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        裂变核燃料铀的浓缩技术

        发布时间: 2014-07-18 14:20:42   作者:无   来源:

        第一部分:概述
        第二部分:技术原理
        第三部分:国内应用和发展
        第四部分:国外应用和发展
        第五部分:供应商信息
        第六部分:部分参考文献
         
        概述
        铀是自然界中原子序数最大的元素。它是一种钢灰色金属,在地壳中含量为四百万分之一,具有放射性。它由德国化学家克拉普罗特(M.H.Klaproth1789年从沥青铀矿中分离出。1939年,哈恩(O.Hahn)和斯特拉斯曼(F.Strassmann)发现了铀的核裂变现象。
          铀主要含三种同位素,即铀238、铀235和铀234。其中铀234不会发生核裂变,铀238在通常情况下也不会发生核裂变,而只有铀235能够轻易发生核裂变,或者说,做核燃料的实际上是铀235
          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。
          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。
          获得铀是非常复杂的系列工艺,要经过探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼等流程,而浓缩分离是其中最后的流程,需要很高的科技水平。获得1公斤武器级铀235需要200吨铀矿石。
         
        技术原理
        a) 电磁同位素分离(EMIS)技术:EMIS的原理与质谱仪相同铀一离子和铀一离子之所以能被分离,是因为它们穿过磁场时作不同半径弧线运动。待分离的同位素混合物在离子源中被电离成离子并由一组处于高电位的电极将它们引出, 在离子源出口处得到一快速运动的离子束。可以认为离子束中的离子具有同样的动能。离子进入真空盒后, 在横向均匀磁场作用下, 以半径R作圆周运动:
         
        其中, B为磁场强度, V为离子的加速电压, M为离子的质量数, q为离子的电荷数。由式可见, 质量数较大的离子, 其运动半径较大, 因此, 不同质量的离子的轨道分开。当离子偏转一定角度后, 在不同的位置上用收集板可收集到相应质量数的离子, 经过离子电荷中和, 便得到了该元素的各种浓缩了的同位素原子。电磁分离法的分离系数在理论上可以很大。
        b) 气体扩散法:扩散技术以气体作为进料, 利用不同同位素分子在一定压力下穿过扩散膜的速度差别来实现同位素分离。气体扩散法的基本原理是基于气体动力学理论的能量均分原理, 即两种分子量不同的气体混合物在热平衡下具有相同的平均动能, 而它们的平均热运动速度与分子量之间的关系为:
         
        从式中可见, 轻分子的平均热运动速度较重分子的大, 因此, 单位时间内一个轻分子同容器壁或分离膜碰撞的次数比一个重分子的次数要多。当两种组分的气体混合物通过分离膜流动时, 则轻、重分子间就以不同的速度扩散。通过膜的气流(轻馏分)中轻分子得到浓缩, 未通过膜的气流(重馏分)中轻分子被贫化、重分子得到浓缩。因此, 在适当的压力条件下, 当铀同位素混合气体UF6通过分离膜后, 在轻馏分中U235得到浓缩, 在重流分中U235被贫化。这样就实现了U235 U238两种同位素的分离。在理想情形下, 气体扩散法的分离系数为:
             
        c) 气体离心法:该方法的原理是待分离的同位素混合气体在高速旋转的气体离心机内, 受离心力场的作用, 使轻同位素A在转轴附近浓集, 而重同位素B在转筒壁附近浓集, 利用这个现象就可实现不同质量的同位素之间的分离。
        对于转筒半径为r2的离心机, 轻同位素A的基本分离系数为离心机旋转圆筒中心(r=0)与内壁(r=r2)一处所需同位素的相对丰度之比值,
          
        对于铀同位素MB-MA=3, 如果当圆周线速度为500m/s,T=300K , 基本分离系数为1.162, 这比气体扩散法的理想分离系数(1.0043)大得多。
        离心分离技术的优点是:1. 电能消耗小, 仅为气体扩散技术的1/202. 小规模厂也能产生经济效益,离心厂的经济规模约为1000~2000tSWU/a
        d) 气动力分离法:依靠气体动力的作用实现同位素分离的方法, 这种方法的分离效应是基于气体高速喷射、气体的相互作用、气体漩涡、气体流线的弯曲和冲击波等的气动力作用。主要有下述两种方法。
              喷嘴法:该方法由E.W.Becker及其合作者发明并发展, 但目前没有显示商业可行性.其原理如图所示, 将包含96%H4%UF6混合气体通过一窄缝高速喷入, 气体在半径很小的半圆型壁内高速运动, 由于离心力的作用象离心法, 使重组分的气体较轻组分的更接近曲壁外侧, 然后在另一端, 由刀边分离器使轻组分气体和重组分气体分开, 从而实现同位素的分离。
         
