锕铀

更新时间:2024-07-02 15:26

历史名称,是核素235铀。天然放射性核素,锕铀天然放射系始核,丰度为0.714%,α衰变体,半衰期为7.1×108年,衰变过程可表示成:除发生α衰变外,还能自发裂变,半衰期为(1.8±1.0)×1017年。

主要介绍

235U是主要的核燃料之一,为易变核燃料核素。但丰度太低,为了获实用的核燃料必须进行235U的集含235U90%以上的高浓主要用作核武器装料;含235U90%以下的各种浓缩铀天然铀可用作各类反应堆燃料;含235U0.2%~0.3%的贫化铀可以用作核武器的反射层材料、铀合金元素及γ射线防护层等等。它吸收慢中子后即发生裂变裂变截面为582.2b,并伴随大量的能量放出。完全裂变的“热能当量”约2.202×107KW·h/Kg235U。235U也能为快中子所裂变,但裂变截面远小于慢中子裂变的数值。

铀-235是原子弹的主要装药。要获得高加浓度的铀-235并不是一件轻而易举的事,这是因为,天然铀-235的含量很小,大约140个铀原子中只含有1个铀-235原子,而其余139个都是铀-238原子;尤其是铀-235和铀-238是同一种元素的同位素,它们的化学性质几乎没有差别,而且它们之间的相对质量差也很小。因此,用普通的化学方法无法将它们分离;采用分离氢元素同位素的方法也无济于事。

提纯方法

U-235含量的技术比较复杂, 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。 气体扩散法——这是商业开发的第一个浓缩方法。该工艺依靠不同质量的铀同位素在转化为气态时运动速率的差异。在每一个气体扩散级,当高压六氟化铀气体透过在级联中顺序安装的多孔镍膜时,其铀-235轻分子气体比铀-238分子的气体更快地通过多孔膜壁。这种泵送过程耗电量很大。已通过膜管的气体随后被泵送到下一级,而留在膜管中的气体则返回到较低级进行再循环。在每一级中,铀-235/铀-238浓度比仅略有增加。浓缩到反应堆级的铀-235丰度需要1000级以上。

气体离心法——在这类工艺中,六氟化铀气体被压缩通过一系列高速旋转的圆筒,或离心机。铀-238同位素重分子气体比铀-235轻分子气体更容易在圆筒的近壁处得到富集。在近轴处富集的气体被导出,并输送到另一台离心机进一步分离。随着气体穿过一系列离心机,其铀-235同位素分子被逐渐富集。与气体扩散法相比,气体离心法所需的电能要小很多,因此该法已被大多数新浓缩厂所采用。

气体动力学分离法——所谓贝克尔技术是将六氟化铀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

穿过一个曲面,这样便形成了可以从铀-238中分离铀-235同位素的离心力。气体动力学分离法为实现浓缩比度所需的级联虽然比气体扩散法要少,但该法仍需要大量电能,因此一般被认为在经济上不具竞争力。在一个与贝克尔法明显不同的气体动力学工艺中,六氟化铀与氢的混合气体在一个固定壁离心机中的涡流板上进行离心旋转。浓缩流和贫化流分别从布置上有些类似于转筒式离心机的管式离心机的两端流出。南非一个能力为25万分离功单位的铀-235最高丰度为5%的工业规模的气体动力学分离厂已运行了近10年,但也由于耗电过大,而在1995年关闭。

激光浓缩法——激光浓缩技术包括3级工艺:激发、电离和分离。有2种技术能够实现这种浓缩,即“原子激光法”和“分子激光法”。原子激光法是将金属铀蒸发,然后以一定的波长应用激光束将铀-235原子激发到一个特定的激发态或电离态,但不能激发或电离铀-238原子。然后,电场对通向收集板的铀-235原子进行扫描。分子激光法也是依靠铀同位素在吸收光谱上存在的差异,并首先用红外线激光照射六氟化铀气体分子。铀-235原子吸收这种光谱,从而导致原子能态的提高。然后再利用紫外线激光器分解这些分子,并分离出铀-235。该法似乎有可能生产出非常纯的铀-235和铀-238,但总体生产率和复合率仍有待证明。在此应当指出的是,分子激光法只能用于浓缩六氟化铀,但不适于“净化”

高燃耗金属钚,而既能浓缩金属铀也能浓缩金属钚的原子激光法原则上也能“净化”高燃耗金属钚。因此,分子激光法比原子激光法在防扩散方面会更有利一些。

同位素电磁分离法——同位素电磁分离浓缩工艺是基于带电原子在磁场作圆周运动时其质量不同的离子由于旋转半径不同而被分离的方法。通过形成低能离子的强电流束并使这些低能离子在穿过巨大的电磁体时所产生的磁场来实现同位素电磁分离。轻同位素由于其圆周运动的半径与重同位素不同而被分离出来。这是在20世纪40年代初期使用的一项老技术。正如伊拉克在20世纪80年代曾尝试的那样,该技术与当代电子学结合能够用于生产武器级材料。 化学分离法——这种浓缩形式开拓了这样的工艺,即这些同位素离子由于其质量不同,它们将以不同的速率穿过化学“膜”。有2种方法可以实现这种分离:一是由法国开发的溶剂萃取法,二是日本采用的离子交换法。法国的工艺是将萃取塔中2种不互溶的液体混和,由此产生类似于摇晃1瓶油水混合液的结果。日本的离子交换工艺则需要使用一种水溶液和一种精细粉状树脂来实现树脂对溶液的缓慢过滤。 等离子体分离法——在该法中,利用离子回旋共振原理有选择性地激发铀-235和铀-238离子中等离子体铀-235同位素的能量。当等离子体通过一个由密式分隔的平行板组成的收集器时,具有大轨道的铀-235离子会更多地沉积在平行板

上,而其余的铀-235等离子体贫化离子则积聚在收集器的端板上。已知拥有实际的等离子体实验计划的国家只有美国和法国。美国已于1982年放弃了这项开发计划。法国虽然在1990年前后停止了有关项目,但它目前仍将该项目用于稳定同位素分离

目前国际上通用的铀浓缩方法有离心法、气体扩散法和激光法,而气体离心分离机则是提炼浓缩铀通常采用的气体离心法的关键设备。它是一个庞大的系统,通过每秒2万转以上的高速离心机,其他同位素可从天然铀矿石中分离出去,剩余的铀235的浓度可达到95%以上。为了获得高加浓度的铀235,早期,科学家们曾用多种方法来攻此难关。最后“气体扩散法”终于获得了成功。气体扩散法所依据的,就是铀235原子和铀238原子之间这一微小的质量差异这种方法首先要求将铀转变为气体化合物。到目前为止,六氮化铀是唯一合适的一种气体化合物。气体扩散法投资很高,耗电量很大,虽然如此,这种方法目前仍是实现工业应用的唯一方法。为了寻找更好的铀同位素分离方法,许多国家做了大量的研究工作,已取得了一定的成绩。例如目前离心法已向工业生产过渡,喷嘴法等已处于中间工厂试验阶段,而新兴的冠醚化学分离法和激光分离法等则更有吸引力。

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