铀和铀浓缩及其方法综述

2013-04-15曾铁

湖南工业职业技术学院学报 2013年1期

关键词：浓缩铀离心机铀矿

曾铁

（上海市徐汇区社区学院，上海，200032）

引言

“铀”是原子弹和核反应堆等的核心材料，若干国家已能制造原子弹，军、民用核反应堆已遍及全球，核能发电越发成为能源或电力的主力。“铀浓缩”是高频出现的热词和科技术语，涉及朝鲜、伊朗等的新闻和关涉核辐射问题时常提到它。

本文围绕“铀”这一核心，依据物理学与科技史知识等，多角度地展示了有关信息，意在科学地传播、普及“铀知识”。

图1 第一颗实战原子弹

1、铀、铀矿与铀原子核裂变简述

1.1 铀是较重的元素，其名字源于天王星

1.1.1 铀是自然界稀有和较重的元素，化学符号是U，其名字源于天王星。金属铀呈银白色，密度是19．05g/cm3，和黄金差不多；铀的熔点是1133℃、沸点3930℃。它比铜软，具有很好的延展性。铀是锕系元素，高温下易氧化。通常，铀金属是在UF6（六氟化铀）中加入钙（Ca）和镁（Mg）于 1500℃下还原得到的。铀是很活泼的金属，与许多元素可直接化合，粉末状的铀易在空气里自燃。铀块表面，在室温下空气里会迅速形成黑色的氧化铀膜层。铀的主要用途有：核裂变材料、放射性同位素、染色剂与合金材料等。它的处理方式有：铀浓缩（铀纯化）、铀转化和铀的后处理[用物理、化学方法处理用过的核燃料，以提取核燃料钚（Pu）等] 。铀有三相：α相（立体面心晶格）、β相（立体体心晶格）和γ相；铀合金有α—U合金和γ—U合金两个系列。

自然界里铀有三种同位素的混合物存在，即U234、U235和U238，它们的化学性质相同，但核性质（物理性质）不同，三者的天然含量分别为0．01%，0．71%和99．28%；天然铀中U235和U238的含量比是1：139。铀有16种同位素、均有放射性，质量数在226至242之间，除上述三种外，其余都是人造同位素。自然界里U234不会发生核裂变，通常，U238也不会发生裂变，只有U235易发生核裂变，核燃料主要指U235。U235半衰期为7.038×108年，从U235开始，经过11次连续衰变，最后出现稳定的Pb207（铅207）。U238半衰期为4．468×109年，从U238开始，经过14次连续衰变，最后出现稳定的Pb206（铅206）。U238连续衰变中，子核半衰期最长的是U234，它的半衰期是2.45×105年。图1是第一颗实战原子弹“小男孩”（1945年8月，美国投向广岛的原子弹，它长3米、重4吨、使用了64千克高浓缩铀）照片。

1.1.2 1789年，德国化学家M．H．克拉普罗特发现铀的化合物；1841年，法国化学家制备、获得金属铀；1897年，法国物理学家A．H．贝克勒尔发现铀具放射性；1939年，德国物理学家O．哈恩等人发现在中子轰击下铀核发生裂变之现象；1940年，苏联物理学家弗廖罗夫等发现铀核还能自发裂变。U235发现者之一是美国物理学家A．尼尔。

1.2 铀矿信息一瞥

1.2.1 澳大利亚（铀储量占世界总量40%、居世界第一；铀产量居世界第三）、哈萨克斯坦（铀产量居世界第一）、加拿大（铀产量居世界第二）和巴西、加蓬、纳米比亚、刚果民主共和国、尼日尔、津巴布韦、圭亚那和格陵兰等国铀矿储量丰富。1954年秋，我国首次在广西发现铀矿（同年，毛泽东等人在中南海菊香书屋观看，并用盖革计算器探测一拳头大小的广西铀矿石标本），广西、湖南（衡阳）、辽宁（海城）、内蒙古是我国铀矿储量丰富之地（20世纪中叶，大批苏联地质专家来中国，帮助普查、勘探铀矿）。2010年，世界铀产量为53663吨，我国为827吨。2011年，印度南部发现了大铀矿区，铀矿蕴藏量近4.9万吨，该地铀矿总蕴藏量可能达15万吨，可望成为全球蕴藏量最大铀矿区。

