铀同位素分离
铀同位素分离
铀同位素分离的研究起始于第二次世界大战期间。1938年O.哈恩等人发现铀核裂变释放出大量能量，从此美国和德国为获得武器级浓缩铀都开展了分离铀同位素的研究工作。1942年美国建造了电磁分离、气体扩散和热扩散三个铀同位素分离工厂，并联合生产了战争期间所用的U235。现在分离铀同位素的方法主要有气体扩散法、气体离心法、喷嘴法、激光法、化学交换法、等离子体法等。具有工业价值的是气体扩散法和气体离心法，激光法的工业应用已经取得重大进展。本文将对以上提及的几种铀同位素分离方法的原理及优缺点进行简要介绍。
1. 电磁分离法
电磁同位素分离(EMIS)技术是20世纪40年代初在美国曼哈顿计划中开发出来的，目的是制造武器级高浓铀，但是不久以后被放弃。然而，它后来又重新出现，成为1992年发现的伊拉克秘密武器铀浓缩计划的主攻方向。该法是基于带电原子在磁场作圆周运动时，铀同位素质量不同的离子旋转半径不同而被分离的方法，与质谱仪原理相同。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铀同位素分离，由于轻同位素与重同位素圆周运动半径不同而被分离。但是该技术的能耗巨大，约为气体扩散技术的十倍。
2. 气体动力学分离法（喷嘴法）
喷嘴法的原理是六氟化铀与氢（或氦）的气体
混合物通过喷嘴吹向凹形壁，即让流动着的六氟化
铀混合气体受到高速直线或离心的加速度，使较重
的U238同位素比较轻的U235更靠近壁面，这样利用
曲面末端的“刮板”可将气体分成浓缩铀和贫化铀
的两股流，如右图所示
喷嘴法的单级分离系数介于气体扩散法和离心
法之间，比能耗和比投资与气体扩散法相当或略大。
1956年联邦德国用喷嘴法分离了六氟化铀，80年代
与巴西联合投资准备筹建示范工厂。南非研制的涡流管法也是一种气体动力学方法。由于气体动力学法的比能耗和比投资都很高，已经成功应用扩散法的国家一般都不再研制气体动力学方法。南非气体动力学分离厂也是由于耗电过大，在1995年关闭。
3. 等离子体分离法
该法是利用离子回旋共振原理，有选择性地激发铀同位素离子中等离子体U235的能量，当等离子体通过密式分隔的平行板收集器时，因U235离子具有大轨道而更多地沉积在平行板上，其余的等离子体贫化离子则积聚在收集器的端板上。实际拥有等离子体实验计划的只有美国和法国，1982年美国已放弃了这项开发计划，在1990年前后，法国虽停了有关项目，但仍将该项目用于稳定同位素分离。
4. 同位素化学分离法
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。有两种方法能实现这种分离：一是法国开发的溶剂萃取法，二是日本使用的离子交换法。法国工艺是将萃取塔中两种不互溶的液体混和，由此产生类似摇晃一瓶油水混合液；日本离子交换工艺，是使用一种精细粉状树脂对一种水溶液进行缓慢过滤。
该法相对于其他几种方法具有能耗低、设备简单、工艺过程环保的优点，另外该法还可有效利用天然铀资源，相关资料显示，离子交换法的尾料中U235含量仅为0.1%左右。化学法分离铀同位素的分离系数小,它可以生产反应堆用的低浓铀。但是化学法达到生产平衡的时间长,生产高浓铀的周期比较长;同时,设备内铀的滞留量较大,高浓铀容易达到临界。因此,化学法不宜用于军事目的,有利于防止核扩散,技术可以出口。法国在化学交换法的研究中取得很好的进展，正在筹建一个分离功率约为100吨/年的示范工厂。
5. 气体扩散法
这是最早、最成熟的铀同位素方法，也是商业开发的第一种浓缩方法。该法利用铀同位素质量不同，在转化为气态时有运动速率差。在每一气体扩散级，当高压六氟化铀气体穿过联级多孔镍膜时，其U235轻分子气体更快地穿过多孔膜壁。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较低级再循环。在每一膜滤级中U235浓度仅略有增加，浓缩到反应堆级的U235丰度需千级膜滤以上。
目前"气体扩散法约占世界总浓缩能力的25%，虽然它是一项经久耐用耐的可靠技术，但因这种泵送过程耗电量很大，且大多数气体扩散厂己接近设计寿命，所以总体倾向能耗低的离心分离技术。美国铀浓缩公司（USEC）于2013年5月底关停了帕杜卡（Paducah）气体扩散铀浓缩厂，该厂建于20世纪50年代，是目前全球唯一一座仍在运行的气体扩散铀浓缩厂。
6. 气体离心法
气体离心法是在20世纪40年代由德国工程师
