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1、第二部分 铀浓缩的主要方法介绍,清华大学工程物理系周明胜2010年8月,核纯级天然铀，仍是U-238，U-235，U-234的混合物其中易裂变核素U-235仅占总量的0.7l2，天然铀中U-234的含量仅占0.008，轻水堆、压水堆需使用低浓铀作燃料，其U-235富集度一般为25，核潜艇需要U-235富集度为20，而快堆用铀作燃料时，则需将U-235富集度提高到25左右至于高中子通量的材料试验堆则需使用U-235富集度大于90的高浓铀作燃料,对浓缩铀的需求情况,浓缩铀技术的发展经历了电磁法、喷嘴法、化学交换法、气体扩散法、气体离心法、激光法等多个阶段。但目前具有商用价值的仅有气体扩散法和气体离
2、心法，激光法具有潜在的竞争力，但具备商用还需时日。,浓缩铀技术的发展,一、气体扩散法,其原理是基于两种不同分子量的气体混合物在热运动平衡时，具有相同的平均功能和不同的运动速度,扩散法分离的级分离系数,一个扩散级的分离效果通常用级分离系数来表示。级分离系数的定义为：产品中所需同位素的相对浓度与贫料中该同位素相对浓度的比值。,实际的分离系数远低于理论值，具体数值决定于设备结构、膜的特性及其它工艺条件。由于单级的分离效果不大，为了得到5的浓缩铀，便需把近千个扩散级串联起来；如要生产高浓铀便需串联数千个扩散级.,用气体扩散法分离铀同位素，为使工艺气体通过扩散膜，必须在级间不断地对它进行重新压缩，因此气
3、体扩散厂要消耗大量的电能。一座生产能力为17000吨分离功单位/a的扩散厂，需要消耗的总电功率约为600万kW。压缩气体所用的功最后全部变成废热。因此在选择扩散厂厂址时，必须考虑大量的冷却水消耗。尽管用气体扩散法分离铀同位素存在上述问题，但因其具有工艺过程比较简单、设备运行稳定可靠、容易在工程上实现等优点，所以这种铀的浓缩方法为各国所普遍采用,二、离心机浓缩铀,目前工业用浓缩铀离心机,离心法工业化生产浓缩铀的国家及生产能力,离心法约占世界浓缩铀生产能力的50%,离心机示意图,供料,贫料,精料,磁轴承和阻尼装置,精取料器,挡板,中心供料点,转子,外套筒,贫取料器,电机,下轴承,工厂对离心机的要求
4、,离心机的最大理论分离功率,提高离心机单机分离功率的途径,工作频率高于转子固有频率的离心机称为超临界离心机工作频率低于转子固有频率的离心机称为亚临界离心机通过加波纹管可以降低转子的固有频率。通过增加转子的轴向杨氏模量可以提高转子的国有频率,关于临界频率,关于转子材料,薄壁转筒的内应力可以近视为：转筒的断裂线速度：,几种离心机转子用材料的基本情况,关于提高单机的分离效率,转子内部流场的分布中心供料点的位置挡板的位置及其开孔的位置形状及大小精、贫取料器的半径尺寸及头部形状波纹管的形状转子端部温度转子侧壁温度分布供、精、贫料流量的控制,两种不同形式的离心机目前世界上投入商业应用的离心机分两种类型：超
5、临界型离心机 离心机转子运行于超临界转速下，在转子直径相同且转速相同时增加转子长度从而增加单机分离功(URENCO，日本)，有非均匀转子和均匀转子两种形式单节亚临界型离心机 单机分离功较小，转子运行于亚临界转速，在相同占地面积下，离心机在垂直方向多层安装(俄罗斯),超临界离心机,美国的离心机,多层安装的亚离心机(俄式),浓缩铀离心级联,浓缩铀级联从形式上可分为两种：,欧式单层架刚性级联俄式多层架柔性级联,两种不同形式的离心级联：单层架(西欧型)1、级联每级的机器数按理想级联流量要求布置 2、单机的贫料和供料管道上装有声速流量孔板 3、级联的精、贫料丰度不可调节 4、不同丰度的产品需要用某几种可
6、生产丰度的产品配制 5、整个工厂由多个并联的小级联组成。可同时生产几种丰度的产品,单层架级联,多层架级联1、级联的连接方式类似于扩散级联，整个工厂由一个大级联组成2、由于机组大，每级所布置的机器数不可能非常接近理想级联的流量分布3、每一级的贫料压力都可以调节（亦即分离系数和分流比都可调节）4、级联以多层架形式构成，可以根据所需生产丰度，调整级联参数不需要配料。5、在某一时间内只能生产一种丰度的产品,多层架级联,F1,CF,F2,CF,P,CP,W,CW,F,CF,P,CP,W,CW,级联层架图,等效级联图,P,CP,W,CW,F1,CF,F2,CF,离心法浓缩铀工厂的运行,选用最优化的级联运行
7、结构和参数工艺参数（级联内的压力、流量等）辅助工艺参数（冷却水温度流量、厂房温度等）维护工厂的正常、连续运行(五大连续）连续的供取料连续的供电连续的冷却水连续保持级联的密封状态连续的压缩空气供应采用先进设备，降低运行成本,离心工厂工艺流程示意图,冷凝升华器示意图,精料风冷收料示意图,贫料收料示意图,三、激光分离法,原子激光分离法的原理是：利用激光束对铀蒸汽的选择性激发，235U选择性电离后再通过电场或磁场从中性分子中分离出来。,激光分离主要采用分子激光法和原子激光法两种方法，我国目前采用原子激光法。,四、喷嘴分离法,喷嘴分离法的原理是：对于供料流，如果把分流劈置于适当的位置，根据气体通过曲壁时
