反應堆中的同位素濃縮材料主要指的是：鈾234、鈾235、鈾238的濃縮材料。
基本介紹
- 中文名：同位素濃縮材料
- 外文名：Isotope enrichment
- 同位素：同元素的不同原子，中子數目不同
- 區別：放射性轉變和物理性質有所差異
- 氣體擴散法：是商業開發的第一個濃縮方法
- 商業成熟程度：氣體擴散法和氣體離心法達到了
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雷射簡化了同位素濃縮
密西根大學研究人員開發了一種簡單有效的方法來生產濃縮同位素膜。此法用台式太瓦雷射器，提供一個簡潔方法來替換傳統的氣體擴散技術。一台780 nm的鈦寶石啁啾脈衝放大雷射器用超短高能脈衝燒蝕一固體靶。擴張的電漿使較輕的同位素位於其中心，較重同位素則呈螺旋形分布於外部區域。由於脈衝很短（150～200 fs），強度可高達1PW/
。超快雷射脈衝聚焦於靶產生磁場，磁場偏轉原子，將輕重原子分離，以基片捕獲原子研究人員用各種靶來做實驗，有氮化硼、氮化鎵、鋅、鈦和銅。該校超快光科學中心的Peter Proko說，在所有的情形中，較低的同位素濃縮在燒蝕方向的中心，在材料表面雷射脈衝產生電漿。電漿片沿表面的法線方向擴展，含有高度聚集的帶電離子和熱電子。擴展電漿產生的電磁場加速這些帶電粒子。他說："這基本上是一個處於自身動力學磁場中的電漿離心機。"半導體工業可能是這一開發的受益者，因為純同位素薄膜散熱特別好。例如，由純碳-12組成的金剛石比含有99%-碳12天然金剛石的熱傳導率高12個數量級。這個理論好的方面在於它很簡單，很直接，所需要的只是雷射和固態靶，且過程是自動的，無需外加磁場，麻煩的準直過程全部包含在很小的雷射電漿內。
鈾材料濃縮
把包含該元素的較重和較輕同位素的氣體輸送到離心機（一種以非常高的速度旋轉的管子）中。
鈾同位素濃縮
自然界中鈾是
（0.0057%）、
（0.7115）、
（99.28%）三種核素組成的混合物。其中 是在自然界中唯一易裂變核素（用任意能量的中子轟擊都能引起其原子核裂變的可裂變核素）。從鈾礦石中提煉出的核純級天然鈾，仍是 、 、的混合物，其中易裂變核素 僅占0.72%。因此天然鈾除可用作生產堆和少數動力堆的燃料外，在大多數動力堆及其它套用領域都還不能直接利用。絕大多數動力堆用的是低加濃由作燃料，其中的豐度（又稱天然存在比，指的是該同位素在這種元素的所有天然同位素中所占的比例。豐度的大小一般以百分數表示。人造同位素的豐度為零）為1.5%~5%，而軍事和核工業用的濃縮鈾在90%以上，所以有的濃度在燃料循環和和核能生產中占有十分重要的地位。
一個同位素分離的分離能力常用它的分離功率（單位時間消耗的分離功）來表示。分離功是分離功率是同位素分離裝置消耗的功的量度。具有質量的量綱，在數值上等於同位素混合物通過該裝置所獲得的價值增量，可表示為：
上式中P、W、F分別為精料、貧料、供料中的鈾質量；XP、XW、XF和V(XP)、V(XW)、V(XF)分別為所需同位素的豐度及價值函式。常用kgSWU為單位，稱為千克分離功單位。同位素分離的效率用分離係數或濃縮係數來表示。設分離前後鈾235的豐度分別為CF和CP，則分離係數α定義公式如圖一：
圖一
圖一濃縮係數ε則定義為ε=α-1。
氣體擴散法
氣體擴散法是用於鈾同位素材料分離的最早、最成熟的鈾同位素材料方法，也是商業開發的第一種濃縮方法。它是一種使待分離的氣體混合物，流入裝有分離膜的裝置來得到濃縮和貧化的兩股物流的同位素分離方法。其分離原理是在分子間相互碰撞可以忽略不計的情況下，氣體混合物中分子的平均熱運動速度反比質量的平方根。