（Gernot Erppe）发明的那种逆流型气体离心机的原
理发展成功的。其理论基础是通过重力或离心力场
分离U235与U238同位素。在巨大的离心力场作用下，
输入离心机的六氟化铀气体中的轻分子235UF6在离
心机转子中央部分加浓, 而重分子238UF6更多地趋
于筒壁，造成铀同位素在径向的部分分离。
离心法的优点是单级浓缩系数大，是气体扩散
法的100倍以上,浓缩到同样程度所需要的级数大大
减少。另一优点是比能耗小，只有气体扩散法的十分之一左右。因此大多数新浓缩厂采用该法占世界总浓缩能力的大约65%。离心法的缺点是单机分离功率低，要形成一定的生产能力，需要的离心机数量很大，工业规模的离心工厂需要几万台甚至几十万台离心机。维持大量离心机长期正常运转的技术难度大。此外，由于材料限制，高速转子难以获得，技术要求高。
7.激光分离铀同位素
与扩散技术和离心技术利用同位素的质量差别进行分离不同，激光技术是利用同位素质量差别所引起的激发能差别，根据不同同位素原子(或由其组成的分子)在吸收光谱上的微小差别(称为同位素位移)，用线宽极窄即单色性极好的激光，选择性地将某一原子(或分子)激发到特定的激发态，再用物理或化学方法使之与未激发的原子(或分子)相分离。
激光同位素分离的基本方法
激光浓缩法曾是人们关注的焦点，因为它可能大幅降低能耗、建设费用和尾料丰度。该法可能产出很纯的铀U235，但总体生产率和复合率还有待证明。需要指出的是，分子激光法只适用浓缩六氟化铀，不适于“净化”高燃耗钚金属，而既能浓缩铀金属也能浓缩钚金属的原子激光法也能“净化”钚金属，因此"分子激光法比原子激光法在防扩散方面更有利。美国用原子蒸气激光分离同位素已获得成功，据了解全球激光浓缩公司（GLE）正计划在北卡罗来纳州威尔明顿建设一座商业激光铀浓缩设施，该项目已经获得美国政府的批准。
参考资料：
[1] 王成孝. 核能与核技术应用. 北京：原子能出版社. 2002.229~234
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754~757
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[5] 全球铀浓缩市场概况. 核燃料循环. 2010年第10期21~24
[6] 美国关闭帕杜卡气体扩散铀浓缩厂. 核燃料循环.2013年6月第22页
[7] 王焕灯. 激光同位素分离近况. 激光与光电子学进展. 1982年05期
[8] 杨伯和. 化学法分离铀同位素. 铀矿冶. 2000年2月第19卷第1期
核工业组成及其工作流程
55、核工业体系的组成及其流程 核工业是一个十分广大的系统工程，其组成体系包括：铀矿勘探、铀矿开采与铀的提取、燃料元件制造、铀同位素分离、反应堆发电、乏燃料后处理、同位素应用以及与核工业相关的建筑安装、仪器仪表、设备制造与加工、安全防护及环境保护。56、核燃料循环及其组成 核燃料循环是核工业体系中的重要组成部分。所谓核燃料循环是指核燃料的获得、使用、处理、回收利用的全过程。 燃料循环通常分成两大部分，即前端和后端，它包括铀矿开采、矿石加工（选矿、浸出、沉淀等多种工序）、铀的提取、精制、转换、浓缩、元件制造等；后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的后处理以及对放射性废物处理、贮存和处置。 57、铀矿地质勘探 铀是核工业最基本的原料。铀矿地质勘探的任务，是查明和研究铀矿床形成的地质条件，阐明铀矿床在时间上和空间上分布的规律，运用铀矿床形成和分布的规律指导普查勘探，探明地下的铀矿资源。 地壳中的铀，以铀矿物、类质图象（形成含铀矿物）和吸附状态的形式存在。由于铀的化学性质活泼，所以不存在天然的纯元素。铀矿物主要是形成化合物。目前已发现的铀矿物和含铀矿物有170种以上，其中只有25-30种铀矿物具有实际的开采价值。
