铀浓缩(富集)

核物理科普系列十六

一、铀浓缩的必要性和重要性

铀的浓缩是指用人工方法使铀235丰度增加的过程。铀235是唯一天然存在的易裂变核素,它在天然铀的丰度为0.710%,而铀238占99.285%。除少数重水堆、石墨气冷堆用天然铀作核燃料外,轻水堆需使用低浓缩燃料,其中铀235的富集度为2%-5%,一些研究堆和实验堆需要富集度更高的燃料,高通量的材料实验堆则需要富集到90%以上的浓缩铀。

二、分离功的基本概念和定义

1.分离功是一种仅专用于浓缩铀的度量单位,分离功(SWU):把一定量的铀富集到一定的铀235丰度所需投入的工作量;以kgSWU或tSWU表示。

2.以天然铀做原料,生产1t丰度为3%的浓缩铀约需4.3tSWU以及5.5t天然铀;浓缩过程中剩下4.5t贫化铀,其铀—235丰度下降到0.2%左右,一般无工业应用价值,作为尾料储存。

三、浓缩铀生产的基本原理

用人工方法获得浓缩铀的方法有多种,但形成工业规模的生产方法只有气体扩散法和气体离心法。激光分离技术虽然理论上可在单级实现,但仍存在许多技术难关。

1.气体扩散法

(1)气体扩散法是最早实现的规模生产方法,其工作介质是六氟化铀。

(2)气体扩散法原理是基于两种不同分子量的气体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。较轻分子的平均速度大一些,它与容器壁或多孔隔膜的碰撞次数(几率)相对重分子就要多一些。隔膜含有容许分子通过的无数微孔,因此两种组分就以不同的速度通过多孔膜(又称为扩散膜或分离膜)而扩散。

(3)用扩散法分离同位素的条件是膜孔径必须足够小,混合气体压力足够低,并维持进出口有一定的压差。

(4)扩散分离级主要由分离器、压缩机和热交换器组成。

(5)通常用分离系数α表示分离效果。分离系数就是在分离级前后所需要同位素铀235的相对丰度比。

(6)扩散分离系数是两种组分的分子量比的平方根,其理论最大值为1.0043,而实际值一般仅为1.002左右。

(7)由于单级的分离效果小,为了达到丰度为3%的低浓铀产品,需把一千多级扩散级串联起来组成级联。

(8)由于必须把气体不断地重新压缩,使它通过扩散膜,因此扩散厂要消耗大量的电能;大型扩散厂每kgSWU需2300~2500kW·h电能。

(9)由于比电耗大,扩散法缺乏经济竞争力,许多扩散厂已陆续停运。

我国早期铀浓缩合格产品

2.气体离心法

(1)在离心机中较重的分子靠近外周富集,较轻的分子靠近轴线富集;从外周和中心分别引出气体流,就可得到略为贫化和略为富集的两股流分。

(2)为了进一步提高分离效应,可以用加热或机械方法驱动在转子内旋转的气体,造成一个轴向流动的逆向环流。

(3)离心机主要由转子、轴承、取料器、电机和外套筒等零部件组成。

(4)离心机的生产能力取决于转筒的转速和长度;转子的速度越高分离能力越大。

(5)与气体扩散法相比,其主要优点是:

比能耗低,仅为气体扩散法的4%~10%;

单机浓缩系数(分离系数与1之比)大(可达0.2左右);十几级可达到3%;

技术发展潜力大,离心机的转子长度可再增加并由亚临界机器发展为超临界机器;

经济性越来越好,分离功非导体已远低于气体扩散法;

(6)单机分离能力小,为实现相当的产量,在各级中必须并联很多离心机(几万台甚至几十万台)。

离心式压缩机

3.激光法

(1)基本原理:利用同位素质量差所引起的激发能差别,根据不同同位素原子(或由其组成的分子)在吸收光谱上的微小差别(称为同位素位移),用线宽极窄即单色性极好的激光,选择性地将某一种原子(或分子)激发到特定的激发态,再用物理或化学方法使之与未激发的原子或分子相分离。

(2)激光分离铀同位素方法中最成熟的原子激光法(AVLIS),其基本过程为:将铀235原子共振吸收光子而激发和电离,未激发的铀238原子始终处于中性基态,此时加一电磁场,使铀235发生偏转与中性的铀238原子束分开予以分别收集。

(3)原子激光法分离系统由激光器系统和分离器系统以及所需要的辅助系统组成。

(4)激光法的突出优点是分离系数大,一次分离即可获得适于制造核武器的高浓缩铀,但其技术上难度较大,目前离工业应用尚有较大距离。

四、浓缩铀生产的工艺流程

1.级联

每个分离单元的分离效果都很小,将很多分离单元以一定的形式连接成级联;

分离级是级联的组成单位;级联是分离级之间串联形成的组合;

分离级可以是一个分离单元(扩散单机或离心单机),也可以是并联的数个分离单元;其中每个分离单元的入口和出口处的铀235同位素丰度相同;

在实际分离工厂中通常将每一级的精料作为下一级的供料,同时将每一级的贫料返回到上一个较低丰度的级再参与分离,形成与不断浓缩的精料流反向流动的贫料流,称为逆流型级联。

2.工艺流程概述

(1)原料UF6容器放入加热罐中加热,以气态形式供入级联进行分离。

(2)当235U被浓缩到所需丰度时装入冷冻状态下的产品容器,再经液化均质,取样合格后存入成品库房。

(3)贫料UF6装入冷冻状态下的贫料容器,完全固化后送贫料场暂存。

(4)铀浓缩工厂主工艺系统设置有:级联系统、供取料系统、产品液化倒料系统、物料储存运输系统、沾污容器和设备清洗系统、废液处理系统、主要沾污设备检修系统。

(5)公用支持系统设置有:供电系统、供水系统、水处理系统、冷冻水系统、蒸汽供应系统、压缩空气供应系统、液氮供应系统、空调系统、通信与报警秕、实物保护系统、防火系统等。

3.铀浓缩工厂的基本特点

(1)工作介质为六氟化铀;其化学性质活泼、化学腐蚀性强。

(2)工艺系统的高度密封性和清洁度;主工艺回路是处于负压下工作的,因此必须保持其严格的真空密封。

(3)长期运行的安全性与可靠性;级联一旦启动就要求常年连续运行;要求非常可靠的供电必须配置后备电源;各种供料及动力供应均不允许中断。