标题离心机分离核燃料技术分析

在铀的浓缩工艺方面，目前潜力很大。现在主要的浓缩方法，还是美国第二次世界大战期间发展起来的气体扩散法。由于氟元素只有一种同位素，所以采用气体扩散法时，先将天然铀制成六氟化铀气体。精制、提纯后的六氟化铀气体，由压缩机驱动通过多孔扩散膜。扩散机上最关键的部件是扩散膜。扩散膜上每平方厘米的面积内，有几亿个直径约十万分之几毫米的微孔。铀－238与铀－235组成的六氟化铀气体分子，有微小的质量差别。用压缩机强迫这些气体通过扩散机里的扩散膜时，铀－235组成的气体分子由于轻，每一次通过扩散膜的比例，比铀－238组成的气体分子通过的比例略微大一些。每一组扩散膜组成一个分离级。但是，每经过一级扩散，铀235的浓缩度增长系数为1．0043（增加千分之4．3）。要经过相当多级的扩散分离，才可能获得浓缩的铀。例如，要将天然铀浓缩到3％的浓缩 度，要经过上千个这样的串联的分离级。如果要将浓缩度提高到90％以上，则要经过三、四千个分离级。但是氟化物的腐蚀性很强，数以千计的扩散级要消耗大量的贵重材料，运 行时消耗的电力也很多。一吨分离功，要消耗250万度电。公斤分离功、吨分离功都是分离能力的量度。浓缩时消耗分离功的多少，与原料、尾料及产品中铀－235的含量及产品数量有关。原料和尾料中铀－235含量越低，产品中铀－235浓缩度越高，产品的数量越多，则需要的分离功越大，反之亦然。要从5．48吨天然铀中分离出一吨3％浓缩度的铀，并要求尾料中铀－235浓度为0．2％，至少需要4．306吨分离功。一个一百万千瓦的轻水堆电站，每年要消耗百多吨分离功。用扩散法获得这些分离功所需的电力为两亿度以上。目前美国有橡树岭、帕杜卡、朴茨茅斯三个扩散厂，年分离能力17000吨分离功，相当于年产90％高浓铀75吨或3％低浓铀3900吨。很显然，如果我们要建一个生产能力为每年一吨分离功的扩散厂是不经济的。由于扩散厂分离级多，所以要年分离能力达到五千到九千吨分离功的规模才经济。这样大规模的扩散厂，建设周期十多年。现在扩散法正逐渐淘汰，美国已于1985年关闭一座扩散厂。

        作为第二代浓缩铀生产方法的离心法，目前正在发展之中。离心法是将六氟化铀气体通过高速旋转的空心圆筒。当圆筒直径为十厘米时，每分钟转速达六到十万转。在如此大的转速下，稍重的铀－238组成的六氟化铀气体分子，由于离心力大而聚集在筒壁附近的较多，稍轻的铀－235组成的气体分子，则较多地集中在筒中央区。生产3％浓缩度所需的串联级
，只及扩散法的几十分之－，大约是几十个。因而电能的消耗大约是扩散法的十分之一，经济规模也只及扩散厂的十分之一，所以建造周期短，可以在决定建造核电站的同时开始建造离心厂。

        离心法的主要问题是，高速旋转的离心机使圆筒离心力大。由于材料的限制，离心机尺度不能太大，它每台的生产能力远低于扩散机。在相同生产规模的情况下，离心机的数量比扩散机多几十倍以上。因而投资比相同规模的扩散厂高30％，而且离心机容易损坏。但由于耗电少等原因，产品成本比扩散厂仍低30％。离心厂的尾料中铀－235只占0．1％。七十年代初，离心法已在欧州建厂。美国计划在朴茨茅斯建造的第四座扩散厂，1977年也当机立断改为离心厂，设计的年分离能力为8800吨分离功，超过前三座总和的一半。

         被称为第三代浓缩法的激光法，目前发展很快，有取代离心法的趋势。激光是一种单色性很强的人造光源，波长分布范围很窄，方向性很强，能量非常集中。铀－238与铀－235原子核的质量不同，因而原子核外的电子壳层结构也有细微的差别。这种微小的差别，使它们能吸收不同波长的光。用激光法浓缩铀，就是以特定波长的激光，有选择性地激发铀-235的原子或分子，然后再用物理或化学方法，将它与未受激发的铀－238分离。与此相适应，有原子激光法和分子激光法。美国现已选定原子激光法建立中间试验工厂。理论上只需一次分离，就可以将铀－235和铀－238分开。因而激光分离厂占地面积小，它的每单位分离功的基建投资和电能消耗只有扩散法的十分之一，它浓缩后的尾料中，铀－235的含量只有0．03－0．1％。和扩散法、离心法相比，激光法的生产成本最低。美国能源部己作出决定，跳过离心法，集中力量实现激光法的商用。因此，朴茨茅斯离心厂部分投产后又停了下来。和美国类似，法国和其他一些国家也已采取措施，打算将激光法作为主要发展方向。

         现在化学分离法也取得了－些进展。由于不同同位素的原子核内中子数的不同引起的微小差别，它们的化学反应速率也略不相同。化学分离同位素的方法，正是以反应速率的微小差别为基础而建立的。由于轻元素的同位素之间的化学反应速率差别大，所以化学法最早在轻同位素的分离中得到了运用。四十年代后，美国用它分离铀的同位素时，由于分离系数太低，分离时间太长，以至不少化学家认为，这种方法不能用于重同位素的分离。但是由于法国及日本科学家的努力，近年来用化学分离法浓缩铀已取得了一些进展。1977年5月，法国核对外政策最高委员会宣布，法国巳掌握了浓缩铀的化学分离法。1983年日本旭化成工业公司已开始建造化学法浓缩铀的中间工厂。化学法也不需要用腐蚀性很强的六氟化铀气体，只要用天然铀或贫铀溶液即可，因而设备寿命长。化学法的特点是，设备比较简单，可以稍快地浓缩出动力堆用的低浓铀，如果想浓缩出核武器装料用的高浓铀，则由于会达到临界，产生裂变链式反应等原因，往往是不可以的。因而采用化学法不用担心会转为军用，有助于减少制造核武器的可能性。化学法浓缩后的尾料中铀－235的含量为0．1％。能量消耗比激光法还低。不过化学法分离系数小，分离速度慢，铀原料在生产过程中的滞留量太大，影响资金周转。除日本仍在继续研究外，法国已停止了。到目前为止，扩散法还在浓缩铀生产中占很大比重。估计到九十年代初美国已积累七十万吨扩散后的尾料。如果将这些贫铀中铀－235的含量由现有的0．25％下降到0．1％，则可以得到14．5万吨天然铀。一座100万千瓦的轻水堆核电站，在它三十年寿期内，消耗天然铀5

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000吨。所以上述14．5万吨天然铀，可以满足29座100万千瓦的轻水堆电站三十年的需要。