              Helikon方法:南非还曾研究另一种气体动力分离法困。其基本原理见图是利用一种涡旋管装置, 1%~2%UF698%~99%H混合气体相切于管内侧壁高速射入, 并同时具有一定轴向速度, 随着气体在管内高速旋转, 受离心力作用, 使轻的部分集中在轴附近, 而重的部分则靠外侧(象离心机那样), 当气体到达管的另一端时, 使外部(重组分)与内部(轻组分)分离。
         
        e) 化学交换法:用化学浓缩方法来分离同位素铀, 是在70年代后, 随着法国和日本的研究川, 才引起人们的关注, 并成为将来发展的候选者之一。
        该法的原理是, 同一元素的同位素在两种分子间相互交换位置的化学反应称为化学交换反应, 例如:
         
        当反应达到平衡时, 两种分子中同位素的浓度常会有微小的差异。化学交换法就是应用这种微小的平衡浓度差来分离同位素。
        对于化合物只包含一个铀原子的情形, 单级分离系数q就等于化学平衡常数k
         
        化学平衡方程一般习惯写成k>1, 对于铀化学浓缩, q一般小于1.003, 所以为获得有用的浓缩产品需进行许多级浓缩。
        f) 激光分离同位素法:激光技术是利用同位素质量差别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。
        用激光分离同位素主要有两种技术途径。一种是原子方案, 即原子蒸气激光分离同位素(AVLIS), 它利用几步不同激光频率, 使U235 原子从基态变成电离态, 然后利用强电场和磁场使U235离子聚集在收集板上, 使其与未受激发的中性U238原子分离开。另一种是分子方案, 即分子激光分离同位素(MLIS), 它利用激光有选择地使UF235 气体分子进行红外吸收, 然后进一步在红外或紫外频率照射下, 使激发的分子分解或化学分离, 从而实现同位素的分离。
        特点:该法的特点是浓缩系数很高, 比上述的其它过程都大。同时分离单元的尺寸较小,减小了总滞流量和平衡时间, 其能耗较小,大约10~50Kw.h/kgSWU。生产工厂的投资较扩散法和离心法要小, 而且有可能利用扩散厂或离心厂的尾料作为原料进行分离。
         
        国内发展和应用现状
        我国铀浓缩产业已完成由扩散法向离心法的过渡,铀同位素分离技术突破,为产业的发展提供了强有力的技术保障。作为我国国内目前唯一的核燃料供应企业,中核集团公司正按照“满足国内,面向国际”的发展方针,采用“加快国产化与积极引进并举”的发展策略,面向国内外两个市场,超前配置生产能力。201 02020年,每年都会有新的生产线开工建设并投入运行,使国内铀浓缩能力迅速提升,在满足国内核电发展的基础上将富余能力出口国际市场,并逐步使我国成为亚洲地区的铀浓缩中心。
         
        国外发展和应用现状
        从世界范围内看,气体扩散法正在被更现代和经济的离心法所取代。除离心法外,目前唯一可能的替代技术是澳大利亚的Silex 激光浓缩技术,该技术于2006 5 月得到了美国通用电气公司(GE)的资助,以实现其潜在的商业性开发。然而,即使这种技术最终被证明在技术和经济上均是可行的,其商业部署也可能必须等到2015 年以后的下一波投资高潮。因此,至少就近期而言,离心法仍将是浓缩技术的发展方向。
        为了应对核扩散挑战和确保核燃料的供应安全,俄罗斯、美国、国际原子能机构(IAEA)以及日本等都先后提出了关于建立国际核燃料循环机制的建议。就目前来看,除俄罗斯已经着手在安加尔斯克(Angarsk)建立首个国际铀浓缩服务中心之外,其他工作正处于探讨阶段,有关各方正在提出和交流新的思路。但显而易见的是,建立国际核燃料循环机制是未来的发展方向,相信在各方的探讨和协调下必将变为现实。铀浓缩服务无疑也将被纳入这个机制,形成一个更为经济和安全的世界浓缩市场。
         
        供应商信息
        法国阿海珐集团
        欧洲铀浓缩公司
        美国铀浓缩公司
        俄罗斯技术装备出口公司
         
        参考文献
        [1] 《世界铀浓缩技术发展现状》世界核协会网站200611月报道
        [2] 张会 杜祥碗,铀浓缩技术及其核扩散问题,北京应用物理与计算数学研究所
        [3] 李冠兴,我国核燃料循环前端产业的现状和展望,中国核工业集团公司,北京100822
        [4] 铀浓缩市场的近期发展趋势,国外核新闻2007.3