基本介紹
- 中文名：鈾濃縮物
- 外文名：Uranium concentrate
- 別名：黃餅
- 相關元素：鈾
- 主要成分：重鈾酸銨
- 用途：核子彈、核反應堆
簡介,限制要求,濃縮方法,氣體擴散法,氣體離心法,雷射分離法,氣體動力學法,電磁分離法,離子交換法,市場現狀,
簡介
鈾是自然界稀有和較重的元素，化學符號是 U，其名字源於天王星。鈾是核子彈和核反應堆等的核心材料，若干國家已能製造核子彈，軍、民用核反應堆已遍及全球，核能發電越發成為能源或電力的主力。鈾的主要用途有：核裂變材料、放射性同位素、染色劑與合金材料等。它的處理方式有：鈾濃縮（鈾純化）、鈾轉化和鈾的後處理[用物理、化學方法處理用過的核燃料，以提取核燃料鈽（Pu）等]。
鈾是重要的核燃料和核子彈核心材料，現在使用的鈾材料都需提煉、濃縮，使之達到一定的純度。比如，製造一顆核子彈至少需 20—50 千克的高濃縮鈾（也可用鈽造核子彈），其濃縮純度應達到 90%以上。
獲得鈾材料需經過一系列複雜的工藝，要經過探礦、開礦、選礦、浸礦、煉礦、精煉等流程，分離、濃縮是主要和較難的流程，科技含量高。鈾礦石經碾磨、分選後得到的較純淨鈾礦產品，即鈾精礦，又叫“黃餅”，主成分是八氧化三鈾和重鈾酸鈉、重鈾酸銨，它是核燃料生產過程中的一種中間產品。通常，獲得 1 千克武器級U235需要 200 多噸較高品位的鈾礦石。
限制要求
重鈾酸銨（Ammonium Diuranate，縮寫為ADU），分子式為(NH4)2U2O7，它的分子量624，鈾含量76.28 %，是鈾礦加工工藝中最重要的產品。 由於鈾的化學濃縮物雜質較高，不符合核純要求，一般需要採用TBP萃取方法進行精製。因此，在鈾的化學濃縮物中，對五類雜質需要加以限制：
（1）在不同程度上會影響TBP萃取過程，降低生產能力的雜質。例如：有機物、碳酸鹽、氟化物、磷酸鹽、二氧化矽、硫酸鹽、鋯等；
（2）會增加硝酸消耗量的雜質。例如：鈣、鎂、鐵等；
（3）TBP萃取過程中難以去除的雜質。例如：有機物、氟化物、氯化物、鉬等；
（4）容易腐蝕設備的雜質。例如：氟化物、氯化物等；
（5）會產生廢物的雜質。例如：砷、鈉、不溶於硝酸的鈾等。
濃縮方法
提純、濃縮鈾 235 的技術較複雜，某元素的各種同位素，如同“孿生姐妹”，物理性質與化學性質十分相似。利用同位素在物理、化學性質上的微小差異，通過擴散、蒸發或化學交換等方法與過程，可使某元素同位素的比例發生變化。用同位素分離法處理天然鈾，可增加鈾 U235 的濃度，使天然鈾里 U235 的相對含量高於0.7%，進而獲得供多種需要的不同濃度的鈾材料。
工業規模分離鈾同位素的技術（適用於提高 U235 濃度）有氣體擴散法、氣體離心法、離子交換法以及蒸餾法、電解法、電流法、液體熱擴散法、電磁分離法和雷射分離法等。這些濃縮方法，工藝過程都複雜，投資大、耗能高、且產量低，即生產鈾燃料成本較大。
氣體擴散法
這是最早、最成熟的濃縮方法，也是商業開發的第一種濃縮方法，它據分子滲透、擴散原理，利用不同質量的鈾同位素轉化為氣態時運動速率有點差異進行分離。UF6是一種劇毒、腐蝕性強和有放射性的白色晶體，加熱後升華為氣體。由於U238、U235的質量數不同，所以UF6氣體中二者的分子質量也不同，UF6里U235的質量數是349、U238的質量數是352。當高壓UF6混合氣體（鈾同位素的混合氣體）透過級聯安裝的多孔薄膜時，UF6中U235輕分子氣體會比UF6中U238重分子的氣體更快地通過多孔膜。通過膜管的氣體立即被泵送到下一級，留在膜管中的氣體則返回到較低級再循環。在每一個氣體擴散級中U235與U238濃度比僅略有增加，如此分離、濃縮到工業級鈾235濃度則需1000級以上。