8、产生的离心力差，较重分子靠近壁面富集，较轻分子远离壁面富集。,几种铀浓缩方法的工艺参数比较,工业应用的铀同位素分离方法比较：,五、基本概念,（一）同位素丰度,摩尔丰度,质量丰度,利用：,其中：M1、M2分别是第一、二种同位素的摩尔质量可以推导出两种丰度之间的关系式：,对铀同位素分离来说，质量丰度除了可以用UF6来计算外，还可以按金属铀来计算，即表示铀-235在金属铀中的含量。,如：天然铀的235UF6的摩尔丰度Cmol为0.0072，按UF6计算的质量丰度为：,天然铀中铀-235的质量丰度如按金属铀计算则为：,可见，当两种同位素的摩尔质量相差不大时，以上三种不同的丰度差别不大。（当然对轻元素差
9、别会比较大）,对铀同位素来说，两种丰度的差异极小,天然铀同位素的丰度：,一般情况下，可忽略234U，认为是双组分。用C表示235U 的丰度，1-C表示238U的丰度但是，对于堆后料237U、239U（半衰期短）、234U，就要考虑234U的影响,丰度比(相对丰度)R=C/(1-C),浓缩系数（重馏分浓缩系数、轻馏分浓缩系数）,分流比,或,分离系数和浓缩系数分离系数（重馏分分离系数、轻馏分分离系数、全分离系数）,分离功率与价值函数,伊朗核问题是目前敏感的问题，2年前，伊朗建成并启动运行了由164台离心机组成的离心级联，国际舆论哗然。有人认为伊朗很快就可以得到足够生产一颗原子弹的浓缩铀，也有专家认
10、为伊朗的离心机每台分离功率只有1公斤铀/年，现有的离心机要想造出原子弹至少需要5年。我们知道，在一颗原子弹至少需要20Kg的235U丰度约为90的金属铀，如何将离心机的分离能力和最终的产品的联系起来呢？,首先从价值函数与分离功率的概念出发，求出普遍表达式 设：V是与丰度C相关的一个特征函数。分离机器的作用是使气体的V增加，可理解为，分离机器做了“功”，使气体的“价值”增加。因此，可以称V为价值函数，它表达了丰度为C时单位质量物质的价值是只和丰度C有关而和机器的参数无关的一个量，可写为 V(C)。,分离功率与价值函数的物理意义和表达式,G C,(1-)G，C-,G，C+,对右图所示分离级，进入流
11、量为G，丰度为C，价值量为 GV(C)。经过分离，流出轻馏分流量为 G，丰度为C+，价值量 G V(C+)，流出重馏分流量为（1-）G，丰度为C-，价值量为:,以U 表示经过一个分离级单位时间价值的增加，也称价值增率，则有：,在1时，丰度C、C+和C-之间的差别都很小。因此，可以将V(C-)、V(C+)在丰度C附近展开成台劳级数。,忽略二次方以上的项带入上面U可得：,因而：,根据一级的轻物质质量守恒，有：,由分离理论可知：,这就是经过一分离级的价值增率。,将此结果代入（42）可得：,当一个分离级具有分离同位素的能力时，才能产生价值增率。所以，经过一分离级的价值增率的值应该等于机器分离同位素的能
12、力。如果称分离同位素的能力为分离功率，以R表示，则有：R=U,一台机器的分离功率应该与机器中的丰度C 无关，也就是说，机器的分离功率是反映机器的分离能力的，它是由机器本身的特性决定，无论在什么丰度下工作，它都具有这样的分离能力，所以它与C无关，而与机器的一些参量有关。这样，就要求：为常数，如设此常数为1，即得：,如果1/2，则+=-=,有：,上式即为分离功率与流量及浓缩系数的关系式。因为浓缩系数无量纲，所以分离功率的单位和流量相同，以克/秒或公斤/年表示。至于公斤/年可以 是公斤UF6/年，也可以是公斤铀/年。这取决于流量表示的是UF6还是金属铀的流量。,两种分离功率之间的关系是：1公斤UF6
13、/年 公斤铀/年0.676公斤铀/年,国际上一般用公斤铀/年作为分离功率的单位，写成KgSWU/年（SWU为Separative Work Unit的缩写）。说明：价值增率和分离功率的单位相同。,下面再讨论 的解。该式可以看成是价值函数的定义。不论价值函数与丰度的具体关系是什么，总有：,对上式两次积分可得：,其中K1、K2是两个积分常数,确定V(C)的具体形式主要有两种情况。1令,则 K1K20此时，价值函数具有最简单的形式：,此价值函数也称为基本价值函数。（曲线和列表）,2 假设如下条件：,其中，C0为天然丰度。由此可以求得：,.价值函数只取决于丰度C，和机器参量无关。2.分离功率表示机器分离同位素的能力，是机器重要的特征量，只和机器参量有关，和工作物质丰度无关。3.对一分离级来说，价值增率反映了同位素被分离的程度，其大小等于该分离级的分离功率。理想级联：价值增率级联的总分离功率 非理想级联：级联的总分离功率 价值增率,第二节 分离功率与价值函数的特点,Y函数的应用：,U=P V(C+)+WGV(C-)-FV(C),应用,一个核电站，发电能力为90万千瓦。若每年消耗3丰度的金属铀25吨，问至少需要总分离功率为多大的分离工厂来给它提供核燃料？（设分离工厂的CF0.00711，CW0.0025)。基本概念：1万千瓦的发电1吨分离功率,