2011年，中科院何祚庥院士说，我国是非富铀国家，据国际原子能机构发表的铀供应及需求量报告，2007年初利用现有技术和生产水平，全球约可获得550万吨铀。我国国土面积约占世界土地面积的6.5%。以此平均计算，大概有30万吨左右的铀。报告说全球还有1000万吨的潜在铀资源，如此再计算中国能掌握的铀资源未来约是100万吨的规模（国际原子能机构预测我国铀矿资源储量可观，铀储量为177万吨，是世界上铀资源潜力最大的国家之一）。2012年，我国在内蒙古中部大营地区发现、确认国内最大规模的可地浸砂岩型铀矿床，该地铀矿藏属超大型铀矿，其铀资源量跻身于世界级大矿行列。

按目前的裂变核能发展趋势，地球上陆基铀235的储量将与化石能源同时枯竭。现在，大多核反应堆属热中子反应堆，它以自然界含量极小的铀235为燃料，这种反应堆工作时只烧了很小一部分优质的燃料，即铀235。这类核反应堆工作时铀燃料只释放了其5%的能量，同时留下大量的核废料，其中有较多的易于生产核武器的钚239等。全球的铀资源越来越少后，接下来能用的或是品位较低的铀矿等。2011年1月4日，“铀”在纽约的交易价为每磅63.5美元，过去的两年，国际铀价上涨了约20%。

1.2.2 铀矿种类较多，凡含氧化铀的平均品位为0．22%者属富矿，有工业开采价值的品位一般在0．05%以上。铀的上述三种同位素存在于许多含铀矿物（沥青铀矿、钒钾铀矿、钙铀云母、晶质铀矿、水铀矿、水钠铀矿、水硅铀矿等）里，沥青铀矿中它们的总含量最多，铀也微量存在于海水里（含量为3．34mg/L），人体中铀的平均含量为1PPM（百万分之一）。铀常与其他金属如钍、钒、钼、铜、镍、铅、钴、锡等共生，硫化矿物、磷酸盐岩和煤等里也有铀。获得铀燃料的大致流程是：开采铀矿石—精选矿石—铀水冶厂制成铀的化学浓缩物（酸法或碱法浸出）—铀气体扩散厂处理（或其他方法）—铀精制厂处理—铀元件加工厂等。

图2 首座原子反应堆

1.3 1942年，美国物理学家E．费米领导建造的第一座原子反应堆

1.3.1 由于重水（一种含氘核物质，分子式为D2O，熔点是3.82℃，沸点为101.42℃ ,25℃ 时密度是1.10445g/cm3；H 2O中 D2O约占0.015%；）或石墨（碳核）对热中子的吸收系数极小，所以用重水或石墨为慢化剂的热中子反应堆，天然铀、金属铀等可直接做核燃料，但铀的利用率很小。1942年，美国物理学家E．费米在美国领导建造的第一座原子反应堆，燃料是氧化铀和金属铀，不是浓缩铀。该反应堆属热中子反应堆，石墨是慢化剂（减速剂）。图2即费米领导建造的人类首座原子反应堆的照片。

