[科普中国]-高浓缩铀

简介

在天然矿石中铀的三种同位素共生，其中铀235的含量非常低，只有约0.7%。为满足核武器和核动力的需求，一些国家建造了铀浓缩厂，以天然铀矿作原料，运用同位素分离法（扩散法、离心法和激光法等）使天然铀的三种同位素分离，以提高铀235的丰度，提炼浓缩铀。

获得铀是非常复杂的系列工艺，要经过探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼等流程，而浓缩分离是其中最后的流程，需要很高的科技水平。获得1公斤武器级铀235需要200吨铀矿石。

由于涉及核武器问题，铀浓缩技术是国际社会严禁扩散的敏感技术。提炼浓缩铀通常采用气体离心法，气体离心分离机是其中的关键设备，因此美国等国家通常把拥有该设备作为判断一个国家是否进行核武器研究的标准。

基本情况铀是存在于自然界中的一种稀有化学元素，具有放射性1。根据国际原子能机构的定义，丰度为3%的铀235为核电站发电用低浓缩铀，铀235丰度大于80%的铀为高浓缩铀，其中丰度大于90%的称为武器级高浓缩铀，主要用于制造核武器。获得铀是非常复杂的系列工艺，要经过探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼等流程，而浓缩分离是其中最后的流程，需要很高的科技水平。获得1公斤武器级铀235需要200吨铀矿石。 由于涉及核武器问题，铀浓缩技术是国际社会严禁扩散的敏感技术。目前除了几个核大国之外，日本、德国、印度、巴基斯坦、阿根廷等国家都掌握了铀浓缩技术。提炼浓缩铀通常采用气体离心法，气体离心分离机是其中的关键设备，因此美国等国家通常把拥有该设备作为判断一个国家是否进行核武器研究的标准。

提炼技术提纯浓缩铀－235含量的技术比较复杂，因为元素的各种同位素，如同“孪生姐妹”，无论在物理性质和化学性质上都十分相似，采用通常的各种物理提纯方法或者化学提纯方法收效都甚微，代价却很高。现时用来提纯铀－235的主要方法有气体扩散法、离子交换法、气体离心法、蒸馏法、电解法、电磁法、电流法等，其中以气体扩散法最成熟，制造第一颗原子弹用的铀核材料就是用这种方法制造出来的。所有这些提纯方法，它们的工艺过程都比较复杂，办厂投资高，运转过程中消耗的能量也高；而且产量低，生产出的铀核燃料成本大。因此，科学家一直在找新提纯方法。现在，激光科学工作者提出用激光进行提纯，或许这种方法能够大大地降低生产铀燃料的成本。

用激光提纯2、浓缩铀－235的主要依据是激光有极好的单色性，以及各同位素原子的同位素光谱位移。各个同位素原子核含的中子数目不同，它们的能级发生所谓同位素位移，发射出来的光辐射波长出现差异，当然，相差的数值是十分小的。但是，激光的单色性很好，能够做到用和某种同位素原子发射的光辐射波长相同的激光去激发其中的一种原子，而不会把其他同位素原子一起激发，亦即是说，用激光可以做到单独把各种同位素原子中的一种激发到高能态，或者把它的原子电离。被电离的同位素原子再用电场就可以把它从同位素混合物堆中单独“拉”出来，收集后就可以单独获得这种同位素。如果是把这种同位素的原子激发到高能级去的，我们便可以利用在高能级的原子和在基态的原子参加化学反应的活动能力不同，通过化学反应方法把它给分离出来。

用激光的方法提纯浓缩铀－235，比现有的各种方法都优越，生产设备可以大大简化，生产成本也可以大大降低。根据科学家的估计，生产投资大约只有气体扩散法的1/2，生产过程中消耗的能量只有气体扩散法的1/10左右。所以，世界各国都很重视开发这种铀核燃料生产技术。美国从1977年就开始研究用激光提纯浓缩铀燃料，从实验上证实了这种方法在原理上的可行性。1982年，美国能源部确定，今后使用激光来生产铀核燃料。

技术路线用激光提纯浓缩铀－235的技术路线有两条2：一条称为原子法，另一条称为分子法。原子法提纯时用的原料是经过提炼铀矿得到的铀块。先用炉子把这铀块加热到高温，形成铀原子蒸气，在这铀蒸气里面包含有铀元素的同位素铀－234、铀－235、铀－238的原子。然后用在可见光波段的激光（比如用铜蒸气激光泵浦的染料激光器）照射这铀原子蒸气。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，使它单独获得激发或者电离。其后再使用其他物理方法便可以把铀－235原子从同位素铀混合气体中分离出来。这条技术路线现在已经比较成熟，达到生产应用阶段。分子法使用的原料是铀的分子化合物（比如六氟化铀）。