铀矿床是铀矿物的堆积体。铀矿床是分散在地壳中的铀元素在各种地质作用下不断集中而成的，也是地壳不断演变的结果。查明铀矿床的形成过程，对有效地指导普查勘探具有十分重要的意义。 并不是所有的铀矿床都有开采、进行工业利用的价值。影响铀矿床工业评价的因素很多，有矿石品位、矿床储量、矿石技术加工性能、矿床开采条件，有用元素综合利用的可能性和交通运输条件等。其中矿石品位和矿床储量是评价铀矿床的两个主要指标。 铀矿普查勘探工作的程序，包括区域地质调查、普查和详查、揭露评价、勘探等相互衔接的阶段。同时还伴随-系列的基础地质工作，如地形测量、地质填图、原始资料编录、岩石矿物鉴定、样品的化学和物理分析、矿石工艺试验等。 58铀矿开采 铀矿开采是生产铀的第一步。它的任务是把工业品位的铀矿厂从地下矿床中开采出来，或将铀经化学溶浸，生产出液体铀化合物。铀矿的开采与其它金属矿的开采基本相同，但是由于铀矿有放射性，能放出放射性气体（氡气），品位较低，矿体分散（单个矿体的体积小）和形态复杂，所以铀矿开采又有一些特殊的地方。
同位素、放射性和放射性同位素
同位素、放射性和放射性同位素 同位素和放射性同位素 同位素：如果两个原子质子数目相同，但中子数目不同，则他们仍有相同的原子序，在周期表是同一位置的元素，所以两者就叫同位素。有放射性（物质自发放射射线的性质称为放射性）的同位素称为“放射性同位素”,没有放射性的则称为“放射性同位素”，并不是所有同位素都具有放射性。由于质子数相同，所以它们的核电荷和核外电子数都是相同的（质子数=核电荷数=核外电子数），并具有相同电子层结构。因此，同位素的化学性质是相同的，但由于它们的中子数不同，这就造成了各原子质量会有所不同，涉及原子核的某些物理性质（如放射性等），也有所不同。一般来说，质子数为偶数的元素，可有较多的稳定同位素，而且通常不少于3个，而质子数为奇数的元素，一般只有一个稳定核素，其稳定同位素从不会多于两个，这是由核子的结合能所决定的。 放射性同位素是一个原子核不稳定的原子，每个原子也有很多同位素，每组同位素的原子序虽然是相同，但却有不同的原子量，如果这原子是有放射性的话，它会被称为物理放射性核种或放射性同位素。放射性同位素会进行放射性衰变，从而放射出伽玛射线，和次原子粒子。放射性同位素（radioisotope）是不稳定的，它会“变”。放射性同位
素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓“核衰变”。放射性同位素在进行核衰变的时候，可放射出α射线、β射线、γ射线和电子俘获等，但是放射性同位素在进行核衰变的时候并不一定能同时放射出这几种射线。核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响，也不受元素所处状态的影响，只和时间有关。放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”来表示。放射性不能用一般的物理、化学和生物方法消除，只能靠放射性核素自身的衰变而减少。半衰期（half-life）即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间。以下列出各种放射性元素及其半衰期。 碘131，半衰期8天。 铯134，半衰期2年；铯137，半衰期30年。 钌103，半衰期39天；钌106，半衰期约1年。 锶90，半衰期30年。 钸239，半衰期24,100年。 铀234，半衰期24.7万年；铀235，半衰期710万年；铀238，半衰期45亿年。（铀拥有12种人工同位素(铀-226~铀-240)） 备注（备注部分为博主的理解，供参考）：
硼同位素分离方法
硼同位素分离方法 1.同位素概况 1.1稳定同位素 在元素周期表中，原子序数相同，原子质量不同，化学性质基本相同，半衰期大于1015年的元素的同位素，称为稳定同位素。 1913年J.J.汤姆孙和F.W.阿斯顿用磁分析器发现天然氖是由质量数为20和22的两种同位素所组成，第一次发现了稳定同位素。 1919年阿斯顿制成质谱仪，并在71种元素中发现了202种核素，绝大多数是稳定的；后来利用光谱等方法发现了氧、氮等元素的稳定同位素。 地球上已发现的稳定同位素共274种，原子序数在84以上的元素的同位素都是放射性同位素。常用的有34种，已实现规模生产的稳定同位素及化合物有235U、重水、6Li、10B。它们是重要的核工业材料或作示踪原子。 元素的同位素组成常用同位素丰度表示，同位素丰度是指一种元素的同位素混合物中，某特定同位素的原子数与该元素的总原子数之比。 1.2同位素分析方法 同位素分析通常是指样品中被研究元素的同位素比例的测定。它是同位素分离、同位素应用和研究中不可缺少的组成部分。 质谱法它是稳定同位素分析中最通用、最精确的方法。它是先使样品中的分子或原子电离，形成各同位素的相似离子，然后在电场、磁场的作用下，使不同质量与电荷之比的离子流分开进行检测。