1.3.2 轻水（普通水）对热中子的吸收系数较大，用轻水做减速剂的轻水反应堆不能用天然铀做燃料，它需用浓缩铀，才能实现临界运转（快中子反应堆需用浓缩铀做燃料）。现在较普遍的压水堆[用普通的水做慢化剂和冷却剂；为使核反应堆内温度很高的冷却水保持液态，该反应堆在高压（水压约为15.5 MPa）下运行，所以叫压水堆] 常用浓缩氧化铀（U235含量在3%以上）为燃料，氧化铀介于二氧化铀及九氧化四铀之间，以二氧化铀为主。二氧化铀是剧毒的黑色晶体，有放射性、能自燃，近3000℃时溶解，主要用于装填核燃料棒。氧化铀能耐高温，但导热性不好，这是它做核燃料的缺点。氧化铀陶瓷是核反应堆燃料之一，这是以二氧化铀为主成分的陶瓷，其熔点达2800℃，对水的抗腐蚀性好，与包壳材料有良好的相容性。压水堆里氧化铀棒密封在优质的锆合金包壳内，以防氧化铀的腐蚀和裂变产物漏入冷却剂之中（我国包头有核燃料棒厂）。用铀做核燃料，为提高铀的尺寸稳定性，实用中常有意加入不同元素制成铀合金，如铀钼合金、铀铁合金、铀铷合金、铀锆合金、铀铬合金等。

1.3.3 核反应堆使用的燃料也有液态的，液体金属快中子反应堆或石墨慢化热中子反应堆就如此。液体金属核燃料即燃料溶解或弥散在液体金属里的核燃料，溶剂金属要求熔点低、热中子吸收截面（吸收系数）小等。铀与钍溶解在液态金属铋中可形成铀铋合金、铋钍合金和铋钚合金等，二氧化铀、铀的金属化合物、氟化物、碳化物等作为弥散材料，弥散在液态钾化钠或铋里可形成弥散型液态金属燃料等。

1.4 U235、U238裂变的一些特点

1.4.1 U235、U233和Pu 239是主要的核裂变物质，可直接做核燃料，它们能大量获得、并易吸收慢中子（能量小于1eV）并发生裂变，U234、U238则不行。U235存在于天然铀中，U233和Pu239要靠铀核反应堆生产。U235、U233和Pu239，任何能量的中子均可使它们分裂、释放能量；对U235来说，速度越慢的中子越易引起裂变。U238吸收一个中子，也可转变为裂变物质。U235和U238都能自发裂变，但后者自发裂变的几率很小。研究表明，U235吸收慢中子后，有40多种裂变方式，至少能生产36种元素的300多种核素和快中子（平均2．5个），并释放巨大能量。铀核裂变生成物除中子外，通常有两种（两分裂）裂变物，还有三种（三分裂）和四种裂变物（1946年，我国物理学家钱三强等在法国发现），“三分裂”几率极小。除中子外，铀核“两分裂”的碎块有许多组合方式，碎块质量比大致为3：2的发生几率最大，碎块质量相同的机会极小；铀“三分裂”，其中一块是α粒子，“三分裂”发生的几率是“二分裂”的3/1000。统计表明，U235裂变发射的中子能量（动能）在0．1—20MeV范围，平均为2MeV。仅有快中子不能使天然铀产生持续的裂变链式反应，慢中子也不能使U238发生裂变，持续的裂变反应在U238中不可能发生。U235和Pu240等，除中子可引发其核裂变外，具有足够能量的带电粒子或γ射线等也能引发裂变。此外，铀对约25eV的中子还会产生俘获共振，即俘获而不裂变。

U235结合能小，核裂变势垒较低，任何能量的中子都能使它裂变，且对慢中子（中子速率为2．2×103m/s，与常温下气体分子运动速率相当。这样，它在铀核附近的时间相对较长，容易击中铀核使之裂变）有很大的裂变截面（裂变几率大）。U235吸收一个慢中子，通常先形成激发态的U236（复核），然后裂变成两块，同时释放中子和能量等。热中子（慢中子的一种）反应堆里，U235热中子裂变截面比U238的热中子裂变截面要大200倍，这样，就会有足够数量的中子引起U235核裂变，这可弥补天然铀或浓缩铀中U235含量较少之弱点；这种反应堆工作时，铀的利用率为1%—2%。