用在中红外波段的激光（比如波长16微米的激光）照射这种化合物，并且选择的激光波长正好是让铀－235的这种化合物的分子获得激发（或电离），再通过前面在原子法中用的物理方法或化学方法把含铀－235的分子化合物从混合中分离出来，再对含铀－235的分子化合物作化学分解反应，便可以获得铀－235。这条技术路线现在还未达到生产阶段，不过，从发展的潜力来说，分子法比原子法优越。一方面是因为分子法分离时使用的原料是铀的分子化合物，原料来源比较丰富；其次是在分离的工作过程中不需要加热，而原子法则需要加热到2000多度，使铀原料形成蒸气。高温铀蒸气有很强的腐蚀性。因此分子法的生产设备会比较简单，生产成本也相应较低。

相关信息伊朗伊朗总统内贾德2010年2月7日命令伊朗原子能组织着手生产纯度更高的浓缩铀的相关工作。他说，西方国

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家应该为双方未能达成核燃料交换协议负责，但伊朗仍愿意就这一议题与西方国家合作。这番表态公开后，美国呼吁国际社会对伊朗实施制裁。内贾德当天在伊朗激光技术成就展览会上发表讲话说，尽管伊朗有能力自行生产纯度为20%的浓缩铀，但依然与美国等西方国家就交换浓缩铀展开磋商。“我说过，给西方国家两三个月时间考虑，假如他们不同意，我们就自行生产。”内贾德说。他随后命令坐在一旁的伊朗原子能组织主席萨利希着手生产浓度为 20%浓缩铀的工作。

国际原子能机构去年提出一份草案，提议伊朗把国内大部分低浓度浓缩铀一次性运往俄罗斯提纯，再由法国加工成伊朗研究用核反应堆所需核燃料棒。伊朗一直反对这一提议，而在此前数日，内贾德宣布同意将低纯度浓缩铀运往国外加工。但是内贾德所展示的灵活性并没有得到西方国家认同。在6日的慕尼黑安全政策会议上，美国和欧盟官员继续就核燃料交换问题向伊朗施压。美国总统国家安全事务助理詹姆斯·琼斯说，伊朗谜一般的挑衅态度令西方不得不考虑进一步施加压力。美国国防部长盖茨7日晚些时候说，现在对伊朗实施制裁仍然不晚。分析人士认为，在目前局势敏感之际，伊朗采用了软硬兼施的两手策略与西方国家周旋，在伊核问题上，猫捉老鼠的游戏还将继续演下去。3

日本返美大量高浓缩铀2008年12月27日报道，美国政府自1996年起至今年夏季，累计从日本运回近600公斤高浓缩铀，以防止这些足以制造20枚核导弹的核原料遭恐怖分子利用。日本原子能研究开发机构官员说，日本在冷战时期从美国进口高浓缩铀，眼下已返还其中大部分，今后数年还将继续返还。

密进密出根据共同社这一独家报道，日本从美国进口高浓缩铀、用过后返还一事先前仅为部分人所知。美日双方27日首次公开返还的高浓缩铀数量及其他相关细节。美国能源部国家核安全管理局一名高官和数名日本专家告诉共同社，美国政府12年来把5座日本核研究反应堆的高浓缩铀运回美国,截至今年夏季总计运返579.7公斤。这5座核反应堆中，4座位于日本首都东京以北的茨城县，由日本原子能研究开发机构使用；1座位于大阪市郊区，由日本京都大学反应堆研究所使用。国家核安全管理局助理局长帮办安德鲁·比尼亚夫斯基说，这项返铀行动由国家核安全管理局发起。出于安全考虑，行动细节十余年来保密。冷战时期，美国向日本出口高浓缩铀及相关技术。日本外务省22日解密的文件显示，时任日本首相佐藤荣作1965年要求美国提供“核保护伞”，得到时任美国总统林登·约翰逊明确承诺。

预防核恐作为日本主要核研究机构，日本原子能研究开发机构自上世纪60年代至90年代中期，使用丰度90%至93%的铀235当核反应堆燃料。京都大学反应堆研究所自1964年至2006年2月，使用丰度为93%的铀235当核反应堆燃料。比尼亚夫斯基负责美国政府核不扩散项目“全球减少威胁计划”。他说，美国政府在冷战结束后担心核原料遭恐怖分子利用，着手收回出口到其他国家的研究用高浓缩铀。返铀行动自1996年起正式实施，美国从日本收回使用过的高浓缩铀，送到爱达荷州国家实验室等美国核研究机构设施内保存。乔治·W·布什任总统后，美国政府视核恐怖袭击为后冷战时代面临的最严重威胁之一。一些专家认为，鉴于用于和平目的的核原料也可能用于发展核武器，后冷战时代堪称“第二纪核能时代”。返铀行动由此提速。比尼亚夫斯基说，日本原子能研究开发机构迄今已返还美国523公斤使用过的高浓缩铀，完成95%的返还量。4