[科普中国]-铀浓缩物

简介

铀是自然界稀有和较重的元素，化学符号是 U，其名字源于天王星。铀是原子弹和核反应堆等的核心材料，若干国家已能制造原子弹，军、民用核反应堆已遍及全球，核能发电越发成为能源或电力的主力。铀的主要用途有：核裂变材料、放射性同位素、染色剂与合金材料等。它的处理方式有：铀浓缩（铀纯化）、铀转化和铀的后处理[用物理、化学方法处理用过的核燃料，以提取核燃料钚（Pu）等]。3

铀是重要的核燃料和原子弹核心材料，现在使用的铀材料都需提炼、浓缩，使之达到一定的纯度。比如，制造一颗原子弹至少需 20—50 千克的高浓缩铀（也可用钚造原子弹），其浓缩纯度应达到 90%以上。

获得铀材料需经过一系列复杂的工艺，要经过探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼等流程，分离、浓缩是主要和较难的流程，科技含量高。铀矿石经碾磨、分选后得到的较纯净铀矿产品，即铀精矿，又叫“黄饼”，主成分是八氧化三铀和重铀酸钠、重铀酸铵，它是核燃料生产过程中的一种中间产品。通常，获得 1 千克武器级U235需要 200 多吨较高品位的铀矿石。3

限制要求重铀酸铵（Ammonium Diuranate，缩写为ADU），分子式为(NH4)2U2O7，它的分子量624，铀含量76.28 %，是铀矿加工工艺中最重要的产品。 由于铀的化学浓缩物杂质较高，不符合核纯要求，一般需要采用TBP萃取方法进行精制。因此，在铀的化学浓缩物中，对五类杂质需要加以限制：

（1）在不同程度上会影响TBP萃取过程，降低生产能力的杂质。例如：有机物、碳酸盐、氟化物、磷酸盐、二氧化硅、硫酸盐、锆等；

（2）会增加硝酸消耗量的杂质。例如：钙、镁、铁等；

（3）TBP萃取过程中难以去除的杂质。例如：有机物、氟化物、氯化物、钼等；

（4）容易腐蚀设备的杂质。例如：氟化物、氯化物等；

（5）会产生废物的杂质。例如：砷、钠、不溶于硝酸的铀等。1

浓缩方法提纯、浓缩铀 235 的技术较复杂，某元素的各种同位素，如同“孪生姐妹”，物理性质与化学性质十分相似。利用同位素在物理、化学性质上的微小差异，通过扩散、蒸发或化学交换等方法与过程，可使某元素同位素的比例发生变化。用同位素分离法处理天然铀，可增加铀 U235 的浓度，使天然铀里 U235 的相对含量高于0.7%，进而获得供多种需要的不同浓度的铀材料。

工业规模分离铀同位素的技术（适用于提高 U235 浓度）有气体扩散法、气体离心法、离子交换法以及蒸馏法、电解法、电流法、液体热扩散法、电磁分离法和激光分离法等。这些浓缩方法，工艺过程都复杂，投资大、耗能高、且产量低，即生产铀燃料成本较大。3

气体扩散法这是最早、最成熟的浓缩方法，也是商业开发的第一种浓缩方法，它据分子渗透、扩散原理，利用不同质量的铀同位素转化为气态时运动速率有点差异进行分离。UF6是一种剧毒、腐蚀性强和有放射性的白色晶体，加热后升华为气体。由于U238、U235的质量数不同，所以UF6气体中二者的分子质量也不同，UF6里U235的质量数是349、U238的质量数是352。当高压UF6混合气体（铀同位素的混合气体）透过级联安装的多孔薄膜时，UF6中U235轻分子气体会比UF6中U238重分子的气体更快地通过多孔膜。通过膜管的气体立即被泵送到下一级，留在膜管中的气体则返回到较低级再循环。在每一个气体扩散级中U235与U238浓度比仅略有增加，如此分离、浓缩到工业级铀235浓度则需1000级以上。

该技术的核心是多孔扩散分离膜（苏联曾叫它是“社会主义阵营安全的心脏”），我国于1964年研制出优质的分离膜元件（时称甲种分离膜，该技术获1984年国家发明一等奖）。分离膜是每平方分米有数百万个超微细孔的多孔薄金属板或薄膜，将这些薄膜（板）卷成管子并装在密封的扩散器里，当UF6气体加压送到由这些管子组成的级联装置中，混合气体便会逐渐被分离，含U235多的浓缩UF6气体沿着级联装置向前流动，含U238多的稀薄UF6气体则因流动滞后而落下、分流了。该方法扩散、浓缩过程需要几千个连续的级联装置，连续扩散可将UF6 混合气体里含U238的分子与含U235的分子分离，再用化学方法处理已浓缩的UF6U235气体分子，进而获得 U235。这种方法铀浓缩的效率不高、能耗大。3