1.4.2 U238（Pu240、Th232）裂变是有阀的，小于 1．1MeV的中子会被其吸收或散射，不能引发裂变；较大能量的中子才能使它们裂变，但可能性又极小。U238结合能较大，裂变势垒较高，能量超过1．4MeV的快中子才能使它裂变，释放的中子能量较大。研究显示，U238在几MeV以上有很多共振吸收峰，其裂变几率随中子能量增大而增大。U238[钍232（Th232）] 不易产生裂变，但吸收中子后能变成Pu239和U233等较好的核裂变物质。热中子被U238俘获的几率是热中子使U235裂变几率的1/190左右。快中子同U238核的主要作用是非弹性碰撞，大部分中子都是通过非弹性碰撞降低能量，再在多次碰撞中被U238核吸收。顺便一说，贫铀弹即利用贫铀合金制造的一种高效燃烧穿甲弹，它借助贫铀材料密度大（铅密度的2倍）、强度大（钢强度的3倍）和穿透力强，且易燃烧的特点制作而成，贫铀合金含U238、U235等，贫铀弹爆炸后残留的U235等能损害肾脏、神经系统，可导致肺癌等。密度、硬度较大的贫铀合金，还可制作防辐射材料等。

2 铀浓缩

2.1 铀材料里U235的含量高于0．7%即浓缩铀

2.1.1 铀是重要的核燃料和原子弹核心材料，现在使用的铀材料都需提炼、浓缩，使之达到一定的纯度。比如，制造一颗原子弹至少需20—50千克的高浓缩铀（也可用钚造原子弹），其浓缩纯度应达到90%以上。

图3 我国第一颗原子弹的模型

铀矿石里U235的含量很低，绝大部分是U238，铀矿石不能象煤块那样直接做燃料，它类似于大部分是泥沙的煤饼，没法燃烧。某元素同位素的丰度（一元素的同位素混合物里，某同位素的原子数和总的原子数之比）可通过工艺处理使之增大，以获得该元素浓缩的某种同位素，如U235。U235、U238物理性质稍有不同，主要是相对质量不同，这导致它们形成的化合物微粒质量会有点差异。利用铀天然同位素原子量不同进行分离，可使铀材料中U235对U238的比值较天然铀高，从而获得裂变材料——浓缩铀。“浓缩”主指提高某元素特定同位素丰度的同位素分离过程，如由天然铀生产浓缩铀或由普通水生产重水等。

浓缩铀同位素目的即提高铀235相对于铀238等的相对丰度(浓度)，使天然铀中U235的相对含量高于0．7%的铀，即浓缩铀，铀燃料中U235的含量达到3%以上才有可能持续“燃烧”；浓缩铀有：3%、3.5%、20%浓缩铀等品种。许多核反应堆和核武器中所用的铀，必须对其浓缩，即须提高易核裂变的U235浓度，然后将其制成燃料。大多核电厂核反应堆用的铀燃料U235浓度约在3%左右、不超过5%核武器里的铀材料U235浓度需在90%以上；核舰船所用的铀燃料为20%或更低浓度的铀。国际原子能机构界定：U2 3 5丰度为3%的铀材料属核电站用低浓缩铀（工业级核燃料），常是铀盐或氧化铀；丰度大于80%的铀材料为高浓缩铀，丰度大于90%的则是武器级（军用）高浓缩铀，主要用于制造核武器；另一种划分是：高浓缩铀（丰度在20%以上），低浓缩铀（2%-20%，商用浓缩铀）、微浓缩铀（0.9%-2%）和武器级浓缩铀（90%以上）。铀浓缩浓度达到20%是一节点与难关，由此再提高铀浓缩度则是一相对容易实现的过程。图3是我国第一颗原子弹的模型（1964年10月16日，我国第一枚原子弹爆炸，成为世上第5个拥有核武器的国家；这颗原子弹重3吨，采用浓缩铀，代号“596”、绰号为“邱小姐”；为成功爆炸这枚原子弹，我国花费了28亿人民币）。