若用照相底板摄像检测,则称质谱仪。将离子流收集在法拉第杯电极上,并用静电计测量电流，以能使仪器自动连续地接收不同荷质比的离子，这样的仪器称为质谱计。这两种仪器不仅能用于气体，也可用于固体的研究。质谱计能用于几乎所有元素的稳定同位素分析。 核磁共振法它是稳定同位素分析的另一重要方法。由于构成有机体主要元素的稳定同位素氘、碳13、氮 15、氧17和硫33等的核自旋量子数均不为零，在外磁场的作用下,这些原子核都会象陀螺一样进动,若此时在磁场垂直方向加上一个射频电场，当其频率与这些原子核进动频率相同时，即出现共振吸收现象,核自旋取向改变,产生从低能级到高能级的跃迁；当再回到低能级时就放出一定的能量，使核磁共振能谱上出现峰值，此峰的位置是表征原子核种类的。磁场强度恒定时，根椐共振时的射频电场频率，可以检出有机体样品中不同基团上的同位素，根据峰高,还可测定含量,但由于其测定灵敏度较低，一般不作定量分析用。
核安全工程师讲稿提纲(铀伴生矿及案例分析)--潘英杰
核安全工程师讲稿提纲 第二章铀（钍）矿与伴生放射性矿 第一节铀（钍）矿与伴生放射性矿开采和加工的 辐射防护和环境保护的基本要求 铀矿山、水冶工艺概况 1、露天矿山 常规矿山：地下矿山：平硐、竖井、斜井 矿山：化学矿山：原地浸出溶液—离子交换—萃取、反萃取—沉淀—过滤— 浓缩物产品 水冶：常规水冶：（粗、中、细）破碎—放射性选矿—磨矿—浸出—离子交换— 萃取、反萃取—沉淀—过滤—浓缩物产品 地表堆浸：粗碎—渗（浸）出液—离子交换—萃取、反萃取—沉淀— 过滤—浓缩物产品 地下堆浸：原地爆破浸出液—离子交换—萃取、反萃取—沉淀—过滤—浓缩物产品 纯化：浓缩物产品—硝酸溶解—萃取、反萃取—浓缩及脱硝—沉淀（结晶）—压滤—煅烧—冷却—UO2、U3O8产包装（核纯级或核电级天然铀）
一、铀（钍）矿与伴生放射性矿开采和加工辐射防护和环境保护的目的与任务 1.防护的目的： 2.辐射防护和环境保护的任务： 二、铀（钍）矿冶与伴生放射性矿辐射防护和环境保护内容 三、铀（钍）矿及伴生放射性矿辐射防护和环境保护原则 四、铀（钍）矿与伴生放射性矿开采和加工设施的安防环保要求 1.矿山 2.选冶厂 五、铀（钍）矿与伴生放射性矿生产的安防环保要求 第二节国家及省级环境保护行政主管部门的监督管理要求 一、国家行政主管部门的监督管理要求 1.国家有关劳动保护政策、法规、标准 《中华人民共和国劳动法》 《中华人民共和国矿山安全法》 《中华人民共和国矿山安全条例》 《中华人民共和国安全生产法》 《安全生产许可证条例》 《中华人民共和国职业病防治法》 《中华人民共和国劳动安全卫生法》 《中华人民共和国环境保护法》 《中华人民共和国放射性污染防治法》等。 2、国家有关劳动保护、辐射防护和环保标准 国家各行政主管部门制定的一系列安全防护规程、规定、标准。如： 《放射性工作人员健康管理规定》卫生部97-06-05
铀同位素分离
铀同位素分离 铀同位素分离的研究起始于第二次世界大战期间。1938年O.哈恩等人发现铀核裂变释放出大量能量，从此美国和德国为获得武器级浓缩铀都开展了分离铀同位素的研究工作。1942年美国建造了电磁分离、气体扩散和热扩散三个铀同位素分离工厂，并联合生产了战争期间所用的U235。现在分离铀同位素的方法主要有气体扩散法、气体离心法、喷嘴法、激光法、化学交换法、等离子体法等。具有工业价值的是气体扩散法和气体离心法，激光法的工业应用已经取得重大进展。本文将对以上提及的几种铀同位素分离方法的原理及优缺点进行简要介绍。 1. 电磁分离法 电磁同位素分离(EMIS)技术是20世纪40年代初在美国曼哈顿计划中开发出来的，目的是制造武器级高浓铀，但是不久以后被放弃。然而，它后来又重新出现，成为1992年发现的伊拉克秘密武器铀浓缩计划的主攻方向。该法是基于带电原子在磁场作圆周运动时，铀同位素质量不同的离子旋转半径不同而被分离的方法，与质谱仪原理相同。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铀同位素分离，由于轻同位素与重同位素圆周运动半径不同而被分离。但是该技术的能耗巨大，约为气体扩散技术的十倍。 2. 气体动力学分离法（喷嘴法） 喷嘴法的原理是六氟化铀与氢（或氦）的气体 混合物通过喷嘴吹向凹形壁，即让流动着的六氟化 铀混合气体受到高速直线或离心的加速度，使较重 的U238同位素比较轻的U235更靠近壁面，这样利用 曲面末端的“刮板”可将气体分成浓缩铀和贫化铀 的两股流，如右图所示 喷嘴法的单级分离系数介于气体扩散法和离心 法之间，比能耗和比投资与气体扩散法相当或略大。 