气体离心法1919年，德国科学家G·瑞皮完成了气体离心机的基本设计。铀浓缩离心机概念和应用则是20世纪30—40年代由美囯弗吉尼亚大学的高速离心机专家 J·W·伯莫斯提出的。1934年，伯莫斯成功地分离了两种氯同位素；1941年，他和同事利用离心机首次成功地分离了铀同位素。分离共设计了3种离心机，其工作曾引起美国当时正实施的“曼哈顿计划”（研制原子弹的计划）领导人的注意，但美国最终选择了气体扩散法。气体离心法也适用于处理铀的混合液体或铀蒸汽，它使用独特设计的离心机使气体或液体能不间断地在各个离心机中流动，可连续运转加工铀气流或铀液体流。时下，浓缩铀常用这种机械式分离法，真空高速离心机是关键设备，国际上常把有无该设备作为判断一个国家是否进行核武器研究的标志。与气体扩散法相比，气体离心法工效较高、所需电能要少很多，所以该法已被大多的浓缩铀工厂采用。

U235、U238原子量不同，密度有微量差别。利用高速旋转产生的惯性离心力，可将较重的 U238“甩”到一端，这道理与洗衣机的甩干桶差不多。将高压UF6气体注入高速转动的封闭式离心机里，由于质量存在差异，长时间旋转依靠惯性离心力，较轻的UF6中U235分子大多集中在容器转轴处，较重的UF6U238分子则大多结集在边缘。若沿轴向从外部导入气流，并使转轴处的这股气体向上流动，边缘处外部导入的气体向下流动。如此，离心机下方收集的是较重的UF6U238气体，上方则是需要的、较轻的UF6U235气体。在近轴处富集的UF6U235气体被导出，再输送到下一台离心机继续分离，逐渐累积、纯化、浓缩。随着较轻的 UF6U235气体穿过一系列高速离心机，其U235同位素分子富集度会越来越大。最后，利用化学法处理已收集的、较轻的UF6U235气体，就可获得工业或军用级浓缩铀。通常，气体离心机厂需要几千台高速真空离心机连续、长期地工作才能得到武器级浓缩铀等（2010年下半年，因外界攻击，伊朗纳坦兹铀浓缩工厂至少有1/5的离心机因感染“震网”病毒被迫关闭；2011年2月末，国际原子能机构的报告说，该厂现有低纯度浓缩铀约3600公斤）。3

激光分离法气体离心法浓缩成本较高、效率也不理想，先进的浓缩法是激光分离法。利用激光浓缩铀，能降低生产成本。其原理基于激光有极好的单色性和原子核的同位素光谱位移等。各同位素原子核的中子数不同，它们的能级会发生同位素位移，发出的辐波长会有小差异。激光的单色性好，这样能做到用和某同位素原子核的辐射波长相同的激光去激发其中的某种原子，而不会把其他同位素原子一起激发，即用激光可单独地把同位素原子团中的某同位素原子先电离；再用电场将电离的原子从同位素混合物中单独“拉”出来，将这些原子激发到高能级；最后利用高能级的原子和基态的原子参加化学反应的活力不同，通过化学反应法便可把它分离，聚集后就获得了所需的同位素原子。激光分离法浓缩铀 235，比其他方法优越，设备可大大简化，成本可大大降低。据估计，该法生产投资约是气体扩散法的1/2，生产过程耗能只有气体扩散法的1/10左右。所以，多个国家已重视开发这种铀燃料生产技术。1977年美国开始研究用激光提纯浓缩铀，并证实此法的可行性等；1982年美国能源部确定，今后美国使用激光分离法生产铀燃料。此法利用U238、U235形成的化合物化学键的键能不同，利用激光单一频率的性质可有选择的使一种铀化合物的化学键断裂达到分离效果。激光分离技术现有激光原子法和激分子法：

1）原子法浓缩用的原料是提炼铀矿后的铀块，再把铀块加热到高温，形成铀原子蒸气，铀蒸气里含有 U234、U235、U238原子。然后用可见光波段的激光（如用铜蒸气激光泵浦的染料激光器）照射铀原子蒸气，调谐激光器的输出波长，让它落在铀235的原子吸收谱线中心，使 U235原子电离，但不激发或电离U238原子等。然后，利用电场对通过收集板的 U235原子扫描、分离，如此 U235原子就从铀同位素混合气体里中分出来了。这种技术较成熟，已处于生产应用阶段。