2.1.2 获得铀材料需经过一系列复杂的工艺，要经过探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼等流程，分离、浓缩是主要和较难的流程，科技含量高。铀矿石经碾磨、分选后得到的较纯净铀矿产品，即铀精矿，又叫“黄饼”，主成分是八氧化三铀和重铀酸钠、重铀酸铵，它是核燃料生产过程中的一种中间产品。通常，获得1千克武器级U235需要200多吨较高品位的铀矿石。

不论是和平利用核能，还是制造核能武器，浓缩铀都是必需的。至2006年11月，世界上运行或在建的470座商业核电反应堆大多是以浓缩铀为燃料；到2010年，全球至少已有1600吨高浓缩铀（还有500吨钚），我国是世界上第四个（美、英、苏后）独立掌握浓缩铀生产技术的国家；20世纪60年代前期，我国先后建立了衡阳铀水冶厂和兰州气体扩散厂，获得了浓缩铀（1 9 5 8年5月，兰州始建我国首座铀浓缩生产企业，它先后为我国的第一颗原子弹、第一颗氢弹、第一艘核潜艇和第一座核电站，提供了优质核燃料）。2011年年，哈佛大学肯尼迪学院下属贝尔福尔中心的研究报告说，中国拥有军用级铀16吨、钚1.8吨。兰州核工厂从20世纪50年代开始一直运转，该厂是重要的军用级铀生产厂（甘肃酒泉核能基地和四川广元钚反应堆等，是我国生产军用级钚的基地）。

2.2 铀浓缩技术是国际社会严禁扩散的敏感技术

因涉及核武器问题，铀浓缩技术一直是国际社会严禁扩散的敏感技术，国际原子能机构与联合国希望能控制各国铀浓缩活动。中国台湾曾有核计划。1985年起，罗马尼亚秘密的从事武器级浓缩铀提炼工作；1991年，罗马尼亚政府同样将其核设备、核研究置于国际原子能机构监管之下；2003年，美国、俄罗斯将其十几千克、浓度达80%的浓缩铀运到俄罗斯予以处理。利比亚违反国际承诺，秘密获得铀浓缩技术以发展核武器，2003年“伊拉克战争”后，该国向西方妥协将有关设备、图纸交给了美国、英国。

除几个核大国外，日本、德国、印度、以色列、巴基斯坦、阿根廷、朝鲜（2011年1月，联合国安理会“对朝制裁委员会”专家组拟订了《朝鲜铀浓缩计划报告》，以期防止核扩散、核竞赛升级）、伊朗（2011年6月12日，伊朗常驻国际原子能机构代表苏丹尼耶在第二届核裁军国际会议期间对新华社记者说，伊朗已生产出逾50公斤纯度为20%的浓缩铀，伊朗的目标是有120公斤这种核材料）等国都掌握了铀浓缩技术。

图4 我国广东大亚湾核电站

3 铀浓缩的几种方法

3.1 概述

提纯、浓缩铀235的技术较复杂，某元素的各种同位素，如同“孪生姐妹”，物理性质与化学性质十分相似。利用同位素在物理、化学性质上的微小差异，通过扩散、蒸发或化学交换等方法与过程，可使某元素同位素的比例发生变化。用同位素分离法处理天然铀，可增加铀U235的浓度，使天然铀里U235的相对含量高于0.7%，进而获得供多种需要的不同浓度的铀材料。工业规模分离铀同位素的技术（适用于提高U235浓度）有

气体扩散法、气体离心法、离子交换法以及蒸馏法、电解法、电流法、液体热扩散法、电磁分离法和激光分离法等。这些浓缩方法，工艺过程都复杂，投资大、耗能高、且产量低，即生产铀燃料成本较大。右上角两图是我国广东大亚湾核电站（大陆最早的核电站）的照片。

