《隱姓埋名三十年》濃縮鈾

《隱姓埋名三十年》濃縮鈾鈾是存在于自然界中的一種稀有化學元素，具有放射性。根據(jù)國際原子能機構(gòu)的定義，豐度為3％的鈾235為核電站發(fā)電用低濃縮鈾，鈾235豐度大于80％的鈾為高濃縮鈾，其中豐度大于90％的稱為武器級高濃縮鈾，主要用于制造核武器。獲得鈾是非常復(fù)雜的系列工藝，要經(jīng)過探礦、開礦、選礦、浸礦、煉礦、精煉等流程，而濃縮分離是其中最后的流程，需要很高的科技水平。獲得1公斤武器級鈾235需要200噸鈾礦石。由于涉及核武器問題，鈾濃縮技術(shù)是國際社會嚴禁擴散的敏感技術(shù)。目前除了幾個核大國之外，日本、德國、印度、巴基斯坦、阿根廷等國家都掌握了鈾濃縮技術(shù)。提煉濃縮鈾通常采用氣體離心法，氣體離心分離機是其中的關(guān)鍵設(shè)備，因此美國等國家通常把擁有該設(shè)備作為判斷一個國家是否進行核武器研究的標準?，F(xiàn)時的核電站使用的是鈾核燃料。鈾有三種同位素，即鈾－234、鈾－235和鈾－238。其中的鈾－234不會發(fā)生核裂變，鈾－238在通常情況下也不會發(fā)生核裂變，而鈾－235這種同位素原子能夠輕易發(fā)生核裂變，或者說，做核燃料的實際上是鈾－235。但是，從礦山里開采出來的鈾里面，鈾－235的含量卻又是很低，僅占％，絕大部分是鈾－238，它占了％。這就相當于我們的煤餅廠或煉油廠，生產(chǎn)出的煤餅里大部分是泥沙，當然也就沒法燃燒。根據(jù)研究結(jié)果，在鈾核燃料中鈾－235的含量要達到3％以上才能燃燒。因此，開采出來的鈾，并不同于開采出來的煤塊直接可以用做燃料，它需要經(jīng)過提純、濃縮的手續(xù)，把鈾－235的含量比例提高之后，方能用做燃料。提純濃縮鈾－235含量的技術(shù)比較復(fù)雜，因為元素的各種同位素，如同“孿生姐妹”，無論在物理性質(zhì)和化學性質(zhì)上都十分相似，采用通常的各種物理提純方法或者化學提純方法收效都甚微，代價卻很高。現(xiàn)時用來提純鈾－235的主要方法有氣體擴散法、離子交換法、氣體離心法、蒸餾法、電解法、電磁法、電流法等，其中以氣體擴散法最成熟，制造第一顆原子彈用的鈾核材料就是用這種方法制造出來的。所有這些提純方法，它們的工藝過程都比較復(fù)雜，辦廠投資高，運轉(zhuǎn)過程中消耗的能量也高；而且產(chǎn)量低，生產(chǎn)出的鈾核燃料成本大。因此，科學家一直在找新提純方法?，F(xiàn)在，激光科學工作者提出用激光進行提純，或許這種方法能夠大大地降低生產(chǎn)鈾燃料的成本。用激光提純、濃縮鈾－235的主要依據(jù)是激光有極好的單色性，以及各同位素原子的同位素光譜位移。各個同位素原子核含的中子數(shù)目不同，它們的能級發(fā)生所謂同位素位移，發(fā)射出來的光輻射波長出現(xiàn)差異，當然，相差的數(shù)值是十分小的。但是，激光的單色性很好，能夠做到用和某種同位素原子發(fā)射的光輻射波長相同的激光去激發(fā)其中的一種原子，而不會把其他同位素原子一起激發(fā)，亦即是說，用激光可以做到單獨把各種同位素原子中的一種激發(fā)到高能態(tài)，或者把它的原子電離。被電離的同位素原子再用電場就可以把它從同位素混合物堆中單獨“拉”出來，收集后就可以單獨獲得這種同位素。如果是把這種同位素的原子激發(fā)到高能級去的，我們便可以利用在高能級的原子和在基態(tài)的原子參加化學反應(yīng)的活動能力不同，通過化學反應(yīng)方法把它給分離出來。用激光的方法提純濃縮鈾－235，比現(xiàn)有的各種方法都優(yōu)越，生產(chǎn)設(shè)備可以大大簡化，生產(chǎn)成本也可以大大降低。根據(jù)科學家的估計，生產(chǎn)投資大約只有氣體擴散法的1/2，生產(chǎn)過程中消耗的能量只有氣體擴散法的1/10左右。所以，世界各國都很重視開發(fā)這種鈾核燃料生產(chǎn)技術(shù)。美國從1977年就開始研究用激光提純濃縮鈾燃料，從實驗上證實了這種方法在原理上的可行性。1982年，美國能源部確定，今后使用激光來生產(chǎn)鈾核燃料。用激光提純濃縮鈾－235的技術(shù)路線有兩條：一條稱為原子法，另一條稱為分子法。原子法提純時用的原料是經(jīng)過提煉鈾礦得到的鈾塊。先用爐子把這鈾塊加熱到高溫，形成鈾原子蒸氣，在這鈾蒸氣里面包含有鈾元素的同位素鈾－234、鈾－235、鈾－238的原子。然后用在可見光波段的激光（比如用銅蒸氣激光泵浦的染料激光器）照射這鈾原子蒸氣。調(diào)諧激光器的輸出波長，讓它落在鈾－235的原子吸收譜線中心，使它單獨獲得激發(fā)或者電離。其后再使用其他物理方法便可以把鈾－235原子從同位素鈾混合氣體中分離出來。這條技術(shù)路線現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，達到生產(chǎn)應(yīng)用階段。分子法使用的原料是鈾的分子化合物（比如六氟化鈾）。用在中紅外波段的激光（比如波長16微米的激光）照射這種化合物，并且選擇的激光波長正好是讓鈾－235的這種化合物的分子獲得激發(fā)（或電離），再通過前面在原子法中用的物理方法或化學方法把含鈾－235的分子化合物從混合中分離出來，再對含鈾－235的分子化合物作化學分解反應(yīng)，便可以獲得鈾－235。這條技術(shù)路線現(xiàn)在還未達到生產(chǎn)階段，不過，從發(fā)展的潛力來說，分子法比原子法優(yōu)越。一方面是因為分子法分離時使用的