2）分子法浓缩法则依靠铀同位素吸收光谱上存在差异，它用的原料是铀的分子化合物（如UF6），先用中红外波段的激光（如波长16微米的激光）照射UF6混合气体分子，激光波长正好是让U235化合物分子电离，U235分子吸收了这些光子，能态会提高；再用紫外线激光器分解UF6混合气体分子，便可从中分离出U235，最后让含 U235化合物通过分解反应，就可得到U235。理论上它能生产出很纯的U235等，但此法还未达到生产阶段；从发展潜力看，分子法则比原子法优越。分子法浓缩用的原料是铀的分子化合物，原料来源较丰富，且分离过程不需加热；原子法浓缩则需加热到2000多℃，高温铀蒸气有很强的腐蚀性。相对而言，分子激光法生产设备较简单，成本较低。分子激光法只能用于浓缩UF6，不适于纯化、浓缩金属钚（制造原子弹等更好的核材料）的化合物；原子激光法既能浓缩金属铀，也能浓缩金属钚。可见，分子激光法比原子激光法在防核扩散方面会有利一些。3

气体动力学法该技术将UF6气体与氢或氦的混合气体经过压缩高速通过一个喷嘴，然后穿过一个特定的曲面，这样便可获得从铀的混合气体中分离U235同位素的离心力。气体动力学分离法为实现浓缩纯度所需的级联比气体扩散法少，但它需大量的电能。UF6与氢的混合气体在离心机中的涡流板上高速离心旋转后，UF6气体浓缩流和UF6气体贫化流分别由两条管道流出；处理收集的已经多次分离的UF6气体浓缩流，最后可得到浓缩铀。3

电磁分离法铀同位素电磁分离浓缩技术，基于电离的原子在磁场作圆周运动时，质量不同的离子因旋转半径不同而被分离。它是使铀同位素原子离子同时穿过电磁体的磁场，由于U235圆周运动半径与U238不同而被分离。这是20世纪40年代初使用的技术，伊拉克20世纪80年代的实验研究表明，该技术与当代电子学结合能生产武器级铀材料。3

离子交换法铀的几种同位素在质量上的微小差异，能引起化学反应平衡的小的变化，这可用来作同位素分离的基础。该方法有两种工艺过程：液—液化学交换过程和固—液离子交换过程，后者须用直径大于1米离子交换柱，这是一耐腐蚀、耐高压的圆筒状柱。1964年10月，我国爆炸的第一颗原子弹就是用此法浓缩的铀235制造而成的。当时，以放射化学家杨承宗（1951年6月，他获得巴黎大学理学院博士学位，其答辩通过的博士论文就是《离子交换法分离放射性元素的研究》）为首的我国科研人员，在通州“五所”（铀浓缩研究所）利用离子交换法纯化处理了上百吨各种土法冶炼生产的重铀酸铵，他们使用的离子交换柱直径有2.7米、高达6米。经过两年多的奋战，他们生产出了2.5吨符合原子弹原料要求的纯铀化合物，提前3个月为我国成功试爆原子弹提供了核心物质。3

市场现状全球所有的核燃料循环前段市场( 即天然铀、铀转化和铀浓缩) 目前均处于供大于求的状态，铀浓缩市场也不例外。当市场上拥有一定数量的气体扩散产能时，浓缩供应服务会存在一定弹性。这主要是因为气体扩散厂的耗电量大，运营费用高，这促使浓缩服务供应商根据市场需求来调整产量。而当前市场上的供应商全部实现了从气体扩散技术至气体离心技术的过渡，导致这种供应弹性从市场中消失。4

几年前，全球曾出现一波铀浓缩产能的建设热潮。但到今天，由于市场需求停滞不前，许多铀浓缩产能提升计划和新厂建设计划被搁置，并且供应商为获得优质客户的小额订单展开激烈竞争。低尾料丰度运行或对浓缩尾料再浓缩，可减轻过剩产能造成的影响。这样能够从同样数量的天然铀中获得更多的浓缩铀产品，从而使供应商能够向市场出售以这种方式“生产”的天然铀，并因此获益。但这会损害天然铀市场和铀转化服务市场，对铀价和转化服务价格产生下行压力，进而限制供应商能够获得的收益。此外，目前的过剩产能并不可能全部用于以这种方式获益。4