該技術的核心是多孔擴散分離膜（蘇聯曾叫它是“社會主義陣營安全的心臟”），我國於1964年研製出優質的分離膜元件（時稱甲種分離膜，該技術獲1984年國家發明一等獎）。分離膜是每平方分米有數百萬個超微細孔的多孔薄金屬板或薄膜，將這些薄膜（板）捲成管子並裝在密封的擴散器里，當UF6氣體加壓送到由這些管子組成的級聯裝置中，混合氣體便會逐漸被分離，含U235多的濃縮UF6氣體沿著級聯裝置向前流動，含U238多的稀薄UF6氣體則因流動滯後而落下、分流了。該方法擴散、濃縮過程需要幾千個連續的級聯裝置，連續擴散可將UF6 混合氣體裡含U238的分子與含U235的分子分離，再用化學方法處理已濃縮的UF6U235氣體分子，進而獲得 U235。這種方法鈾濃縮的效率不高、能耗大。
氣體離心法
1919年，德國科學家G·瑞皮完成了氣體離心機的基本設計。鈾濃縮離心機概念和套用則是20世紀30—40年代由美囯維吉尼亞大學的高速離心機專家 J·W·伯莫斯提出的。1934年，伯莫斯成功地分離了兩種氯同位素；1941年，他和同事利用離心機首次成功地分離了鈾同位素。分離共設計了3種離心機，其工作曾引起美國當時正實施的“曼哈頓計畫”（研製核子彈的計畫）領導人的注意，但美國最終選擇了氣體擴散法。氣體離心法也適用於處理鈾的混合液體或鈾蒸汽，它使用獨特設計的離心機使氣體或液體能不間斷地在各個離心機中流動，可連續運轉加工鈾氣流或鈾液體流。時下，濃縮鈾常用這種機械式分離法，真空高速離心機是關鍵設備，國際上常把有無該設備作為判斷一個國家是否進行核武器研究的標誌。與氣體擴散法相比，氣體離心法工效較高、所需電能要少很多，所以該法已被大多的濃縮鈾工廠採用。
U235、U238原子量不同，密度有微量差別。利用高速旋轉產生的慣性離心力，可將較重的 U238“甩”到一端，這道理與洗衣機的甩乾桶差不多。將高壓UF6氣體注入高速轉動的封閉式離心機里，由於質量存在差異，長時間旋轉依靠慣性離心力，較輕的UF6中U235分子大多集中在容器轉軸處，較重的UF6U238分子則大多結集在邊緣。若沿軸向從外部導入氣流，並使轉軸處的這股氣體向上流動，邊緣處外部導入的氣體向下流動。如此，離心機下方收集的是較重的UF6U238氣體，上方則是需要的、較輕的UF6U235氣體。在近軸處富集的UF6U235氣體被導出，再輸送到下一台離心機繼續分離，逐漸累積、純化、濃縮。隨著較輕的 UF6U235氣體穿過一系列高速離心機，其U235同位素分子富集度會越來越大。最後，利用化學法處理已收集的、較輕的UF6U235氣體，就可獲得工業或軍用級濃縮鈾。通常，氣體離心機廠需要幾千台高速真空離心機連續、長期地工作才能得到武器級濃縮鈾等（2010年下半年，因外界攻擊，伊朗納坦茲鈾濃縮工廠至少有1/5的離心機因感染“震網”病毒被迫關閉；2011年2月末，國際原子能機構的報告說，該廠現有低純度濃縮鈾約3600公斤）。
雷射分離法
氣體離心法濃縮成本較高、效率也不理想，先進的濃縮法是雷射分離法。利用雷射濃縮鈾，能降低生產成本。其原理基於雷射有極好的單色性和原子核的同位素光譜位移等。各同位素原子核的中子數不同，它們的能級會發生同位素位移，發出的輻波長會有小差異。雷射的單色性好，這樣能做到用和某同位素原子核的輻射波長相同的雷射去激發其中的某種原子，而不會把其他同位素原子一起激發，即用雷射可單獨地把同位素原子團中的某同位素原子先電離；再用電場將電離的原子從同位素混合物中單獨“拉”出來，將這些原子激發到高能級；最後利用高能級的原子和基態的原子參加化學反應的活力不同，通過化學反應法便可把它分離，聚集後就獲得了所需的同位素原子。雷射分離法濃縮鈾 235，比其他方法優越，設備可大大簡化，成本可大大降低。據估計，該法生產投資約是氣體擴散法的1/2，生產過程耗能只有氣體擴散法的1/10左右。所以，多個國家已重視開發這種鈾燃料生產技術。1977年美國開始研究用雷射提純濃縮鈾，並證實此法的可行性等；1982年美國能源部確定，今後美國使用雷射分離法生產鈾燃料。此法利用U238、U235形成的化合物化學鍵的鍵能不同，利用雷射單一頻率的性質可有選擇的使一種鈾化合物的化學鍵斷裂達到分離效果。雷射分離技術現有雷射原子法和激分子法：
