取决于两种同位素分子的质量差,而与同位素分子本身质量无关。这就使得分离重同位素并不比分离轻同位素困难,有利于铀同位素分离。另外,分离系数随着离心机转筒线速度的增加而迅速增加。实用工业离心机是高速逆流离心机(图2[逆流离心机示意图]逆流离心机示意图),通过机械驱动、热驱动和供料

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作者:张作风  来源:互联网  
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