[科普中国]-同位素分离工厂

概念

由于天然的化学元素或化合物，大都以同位素混合物状态存在，其中各同位素含量均有一定值的天然丰度，但他们彼此的和性质迥异，而在原子能工业或其他科学研究领域内常需将同一元素中的不同同位素进行分离以供特殊用途之需。这些同位素的物理化学性质极为相似，其分离工作一般化合物与元素的分离更为困难。同位素分离的方法有多种。若是轻同位素（元素中期表中第一、二周期的元素如氕、氚、锂-6、锂-7、硼-10、硼-11等）由于其相对质量差大，常采用化学化工方法如蒸馏、同位素交换、电解法等进行分离。而重同位素则由于相对质量差小，常采用物理方法如电磁、气体扩散、热扩散、离心法等进行分离。铀-235同铀-238的分离属于后者。

法国皮埃尔拉特同位素分离工厂法国建造的皮埃尔拉特同位素分离工厂的目的是使法国能够独立自主地生产高浓缩铀。这种工厂规模巨大，造价昂贵。工厂采用气体扩散法分离铀，年产量的几吨U235。建造这种工厂的第一项复杂工程是使六氟化铀（铀气体化合物）处于65℃的温度下，以防止产生使气体凝固的冷区。因此，整个装置必须封闭在一个温度较高的恒温容器内。

分离级是一个十分复杂的装置。它包括压缩机和多孔膜。膜的孔径约10毫微米。分离级要求高度密封，能运行几千小时而无须停机。1958年法国在沙克莱核研究实验室利用气体扩散法第一次实现了铀同位素的分离。同年，第一座实验工厂也在沙克莱投入运行。皮埃尔拉特工厂是仿照这个实验工厂建立的。从外表上来看，皮埃尔拉特工厂包括四个工厂：低层分厂、中层分厂、高层分厂和更高层分厂。1

同位素分离级联同位素分离级联的优化一直是级联理论研究中的一个重要课题。分离单元是同位素分离工厂中最小的单位。核能的快速发展对浓缩铀需求的增长以及科技发展对稳定同位素越来越大的需求要求有高性能的级联。尤其是在浓缩铀方面，同位素分离的规模巨大。主要同位素分离的方法是气体离心机法，同位素分离的设施由成千上万台离心机通过串联和并联的方式构成分离级联。级联分离性能的提高能降低分离功成本，带来巨大的经济效益。因此，建设高效的同位素分离级联或使已有级联运作在最佳工作状态具有重要的实际意义。

获得高性能的分离级联需要从理论上首先给出同位素分离工厂级联的水力学状态，即级联中供料位置、各级流量、分流比沿级数的分布。在比较简化的理论模型中，如所谓的丰度匹配级联(MARC级联)、Q级联等，都可以把级联的水力学状态与供料丰度和所要求的产品丰度(级联的外参量)通过解析表达式联系起来。因此对这类级联的优化能够很方便地进行。但在实际中，情况比简化的理论模型要复杂得多，如组分间的分离系数就不完全是常用的与组分质量差的一种指数关系。可以用简化的理论模型做一些初步的性能分析和设计，但要与实际密切结合则需使用实验获得的分离系数表达式。这样针对简化模型的优化方法就不完全适用了，需要一种能够处理实际复杂情况的优化方法。

直接数值优化是一种有效的优化方法。给定了初值后，只要有根据级联水力学参数计算丰度的方法，优化的过程可以交给优化软件去完成。优化的难度在于整实型混合、有等式的约束、多变量的非线性优化。处理整实型混合的方法是把整型和实型变量分开，利用模型级联(这里为Q级联)大致给出整型变量的值，从而确定取值范同而大大缩小搜索空间。处理等式约束是把等式约束变为不等式约束，通过质量守恒的关系在优化过程中自然趋向等式约束：对于多变量，则选用全局优化和局部优化结合的策略，尽快缩小优化空间，提高优化效率。

组分和级数的数量对优化的难度有较大影响。组分少和级数少的情况能够容易得到优化结果，反之则困难些。对于组分和级数很多的情况，还需要进一步研究更有效的优化方式。对于铀同位素分离，由于所需的目标组分丰度不高，分离级联的级数不多，完全可以用直接数值优化的方法获得最优级联的设计方案。但对于多组分的分离，级数很多情况下，数值优化可以给出接近真实最优结果的优化结果，但要确定最优还需进一步的研究。2