1）原子法濃縮用的原料是提煉鈾礦後的鈾塊，再把鈾塊加熱到高溫，形成鈾原子蒸氣，鈾蒸氣里含有 U234、U235、U238原子。然後用可見光波段的雷射（如用銅蒸氣雷射泵浦的染料雷射器）照射鈾原子蒸氣，調諧雷射器的輸出波長，讓它落在鈾235的原子吸收譜線中心，使 U235原子電離，但不激發或電離U238原子等。然後，利用電場對通過收集板的 U235原子掃描、分離，如此 U235原子就從鈾同位素混合氣體裡中分出來了。這種技術較成熟，已處於生產套用階段。
2）分子法濃縮法則依靠鈾同位素吸收光譜上存在差異，它用的原料是鈾的分子化合物（如UF6），先用中紅外波段的雷射（如波長16微米的雷射）照射UF6混合氣體分子，雷射波長正好是讓U235化合物分子電離，U235分子吸收了這些光子，能態會提高；再用紫外線雷射器分解UF6混合氣體分子，便可從中分離出U235，最後讓含 U235化合物通過分解反應，就可得到U235。理論上它能生產出很純的U235等，但此法還未達到生產階段；從發展潛力看，分子法則比原子法優越。分子法濃縮用的原料是鈾的分子化合物，原料來源較豐富，且分離過程不需加熱；原子法濃縮則需加熱到2000多℃，高溫鈾蒸氣有很強的腐蝕性。相對而言，分子雷射法生產設備較簡單，成本較低。分子雷射法只能用於濃縮UF6，不適於純化、濃縮金屬鈽（製造核子彈等更好的核材料）的化合物；原子雷射法既能濃縮金屬鈾，也能濃縮金屬鈽。可見，分子雷射法比原子雷射法在防核擴散方面會有利一些。
氣體動力學法
該技術將UF6氣體與氫或氦的混合氣體經過壓縮高速通過一個噴嘴，然後穿過一個特定的曲面，這樣便可獲得從鈾的混合氣體中分離U235同位素的離心力。氣體動力學分離法為實現濃縮純度所需的級聯比氣體擴散法少，但它需大量的電能。UF6與氫的混合氣體在離心機中的渦流板上高速離心旋轉後，UF6氣體濃縮流和UF6氣體貧化流分別由兩條管道流出；處理收集的已經多次分離的UF6氣體濃縮流，最後可得到濃縮鈾。
電磁分離法
鈾同位素電磁分離濃縮技術，基於電離的原子在磁場作圓周運動時，質量不同的離子因旋轉半徑不同而被分離。它是使鈾同位素原子離子同時穿過電磁體的磁場，由於U235圓周運動半徑與U238不同而被分離。這是20世紀40年代初使用的技術，伊拉克20世紀80年代的實驗研究表明，該技術與當代電子學結合能生產武器級鈾材料。
離子交換法
鈾的幾種同位素在質量上的微小差異，能引起化學反應平衡的小的變化，這可用來作同位素分離的基礎。該方法有兩種工藝過程：液—液化學交換過程和固—液離子交換過程，後者須用直徑大於1米離子交換柱，這是一耐腐蝕、耐高壓的圓筒狀柱。1964年10月，我國爆炸的第一顆核子彈就是用此法濃縮的鈾235製造而成的。當時，以放射化學家楊承宗（1951年6月，他獲得巴黎大學理學院博士學位，其答辯通過的博士論文就是《離子交換法分離放射性元素的研究》）為首的我國科研人員，在通州“五所”（鈾濃縮研究所）利用離子交換法純化處理了上百噸各種土法冶煉生產的重鈾酸銨，他們使用的離子交換柱直徑有2.7米、高達6米。經過兩年多的奮戰，他們生產出了2.5噸符合核子彈原料要求的純鈾化合物，提前3個月為我國成功試爆核子彈提供了核心物質。
市場現狀
全球所有的核燃料循環前段市場( 即天然鈾、鈾轉化和鈾濃縮) 目前均處於供大於求的狀態，鈾濃縮市場也不例外。當市場上擁有一定數量的氣體擴散產能時，濃縮供應服務會存在一定彈性。這主要是因為氣體擴散廠的耗電量大，運營費用高，這促使濃縮服務供應商根據市場需求來調整產量。而當前市場上的供應商全部實現了從氣體擴散技術至氣體離心技術的過渡，導致這種供應彈性從市場中消失。
幾年前，全球曾出現一波鈾濃縮產能的建設熱潮。但到今天，由於市場需求停滯不前，許多鈾濃縮產能提升計畫和新廠建設計畫被擱置，並且供應商為獲得優質客戶的小額訂單展開激烈競爭。低尾料豐度運行或對濃縮尾料再濃縮，可減輕過剩產能造成的影響。這樣能夠從同樣數量的天然鈾中獲得更多的濃縮鈾產品，從而使供應商能夠向市場出售以這種方式“生產”的天然鈾，並因此獲益。但這會損害天然鈾市場和鈾轉化服務市場，對鈾價和轉化服務價格產生下行壓力，進而限制供應商能夠獲得的收益。此外，目前的過剩產能並不可能全部用於以這種方式獲益。