因此，鈾的兩種主要同位素 和 的六氟化物（
），由於質量不同，他們分子運動速度不同。含 的分子的運動速度略大於較重的 的分子的運動速度。當它們沿著多空分離膜流動時，通過膜的輕分子的數目相對多些（單位時間內輕分子碰撞器壁的機率大），而剩下來沒有穿過分離膜的氣體中，重分子數目相對多些，這樣就達到了分離的目的。目前"氣體擴散法約占世界總濃縮能力的25%，雖然它是一項經久耐用耐的可靠技術，但因這種泵送過程耗電量很大，且大多數氣體擴散廠己接近設計壽命，所以總體傾向能耗低的離心分離技術。美國鈾濃縮公司（USEC）於2013年5月底關停了帕杜卡（Paducah）氣體擴散鈾濃縮廠，該廠建於20世紀50年代，是目前全球唯一一座仍在運行的氣體擴散鈾濃縮廠。
式中N1為輕組分摩爾數即含 的 分子的摩爾數，Ph為高壓區的總壓力，M1為235的相對分子質量，M2為238的相對分子質量。根據兩式可得到單級全分離係數（αβ）O：
間的碰撞等，與理想條件鈾一定差別，使得高壓區的輕組分的實際豐度大於理想條件下的豐度，故實際的全分離洗漱（αβ）O小於1.004.氣體擴散的單級分離係數（又稱分離因子。表示某一單元分離操作或某一分離流程將兩種物質分離的程度。通常有兩種定義：單級分離係數，表示物料中兩種物質在某一單元分離操作（單級分離操作）前後相對含量的比值，流程分離係數，表示物料中兩種物質在經過某一分離流程前後相對含量的比值）是很小的，通常小於1.002.因此要想將天然鈾中 的豐度提高到3%，且貧油化中含0.255U，則大約需要1400級串聯起來的壓縮機壓縮氣體，又需水冷卻，所以氣體擴散廠占地面積大、能耗大（根據國外數據，約為2400KWh\SWU）、冷卻水用量大，致使投資大，建廠周期大。但它有個最大的優點，就是生產量大。
離心法
氣體離心分離法通過重力或離心力場分離 與 同位素。在巨大的離心力場作用下，輸入離心機的六氟化鈾氣體中的輕分子
在離心機轉子中央部分加濃，而重分子
更多地趨於筒壁，造成鈾同位素材料在徑向的部分分離在離心法中稱徑向平衡分離係數（單級分離係數的一種），可由下式表示：
離心法的優點是單級濃縮係數大，是氣體擴散法的100倍以上，濃縮到同樣程度所需要的級數大大減少。另一優點是比能耗小，只有氣體擴散法的十分之一左右。因此大多數新濃縮廠採用該法占世界總濃縮能力的大約65%。離心法的缺點是單機分離功率低，要形成一定的生產能力，需要的離心機數量很大，工業規模的離心工廠需要幾萬台甚至幾十萬台離心機。維持大量離心機長期正常運轉的技術難度大。此外，由於材料限制，高速轉子難以獲得，技術要求高。
噴嘴法
也稱氣體動力學分離法。
噴嘴法是一種利用氣體動力學原理分離同位素的方法。噴嘴法的原理是六氟化鈾與氫（或氦）的氣體混合物通過噴嘴吹向凹形壁，即讓流動著的六氟化鈾混合氣體受到高速直線或離心的加速度，使較重的 同位素比較輕的 更靠近壁面，這樣利用曲面末端的“刮板”可將氣體分成濃縮鈾和貧化鈾的兩股流，如右圖所示 噴嘴法的單級分離係數介於氣體擴散法和離心法之間，比能耗和比投資與氣體擴散法相當或略大。 由於氣體動力學法的比能耗和比投資都很高，已經成功套用擴散法的國家一般都不再研製氣體動力學方法。
雷射分離法
雷射分離同位素是根據原子或分子在吸收光譜上的同位素位移，用特定波長的雷射激發某特定同位素原子或含該原子的分子，再通過物理或化學方法使激發態原子或分子與基態成分分開，從而達到濃縮同位素的目的。 雷射法分離同位素與前述三種方法相比具有以下特點：
（1）分離係數大。利用雷射的高度單色性，選擇性地激發同位素混合物中某特定同位素原子或含有該原子的分子，對其他的同位素原子或分子影響很小，故分離係數大（而氣體擴散、離心法等是利用同位素質量的微小差別來進行分離，分離係數很小）。