1956年联邦德国用喷嘴法分离了六氟化铀，80年代 与巴西联合投资准备筹建示范工厂。南非研制的涡流管法也是一种气体动力学方法。由于气体动力学法的比能耗和比投资都很高，已经成功应用扩散法的国家一般都不再研制气体动力学方法。南非气体动力学分离厂也是由于耗电过大，在1995年关闭。 3. 等离子体分离法 该法是利用离子回旋共振原理，有选择性地激发铀同位素离子中等离子体U235的能量，当等离子体通过密式分隔的平行板收集器时，因U235离子具有大轨道而更多地沉积在平行板上，其余的等离子体贫化离子则积聚在收集器的端板上。实际拥有等离子体实验计划的只有美国和法国，1982年美国已放弃了这项开发计划，在1990年前后，法国虽停了有关项目，但仍将该项目用于稳定同位素分离。
系列铀同位素基准物质的研制
!第!"卷第"期原子能科学技术 #$%&!"!’$&"!" (()年"月*+$,-./012345.-10.160781.90$%$34 :1;&"(() 系列铀同位素基准物质的研制 朱海巧!刘峻岭!罗中艳!郝晓娟!梁!靓!刘权卫 "中国原子能科学研究院放射化学研究所!北京!<("!<= $摘要!利用高纯"=C M 和"=) M 研制系列铀同位素基准物质!其相对不确定度优于(&(C ]%采用以基准物 质重铬酸钾为滴定剂的自动电位滴定法对基准物质中的铀含量进行准确定值%所研制的铀同位素基准物质可用以对我国现有的"F 种铀同位素标准物质重新进行定值!从而使这些标准物质中铀同位素测量值的不确定度降低!并使其具有可溯源性%关键词!铀同位素#系列基准物质#自动电位滴定法 中图分类号!W F C "&>!!!文献标志码!*!!!文章编号!<(((E F >=<""(()$("E (< 第四章 级联理论 ①分离单元：一个分离单元是同位素分离工厂中最小的单位； ②级或分离级：一个分离级或简称一个级，是由一个分离单元或数个分离单元并联而成，同一级的多个分离单元具有相同的供料、浓料和贫料量及其相应的丰度值； 级在级联中是物理上的最小单元，但不是结构上的最小单元。 ③级联：级联由很多级串联而成，而级则由若干分离单元并联而成； 级联理论就是研究级的浓缩效应如何倍增 ④简单级联：若级联中的每一级的供料都来自前一级的浓料，而离开每一级的贫料不再进行处理，这种级联称为简单级联； ⑤逆流再循环级联：若级联中每一级的浓料流入后一级作为供料，此外每一级的贫料返回到本级前的某一级进行再处理，这种级联称逆流再循环级联； ⑥矩形级联：在逆流再循环级联中，若该级联的每一级的流量都相等，那么这种级联称为矩形级联； ⑦平衡级：对于可逆同位素分离过程，如精馏、化学交换，达到平衡时可得到最大的丰度差，这时的状态称平衡级或理想状态。一个平衡级是指可逆过程能达到理想分离状态的级，因此也称理想级。（理想级不一定是平衡级，平衡级一定是理想级） ⑧稳态和非稳态：一个级联上的所有各点的流量和丰度都不随时间t 而变时称为稳态，又称定常态，数学上表示为： 0=??t Z ，0=??t M ，0=??t N ，0=??t z ，0=??t y ，0=??t x 。 ⑨重量丰度：记作 %(重量)，2 )(1)(1 )()()%-1(%%%M x M x M x x ?+??= 摩尔摩尔摩尔重量； ⑩摩尔丰度：记作%(摩尔)，2 )(1 ) (1 ) ()(%-1%%%M x M x M x x 重量重量重量摩尔+ = ； 天然铀的放射性类型是什么？近距离接触对人有危害吗？ 孙晓博，重度网瘾需电击，晚期懒癌无药医 射线的实际能量要小于表中对应的衰变能 此表中真正值得关注只有U-235 和U-238，所谓天然铀就是0.72% 左右的U-235 加上99.28% 左右的U-238。天然铀衰变对人体造成的放射性损伤完全可以忽略不计，这是因为： 1.天然铀中两种铀同位素半衰期都在十亿年左右（）的数量级，跟地球年龄差不多， 所以衰变极其缓慢，几乎可认为是稳定核素。 2.天然铀中两种铀同位素都是都是衰变，同等情况下三种射线粒子中粒子的穿透 能力最弱，的粒子在人体组织中的射程仅为几十到一百个微米，连表皮都不一定能穿透，再考虑人所穿衣物的屏蔽作用，这种能量的粒子在体外不可能对人体造成任何实质影响。