3.2 气体扩散法与气体离心法

对化学处理后的天然铀（如UF6气体等），一般采用气体扩散法或离心法分离、获得更多的U235。现在，铀浓缩大多都用这两种方法。气体扩散法需庞大的设施，耗能巨大。让相关机器工作一年，只能提取只够制造一枚核武器的高浓缩铀，所以它不常用；用气体离心法获得高浓缩铀，即把气体铀化合物放入高速旋转的离心分离器中，较重的U238将被推到外侧，较轻的U235将留在中心部位，进而获得所需要的浓缩的U235。气体离心法比气体扩散法能获取更多的高浓缩铀，且费用较低，但需有高难度的技术。这两种方法都能使U235形成的化合物得以富集，再从富集化合物中就可提取铀单质，这样U235含量会比铀矿里U235高很多，从而获得浓缩铀。现在，只有气体扩散法和气体离心法达到了商业成熟程度，特别是后者，所以广泛被采用。

3.2.1 气体扩散法

这是最早、最成熟的浓缩方法，也是商业开发的第一种浓缩方法，它据分子渗透、扩散原理，利用不同质量的铀同位素转化为气态时运动速率有点差异进行分离。UF6是一种剧毒、腐蚀性强和有放射性的白色晶体，加热后升华为气体。由于U238、U235的质量数不同，所以UF6气体中二者的分子质量也不同，UF6里U235的质量数是349、U238的质量数是352。当高压UF6混合气体（铀同位素的混合气体）透过级联安装的多孔薄膜时，UF6中U235轻分子气体会比UF6中U238重分子的气体更快地通过多孔膜。通过膜管的气体立即被泵送到下一级，留在膜管中的气体则返回到较低级再循环。在每一个气体扩散级中U235与U238浓度比仅略有增加，如此分离、浓缩到工业级铀235浓度则需1000级以上。

该技术的核心是多孔扩散分离膜（苏联曾叫它是“社会主义阵营安全的心脏”），我国于1964年研制出优质的分离膜元件（时称甲种分离膜，该技术获1984年国家发明一等奖）。分离膜是每平方分米有数百万个超微细孔的多孔薄金属板或薄膜，将这些薄膜（板）卷成管子并装在密封的扩散器里，当UF6气体加压送到由这些管子组成的级联装置中，混合气体便会逐渐被分离，含U235多的浓缩UF6气体沿着级联装置向前流动，含U238多的稀薄UF6气体则因流动滞后而落下、分流了。该方法扩散、浓缩过程需要几千个连续的级联装置，连续扩散可将UF6混合气体里含U238的分子与含U235的分子分离，再用化学方法处理已浓缩的UF6U235气体分子，进而获得U235。这种方法铀浓缩的效率不高、能耗大。

3.2.2 气体离心法

1919年，德国科学家G．瑞皮完成了气体离心机的基本设计。铀浓缩离心机概念和应用则是20世纪30—40年代由美囯弗吉尼亚大学的高速离心机专家J．W．伯莫斯提出的。1934年，伯莫斯成功地分离了两种氯同位素；1941年，他和同事利用离心机首次成功地分离了铀同位素。分离共设计了3种离心机，其工作曾引起美国当时正实施的“曼哈顿计划”（研制原子弹的计划）领导人的注意，但美国最终选择了气体扩散法。气体离心法也适用于处理铀的混合液体或铀蒸汽，它使用独特设计的离心机使气体或液体能不间断地在各个离心机中流动，可连续运转加工铀气流或铀液体流。

