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鈾核是一種物理元素,鈾有三種同位素(所謂同位素是指它們的原子核內含的質子數目相同,但含的中子數目不相同的元素,它們在元素周期上放在同一個位置上),即鈾-234、鈾-235和鈾-238。其中的鈾-234和鈾-238不會發生核裂變,只有鈾-235這種同位素原子能夠發生核裂變,或者說,做核燃料的實際上是鈾-235。但是,從礦山裡開採出來的鈾裡面,鈾-235的含量卻又是很低,僅佔0.66%,絕大部分是鈾-238,它佔了99.2%。

1簡介

現時的核電站使用的是鈾核燃料。

2化學特性

這就相當於我們的煤餅廠或煉油廠,生產出的煤餅里大部分是泥沙,當然也就沒法燃燒。根據研究結果,在鈾核燃料中鈾-235的含量要達到3%以上才能燃燒。因此,開採出來的鈾,並不同於開採出來的煤塊直接可以用做燃料,它需要經過提純、濃縮的手續,把鈾-235的含量比例提高之後,方能用做燃料。

3普通提純技術

提純濃縮鈾-235含量的技術比較複雜,因為元素的各種同位素,如同「孿生姐妹」,無論在物理性質和化學性質上都十分相似,採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、離子交換法等,其中以氣體擴散法最成熟,製造第一顆原子彈用的鈾核材料就是用這種方法製造出來的。所有這些提純方法,它們的工藝過程都比較複雜,辦廠投資高,運轉過程中消耗的能量也高;而且產量低,生產出的鈾核燃料成本大。因此,科學家一直在找新提純方法。現在,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鈾燃料的成本。

4激光提純

優點
用激光的方法提純濃縮鈾-235,比現有的各種方法都優越,生產設備可以大大簡化,生產成本也可以大大降低。根據科學家的估計,生產投資大約只有氣體擴散法的1/2,生產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這種鈾核燃料生產技術。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,今後使用激光來生產鈾核燃料。

技術路線

用激光提純濃縮鈾-235的技術路線有兩條: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,在這鈾蒸氣裡面包含有鈾元素的同位素鈾-234、鈾-235、鈾-238的原子。然後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,使它單獨獲得激發或者電離。其後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。這條技術路線現在已經比較成熟,達到生產應用階段。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,並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(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,便可以獲得鈾-235。這條技術路線現在還未達到生產階段,不過,從發展的潛力來說,分子法比原子法優越。一方面是因為分子法分離時使用的原料是鈾的分子化合物,原料來源比較豐富;其次是在分離的工作過程中不需要加熱,而原子法則需要加熱到2000多度,使鈾原料形成蒸氣。高溫鈾蒸氣有很強的腐蝕性。因此分子法的生產設備會比較簡單,生產成本也相應較低。  

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