所以在实际工作中都不会考虑射线的外照射（意思是可以随意进行近距离观察和零距离触摸，只是考虑到部分衰变核素有化学毒性以及要保持元件表面光洁，一般都还是要戴手套或者用镊子等工具夹取），只需避免内照射就行（意思是不要让放射源通过口鼻或体表伤口等进入体内）。 严格来说，U-235 和U-238 在衰变的过程中除了射线外还会放出射线，但实际工作中不必考虑其影响，个中缘由见补充说明 评估射线影响需要明确种类（射线穿透能力最弱）、能量（能量越低穿透能力越弱）、强度（衰变越快，单位时间内产生的射线粒子越多，射线就越剧烈） 评估辐射防护需要明确时间（接触时间越短越安全）、距离（距离越远越安全）、屏蔽（屏蔽材料质量厚度越大越安全） 核反应堆内放射性之所以高，是因为在堆内中子的参与下，铀核发生了包括裂变在内的核反应，这些核反应会产生大量高放射性的核素。在进入堆内接受中子辐照前，铀（包括高浓铀）本身衰变放射性对人体造成的影响完全可以忽略不计。 有图为证： 伊朗时任总统内贾德视察伊朗首枚首枚燃料棒装填作业。从图中可以看出完全不需要任何防护，左边小哥戴的手套以及右边大叔戴的口罩与其说是在保护他们自己，不如说是在保护燃料棒束，避免其沾染汗渍和唾液。 铀同位素分离-铀同位素分离 铀同位素分离-正文 由铀235含量较低的铀同位素混合物，获得铀235含量较高的铀同位素混合物的同位素分离技术。铀同位素分离在核燃料循环中占极重要的地位。铀 235含量大于天然含量的铀称为浓缩铀。浓缩铀可用作反应堆的燃料(含量在3％左右),还可用作核武器的装料（含量在90％以上）和舰艇的核动力燃料（含量在20％左右）。但是天然铀中主要含有铀238（含量为99.275％），而铀235的含量仅为 0.720％。因此必须通过铀同位素的分离来提高铀同位素混合物中铀235的含量。 铀同位素分离的研究起始于第二次世界大战期间。1938年O.哈恩等人发现铀核裂变释放出大量能量，从此美国和德国为获得武器级浓缩铀都开展了分离铀同位素的研究工作。1942年美国建造了电磁分离、气体扩散和热扩散三个铀同位素分离工厂，并联合生产了战争期间所用的铀 235。现在分离铀同位素的方法主要有气体扩散法、离心法、喷嘴法、激光法、化学交换法、等离子体法等。具有工业价值的是气体扩散法和离心法，激光法的工业应用已经取得重大进展。 同位素分离的效率用分离系数或浓缩系数来表示。设分离前后铀235的丰度分别为C F和C P,则分离系数α定义为 而浓缩系数ε则定义为ε＝α-1。同位素分离装置的能力用分离功率来量度。分离功率表示该装置单位时间所提供的分离功。分离功是一个分离装置对于它所处理的物质所做的“功”，具有质量的量纲，在数值上等于同位素混合物通过该装置所获得的价值增量，可表示为： ΔU＝PV(C P)+W V(C W)-FV(C F) 式中P、W、F分别为精料、贫料、供料中的铀质量；C P、C W、C F和V(C P)、V(C W)、V(C F)分别为所需同位素的丰度及价值函数。 气体扩散法使待分离的气体混合物流入装有扩散膜（分离膜）的装置来得到富集和贫化的两股流的同位素分离方法。基本原理是：在分子间的相互碰撞忽略不计的情况下，气体混合物中质量不同的气体分子 (例如235UF6和238UF6)的平均热运动速率与其质量二次方根成反比。当气体通过扩散膜时,速率大的轻分子(235UF6)通过的几率比速率小的重分子(238UF6)的大。这样,通过膜以后，轻分子的含量就会提高，从而达到同位素分离的目的。 对于六氟化铀气体，气体扩散法的理想单级浓缩系数为4.29×10-3。在实际扩散机中,浓缩系数远不能达到理想值，70年代末80年代初，最高水平可达2×10-3。由于气体扩散法的一次分离系数很小，在生产中需要把很多级按一定方式连接成级联。简单串 联级联见图1 ，通过膜后的气体（精料）送入前一级，未通过膜的气体（贫料）送入后一级,铀235逐级加浓。级联还有并联、搭接等多种形式。要得到90％丰度的铀235同位素,就需要3000～4000个扩散机组成的长达几千米的级联装置。 第二次世界大战结束后，美国的实践证明，气体扩散法能够用来大规模生产铀 235。它是目前最成熟的大规模分离铀同位素的方法，是对各种新的浓缩方法的大规模商业应用的挑战，是比较各种方法的基本点。美国和法国大型气体扩散工厂的分离功率达1万吨/年以上，比能耗均在 2400千瓦·时/千克左右。气体扩散法的缺点是分离系数小，工厂规模大，耗电量惊人，成本很高。 