图5 气体离心机工作示意

时下，浓缩铀常用这种机械式分离法，真空高速离心机是关键设备，国际上常把有无该设备作为判断一个国家是否进行核武器研究的标志。与气体扩散法相比，气体离心法工效较高、所需电能要少很多，所以该法已被大多的浓缩铀工厂采用。U235、U238原子量不同，密度有微量差别。利用高速旋转产生的惯性离心力，可将较重的U238“甩”到一端，这道理与洗衣机的甩干桶差不多。图5是气体离心机的工作示意图，将高压UF6气体注入高速转动的封闭式离心机里，由于质量存在差异，长时间旋转依靠惯性离心力，较轻的UF6中U235分子大多集中在容器转轴处，较重的UF6U238分子则大多结集在边缘。若沿轴向从外部导入气流，并使转轴处的这股气体向上流动，边缘处外部导入的气体向下流动。如此，离心机下方收集的是较重的UF6U238气体，上方则是需要的、较轻的UF6U235气体。在近轴处富集的UF6U235气体被导出，再输送到下一台离心机继续分离——逐渐累积、纯化、浓缩。随着较轻的UF6U235气体穿过一系列高速离心机，其U235同位素分子富集度会越来越大。最后，利用化学法处理已收集的、较轻的UF6U235气体，就可获得工业或军用级浓缩铀。

通常，气体离心机厂需要几千台高速真空离心机连续、长期地工作才能得到武器级浓缩铀等（2010年下半年，因外界攻击，伊朗纳坦兹铀浓缩工厂至少有1/5的离心机因感染“震网”病毒被迫关闭；2011年2月末，国际原子能机构的报告说，该厂现有低纯度浓缩铀约3600公斤）。上图是美国一家铀浓缩工厂中的离心机机群。

3.3 其他几种方法

图6 美国一家铀浓缩工厂中的离心机机群

3.3.1 激光分离法

气体离心法浓缩成本较高、效率也不理想，先进的浓缩法是激光分离法。利用激光浓缩铀，能降低生产成本。其原理基于激光有极好的单色性和原子核的同位素光谱位移等。各同位素原子核的中子数不同，它们的能级会发生同位素位移，发出的辐波长会有小差异。激光的单色性好，这样能做到用和某同位素原子核的辐射波长相同的激光去激发其中的某种原子，而不会把其他同位素原子一起激发，即用激光可单独地把同位素原子团中的某同位素原子先电离；再用电场将电离的原子从同位素混合物中单独“拉”出来，将这些原子激发到高能级；最后利用高能级的原子和基态的原子参加化学反应的活力不同，通过化学反应法便可把它分离，聚集后就获得了所需的同位素原子。

激光分离法浓缩铀235，比其他方法优越，设备可大大简化，成本可大大降低。据估计，该法生产投资约是气体扩散法的1/2，生产过程耗能只有气体扩散法的1/10左右。所以，多个国家已重视开发这种铀燃料生产技术。1977年美国开始研究用激光提纯浓缩铀，并证实此法的可行性等；1982年美国能源部确定，今后美国使用激光分离法生产铀燃料。此法利用U238、U235形成的化合物化学键的键能不同，利用激光单一频率的性质可有选择的使一种铀化合物的化学键断裂达到分离效果。激光分离技术现有激光原子法和激分子法：

1）原子法浓缩用的原料是提炼铀矿后的铀块，再把铀块加热到高温，形成铀原子蒸气，铀蒸气里含有U234、U235、U238原子。然后用可见光波段的激光（如用铜蒸气激光泵浦的染料激光器）照射铀原子蒸气，调谐激光器的输出波长，让它落在铀235的原子吸收谱线中心，使U235原子电离，但不激发或电离U238原子等。然后，利用电场对通过收集板的U235原子扫描、分离，如此U235原子就从铀同位素混合气体里中分出来了。这种技术较成熟，已处于生产应用阶段。