（2）能量消耗低。由於是極強的選擇性激發和電離，所以能量僅消耗在特定的同位素原子或含有該原子的分子上。而擴散法、離心法等則是將能量消耗在同位素在同位素混合物各原子或分子上。
（3）平衡時間短。由於雷射分離係數大、分離單元少，因此平衡時間很短，大大減少了系統裝置中的滯留量（氣體擴散的平衡時間需要幾個月，雷射法幾乎不需要平衡時間）。
（4）產生的廢物少。減少了三廢污染，整個分離過程不需要化學試劑，僅需要雷射器發生的雷射光子。
原子或分子體系雷射分離同位素，都必須滿足：
1.被利用的原子或分子的光譜有同位素位移；
2.有與被分離同位素頻率相匹配的合適的雷射器；
3.利用合適的物理或化學方法，收集產品。
各國科技工作者正在從上述三方面進行研究（特別是前兩點），一期達到商用階段。
雷射濃縮法曾是人們關注的焦點，因為它可能大幅降低能耗、建設費用和尾料豐度。該法可能產出很純的鈾 ，但總體生產率和複合率還有待證明。需要指出的是，分子雷射法只適用濃縮六氟化鈾，不適於“淨化”高燃耗鈽金屬，而既能濃縮鈾金屬也能濃縮鈽金屬的原子雷射法也能“淨化”鈽金屬，因此"分子雷射法比原子雷射法在防擴散方面更有利。美國用原子蒸氣雷射分離同位素已獲得成功，據了解全球雷射濃縮公司（GLE）正計畫在北卡羅來納州威爾明頓建設一座商業雷射鈾濃縮設施，該項目已經獲得美國政府的批准。
其他濃縮法
1、化學交換法 該方法是利用同位素之間具有微小的化學性質（化學平衡、反應速度等）的差異來進行同位素分離的。溶液中四價鈾與六價鈾共存時，六價鈾離子中的
比
多，且離子交換樹脂對六價鈾的吸附遠大於四價鈾的吸附，當氧化劑、 四價和六價鈾的混合溶液、還原劑依次加入離子交換柱時，鈾溶液在交換柱內的移動過程經歷反覆的吸附、分離，最後在柱上的上部 被濃縮。本方法分離系 數很小，約為1.0015。
2、電磁分離法 電磁同位素分離（EMIS）技術是20世紀40年代初在美國曼哈頓計畫中開發出來的，目的是製造武器級高濃鈾，但是不久以後被放棄。然而，它後來又重新出現，成為1992年發現的伊拉克秘密武器鈾濃縮計畫的主攻方向。該法是基於帶電原子在磁場作圓周運動時，鈾同位素材料質量不同的離子旋轉半徑不同而被分離的方法，與質譜儀原理相同。通過形成低能離子的強電流束，並使這些低能離子在穿過巨大的電磁體時所產生的磁場來實現鈾同位素材料分離，由於輕同位素與重同位素圓周運動半徑不同而被分離。但是該技術的能耗巨大，約為氣體擴散技術的十倍。
3、電漿法 天然基於電漿旋轉和離子迴旋共振兩種原理來分離同位素的方法：
① 使高溫下產生的鈾電漿在電磁場中作高速旋轉，在離心力場作用下，質量較大的鈾同位素材料電漿在徑向方向上逐漸加濃。這種旋轉電漿裝置好象是一種外壁不動的高速離心機，其分離係數比氣體離心機高得多。
② 選擇電場的頻率在所需要的同位素離子共振頻率範圍內，這樣，所需要的同位素離子將在較大的迴旋半徑上循環，這就提供了所需要的同位素與其他同位素分離的可能性。 電漿法分離係數很高，比能耗很小，尚處在實驗室階段。
4、熱擴散法 當組成均勻的氣體或液體混合物中有溫度梯度時，輕組分將富集在熱區而重組分將富集在冷區，這就是熱擴散效應。 將欲分離的同位素混合物放在兩個垂直的同心圓管中間，內管加熱，外壁冷卻。由於熱擴散效應，輕組分在熱壁表面附近富集，重組分在冷壁表面富集，同時內壁附近氣體受熱上升，外管內壁附近氣體因冷卻下降。由於熱對流的結果，富集了的輕組分氣體和重組分氣體經多次逆流接觸，使得簡單熱擴散效應效果倍增。熱擴散柱結構簡單，操作方便，套用範圍廣泛，是實驗室中分離輕同位素的主要手段。