离心法利用在离心力的作用下，分子质量不同的流体的压强分布不同的原理分离同位素的方法。在巨大的离心力场作用下，输入离心机的六氟化铀气体中的轻分子235UF6在离心机转子中央部分加浓, 而重分子238UF6更多地趋于筒壁，造成铀同位素在径向的部分分离。 离心法的分离系数取决于两种同位素分子的质量差，而与同位素分子本身质量无关。这就使得分离重同位素并不比分离轻同位素困难，有利于铀同位素分离。另外，分离系数随着离心机转筒线速度的增加而迅速增加。实用工业离心机是高速逆流离心机(图 第11卷第1期1998年2月 同 位 素 Jou rnal of Iso topes V o l.11 N o.1 Feb.1998高丰度6L i的电磁同位素分离 林治洲 田玉峰 苏克勤 王丽琴 (中国原子能科学研究院电物理和激光研究所,北京102413) 选用经过浓缩6L i丰度达到9010%的L i C l做工作物质,用F23分离器分离6L i同位素。在运行过程中严格控制运行参数,减少打火次数,获得了丰度达到99199%的高纯6L i同位素。 关键词 电磁同位素分离 6L i 同位素丰度 中图法分类号 TL259 锂是一种非常重要的轻核材料,而6L i和7L i的同位素丰度是一个重要的质量指标和技术参数。为了准确可靠地测量锂的同位素丰度,必须有一系列不同丰度的锂同位素标准物质来校准测量仪器。目前国内没有锂同位素标准物质,而且也无法从国外引进。为了适应我国核能事业发展的需要,研制这类标准物质已是势在必行。 通常,锂同位素标准物质是采用两种高纯的6L i和7L i,通过化学计量混合制成6L i丰度准确已知的基准物质,藉以校准质谱计。利用已校准的质谱计对制备的锂同位素标准物质进行定值,再经鉴定认证为标准物质。丰度≥9919%的高纯6L i和7L i是研制锂标准物质的关键材料。6 L i和7L i丰度越高,配制的标准物质精度越高。中国原子能科学研究院在70年代初曾用电磁分离器制备了丰度≥9919%的7L i同位素,而6L i同位素丰度仅达到96%—9918%[1],因此本工作拟进行丰度≥9919%6L i同位素的制备研究。 1 基本原理及工艺流程 单电荷粒子在均匀磁场中作圆周运动,其轨迹半径R由下式表示: R=144.5 B A U(1) (1)式中,A为粒子的质量数;U为加速电压(V);B为磁感应强度(m T);R为轨迹半径 (c m)。 林治洲:男,58岁,高级工程师,离子源和稳定同位素分离专业 收稿日期:1997207217 修改稿收到日期:1997209220 第四章级联理论 ①分离单元：一个分离单元是同位素分离工厂中最小的单位； ②级或分离级：一个分离级或简称一个级，是由一个分离单元或数个分离单元并联而成，同一级的多个分离单元具有相同的供料、浓料和贫料量及其相应的丰度值； 级在级联中是物理上的最小单元，但不是结构上的最小单元。 ③级联：级联由很多级串联而成，而级则由若干分离单元并联而成； 级联理论就是研究级的浓缩效应如何倍增 ④简单级联：若级联中的每一级的供料都来自前一级的浓料，而离开每一级的贫料不再进行处理，这种级联称为简单级联； ⑤逆流再循环级联：若级联中每一级的浓料流入后一级作为供料，此外每一级的贫料返回到本级前的某一级进行再处理，这种级联称逆流再循环级联； ⑥矩形级联：在逆流再循环级联中，若该级联的每一级的流量都相等，那么这种级联称为矩形级联； ⑦平衡级：对于可逆同位素分离过程，如精馏、化学交换，达到平衡时可得到最大的丰度差，这时的状态称平衡级或理想状态。一个平衡级是指可逆过程能达到理想分离状态的级，因此也称理想级。（理想级不一定是平衡级，平衡级一定是理想级） ⑧稳态和非稳态：一个级联上的所有各点的流量和丰度都不随时间t 而变时称为稳态，又称定常态，数学上表示为： 0=??t Z ，0=??t M ，0=??t N ，0=??t z ，0=??t y ，0=??t x 。 ⑨重量丰度：记作 %(重量)，2 )(1)(1 )()()%-1(%%%M x M x M x x ?+??= 摩尔摩尔摩尔重量； ⑩摩尔丰度：记作%(摩尔)，2 )(1 ) (1 ) ()(%-1%%%M x M x M x x 重量重量重量摩尔+ = ； 铀化合物转化工艺学 1、什么是可裂变核燃料和可转换核素，主要包括那些核素？ 答：可裂变材料：吸收中子裂变后能使净中子数增加，有：235U、239Pu、233U、234U 可转化材料：吸收中子后能转换成可裂变材料，有238U、232Th、240Pu、234U 2、自然界铀有哪些同位素，丰度各是多少？