同位素分離工廠

同位素分離工廠是專門從事由天然的同位素混合物中分離出某種純的同位素，或是將其中某種同位素的濃度相對提高的加工單位。

基本介紹

• 中文名：同位素分離工廠
• 外文名：Isotope separation plant
• 舉例：235U和238U的分離
• 學科：化學

概念

由於天然的化學元素或化合物，大都以同位素混合物狀態存在，其中各同位素含量均有一定值的天然豐度，但他們彼此的和性質迥異，而在原子能工業或其他科學研究領域內常需將同一元素中的不同同位素進行分離以供特殊用途之需。這些同位素的物理化學性質極為相似，其分離工作一般化合物與元素的分離更為困難。同位素分離的方法有多種。若是輕同位素（元素中期表中第一、二周期的元素如氕、氚、鋰-6、鋰-7、硼-10、硼-11等）由於其相對質量差大，常採用化學化工方法如蒸餾、同位素交換、電解法等進行分離。而重同位素則由於相對質量差小，常採用物理方法如電磁、氣體擴散、熱擴散、離心法等進行分離。鈾-235同鈾-238的分離屬於後者。

法國皮埃爾拉特同位素分離工廠

法國建造的皮埃爾拉特同位素分離工廠的目的是使法國能夠獨立自主地生產高濃縮鈾。這種工廠規模巨大，造價昂貴。工廠採用氣體擴散法分離鈾，年產量的幾噸U。建造這種工廠的第一項複雜工程是使六氟化鈾（鈾氣體化合物）處於65℃的溫度下，以防止產生使氣體凝固的冷區。因此，整個裝置必須封閉在一個溫度較高的恆溫容器內。

分離級是一個十分複雜的裝置。它包括壓縮機和多孔膜。膜的孔徑約10毫微米。分離級要求高度密封，能運行幾千小時而無須停機。1958年法國在沙克萊核研究實驗室利用氣體擴散法第一次實現了鈾同位素的分離。同年，第一座實驗工廠也在沙克萊投入運行。皮埃爾拉特工廠是仿照這個實驗工廠建立的。從外表上來看，皮埃爾拉特工廠包括四個工廠：低層分廠、中層分廠、高層分廠和更高層分廠。

同位素分離級聯

同位素分離級聯的最佳化一直是級聯理論研究中的一個重要課題。分離單元是同位素分離工廠中最小的單位。核能的快速發展對濃縮鈾需求的增長以及科技發展對穩定同位素越來越大的需求要求有高性能的級聯。尤其是在濃縮鈾方面，同位素分離的規模巨大。主要同位素分離的方法是氣體離心機法，同位素分離的設施由成千上萬台離心機通過串聯和並聯的方式構成分離級聯。級聯分離性能的提高能降低分離功成本，帶來巨大的經濟效益。因此，建設高效的同位素分離級聯或使已有級聯運作在最佳工作狀態具有重要的實際意義。

獲得高性能的分離級聯需要從理論上首先給出同位素分離工廠級聯的水力學狀態，即級聯中供料位置、各級流量、分流比沿級數的分布。在比較簡化的理論模型中，如所謂的豐度匹配級聯(MARC級聯)、Q級聯等，都可以把級聯的水力學狀態與供料豐度和所要求的產品豐度(級聯的外參量)通過解析表達式聯繫起來。因此對這類級聯的最佳化能夠很方便地進行。但在實際中，情況比簡化的理論模型要複雜得多，如組分間的分離係數就不完全是常用的與組分質量差的一種指數關係。可以用簡化的理論模型做一些初步的性能分析和設計，但要與實際密切結合則需使用實驗獲得的分離係數表達式。這樣針對簡化模型的最佳化方法就不完全適用了，需要一種能夠處理實際複雜情況的最佳化方法。

直接數值最佳化是一種有效的最佳化方法。給定了初值後，只要有根據級聯水力學參數計算豐度的方法，最佳化的過程可以交給最佳化軟體去完成。最佳化的難度在於整實型混合、有等式的約束、多變數的非線性最佳化。處理整實型混合的方法是把整型和實型變數分開，利用模型級聯(這裡為Q級聯)大致給出整型變數的值，從而確定取值范同而大大縮小搜尋空間。處理等式約束是把等式約束變為不等式約束，通過質量守恆的關係在最佳化過程中自然趨向等式約束：對於多變數，則選用全局最佳化和局部最佳化結合的策略，儘快縮小最佳化空間，提高最佳化效率。

組分和級數的數量對最佳化的難度有較大影響。組分少和級數少的情況能夠容易得到最佳化結果，反之則困難些。對於組分和級數很多的情況，還需要進一步研究更有效的最佳化方式。對於鈾同位素分離，由於所需的目標組分豐度不高，分離級聯的級數不多，完全可以用直接數值最佳化的方法獲得最優級聯的設計方案。但對於多組分的分離，級數很多情況下，數值最佳化可以給出接近真實最優結果的最佳化結果，但要確定最優還需進一步的研究。