动力反应堆用 什么核燃料？ 答：235U,0.711%(wt);238U,99.283%(wt);234U,0.0058% 天然铀或含235U为1.4%~3.74%的低浓铀 3、什么是核反应堆？包括哪些类型？压水堆的工作原理？ 答：1、核反应堆是一种能维持和控制裂变反应的装置，它能实现核能-热能的转换 2、按中子能量：热堆和快堆 按用途：研究用反应堆、生产反应堆、动力反应堆 按慢化剂剂：1轻水堆包括压水堆和沸水堆2重水 堆 按冷却剂：1、气冷堆2、钠冷堆 3、压水堆电站主要由一回路和二回路两部分组成， 一回路系统的冷却剂从反应堆将热带出，用以产生 蒸汽；二回路系统与常规火力电厂的汽轮发电机系 统相同。 4、核燃料的主要工序？ 1、铀矿石的开采和加工 2、纯化和转化 3、铀同位素分离 4、UF6再转化 5、燃料元件的加工 6、堆内辐照 7、乏燃料后处理 8、铀的再转化和钚的加工 5、核燃料循环的方式包括那些？ 答1、燃料用过不再循环 2、乏燃料经过后处理实现铀在循环 3、乏燃料经后处理实现铀和钚再循环 6、铀转化过程的工艺特点？ 答 1、固体的反应性具有特殊意义 2、固体的形貌及结构与原料有关 3、固体结构处于瞬变状态 4、要求有较高的转化率 5、多数转化反应是在较高温度下进行的 6、转化反应实在含有HF、F2等强腐蚀性的气体中进 行的 铀的提取和纯化 铀的提取和纯化是指从铀矿石中提取铀直到制成核纯（见放射性核素纯度）铀化合物的工艺过程，是天然铀生产的重要步骤。 1正文 主要产品有重铀酸铵(俗称黄饼)和三碳酸铀酰铵等。纯化（又称精制）后的铀化合物产品，必须达到核纯的要求。精制的产品进一步干燥、煅烧，加工成二氧化铀或八氧化三铀,供制作反应堆元件或六氟化铀（用于铀235的同位素分离）用。整个过程须经下述单元操作：铀矿石的破碎和磨细、铀矿石的浸取、矿浆的固液分离、离子交换和溶剂萃取法提取铀浓缩物、溶剂萃取法纯化铀浓缩物。可根据矿石种类、产品要求等不同情况，选择由上述单元操作所组成的适当流程。 破碎和磨细破碎是将矿石经颚式破碎机、圆维破碎机或锤式破碎机粗碎、中碎和细碎以达到所要求的粒度。然后进行细磨，以达到浸取工序所要求的粒度。 浸取用溶剂将矿石中的铀选择性地溶解。铀矿石经浸取后，铀与大部分脉石分离，浸取液中铀与杂质的比例比原矿石中约提高10～30倍，因此，浸取过程也是铀与杂质初步分离的过程。 铀矿石浸取方法一般有酸法和碱法两种。多数铀水冶厂采用酸浸取法,少数厂用碱浸取法,只有个别厂同时采用酸、碱两种浸取流程。酸浸取法一般用硫酸作浸取剂，矿石中的铀和硫酸反应,生成可溶的铀酰离子(UO卂)和硫酸铀酰离子【UO(SO)】;浸取时常加入氧化剂（常用二氧化锰、氯酸钠），以保持适宜的氧化还原电势（约450毫伏），使四价铀氧化成六价,以提高铀的浸出率。含碳酸盐的铀矿石主要用碱法浸取，常用的浸取剂为碳酸钠和碳酸氢钠的水溶液，在鼓入空气的条件下，矿石中的铀与碳酸钠生成碳酸铀酰钠Na 【UO(CO)】,溶于浸取液。 矿浆的固液分离矿石浸取后所得到的酸性或碱性矿浆（包括含铀溶液、部分杂质及固体矿渣）中的溶液和矿渣须经分离。根据需要也可进行粗矿分级，以除去+200～40目的粗砂,得到细泥矿浆。常用的固液分离设备有过滤机、沉降槽（浓密机）；分级设备有螺旋分级机、水力旋流器。中国还采用流态化塔进行分级和洗涤。 分离出的溶液可用离子交换法分离铀，也可用溶剂萃取法分离和纯化铀，或将铀从含铀溶液中沉淀出来。 离子交换法提取铀固液分离后的浸取液中八氧化三铀的含量大致为500～1000毫克/升。对于含铀浓度低的浸取液采用离子交换法提取铀较为合宜。离子交换法一般采用强碱性阴离子交换树脂吸附铀。按吸附液含固量的多少，吸附可分为清液吸附、混浊液吸附和矿浆吸附。当树脂吸咐饱和后，经水洗，再用淋洗剂（硫酸－氯化钠、硫酸－氯化铵、硝酸－硝酸钠、硝酸－硝酸铵、稀硫酸或稀硝酸）将铀从树脂上淋洗下来。 萃取法提取和精制铀铀水冶厂处理的溶液是体积大、铀浓度低、杂质含量高的稀溶液，须将铀与杂质分离并初步使铀浓缩，而在精制工艺中，处理的是高浓度的含铀溶液，产品质量要求达到核纯。在铀的萃取工艺中常用的有机膦与烷基胺类萃取剂有磷酸三丁酯(TBP)、同位素分离级联理论
天然铀并不可怕
铀同位素分离-铀同位素分离
高丰度 ~6Li 的电磁同位素分离
同位素分离级联理论
铀化合物转化
铀的提取和纯化