2）分子法浓缩法则依靠铀同位素吸收光谱上存在差异，它用的原料是铀的分子化合物（如UF6），先用中红外波段的激光（如波长16微米的激光）照射UF6混合气体分子，激光波长正好是让U235化合物分子电离，U235分子吸收了这些光子，能态会提高；再用紫外线激光器分解UF6混合气体分子，便可从中分离出U235，最后让含U235化合物通过分解反应，就可得到U235。理论上它能生产出很纯的U235等，但此法还未达到生产阶段；从发展潜力看，分子法则比原子法优越。分子法浓缩用的原料是铀的分子化合物，原料来源较丰富，且分离过程不需加热；原子法浓缩则需加热到2000多℃，高温铀蒸气有很强的腐蚀性。相对而言，分子激光法生产设备较简单，成本较低。分子激光法只能用于浓缩UF6，不适于纯化、浓缩金属钚（制造原子弹等更好的核材料）的化合物；原子激光法既能浓缩金属铀，也能浓缩金属钚。可见，分子激光法比原子激光法在防核扩散方面会有利一些。

3.3.2 气体动力学法

该技术将UF6气体与氢或氦的混合气体经过压缩高速通过一个喷嘴，然后穿过一个特定的曲面，这样便可获得从铀的混合气体中分离U235同位素的离心力。气体动力学分离法为实现浓缩纯度所需的级联比气体扩散法少，但它需大量的电能。UF6与氢的混合气体在离心机中的涡流板上高速离心旋转后，UF6气体浓缩流和UF6气体贫化流分别由两条管道流出；处理收集的已经多次分离的UF6气体浓缩流，最后可得到浓缩铀。

3.3.3 电磁分离法

铀同位素电磁分离浓缩技术，基于电离的原子在磁场作圆周运动时，质量不同的离子因旋转半径不同而被分离。它是使铀同位素原子离子同时穿过电磁体的磁场，由于U235圆周运动半径与U238不同而被分离。这是20世纪40年代初使用的技术，伊拉克20世纪80年代的实验研究表明，该技术与当代电子学结合能生产武器级铀材料。

3.3.4 离子交换法

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。该方法有两种工艺过程：液——液化学交换过程和固——液离子交换过程，后者须用直径大于1米离子交换柱，这是一耐腐蚀、耐高压的圆筒状柱。1964年10月，我国爆炸的第一颗原子弹就是用此法浓缩的铀235制造而成的。当时，以放射化学家杨承宗（1951年6月，他获得巴黎大学理学院博士学位，其答辩通过的博士论文就是《离子交换法分离放射性元素的研究》）为首的我国科研人员，在通州“五所”（铀浓缩研究所）利用离子交换法纯化处理了上百吨各种土法冶炼生产的重铀酸铵，他们使用的离子交换柱直径有2、7米、高达6米。经过两年多的奋战，他们生产出了2．5吨符合原子弹原料要求的纯铀化合物，提前3个月为我国成功试爆原子弹提供了核心物质。

[1] 中共中央党史研究室.中国共产党历史（第二卷）下册[M] .北京:中共党史出版社，2010

[2] 《化学发展简史》编写组.化学发展简史[M] .北京：科学出版社，1980.

[3] 莱·格罗夫斯.现在可以说了[M] .北京：原子能出版社，1978.

[4] 理·罗兹.原子弹问世记[M] .北京：世界知识出版社，1990.

[5] 储召生.“不拔尖人才”同样需要培养利用好[N] .中国教育报，2010—9—16（8）.

[6] 李伦娥.“南华核”是怎样绝处逢生的?[N] .中国教育报，2010—10—25（6）.

[7] 林尔康.中山自然科学大辞典（第四册）[M] .台湾：台湾商务印书馆，1973.

[8] 郑昌琼.简明材料词典[M] .北京:科学出版社，2002.

[9] 吴学周.中国大百科全书·环境科学[M] .北京：中国大百科全书出版社，1983.

[10] 许奇敏.未来核电站安全“不挑食”[N] .文汇报，2011—1—26（1）.

[11] Art.Hobson，PHYSICS：CONCEPTSAND CONNECYIONS[M] ，Prentice—Hall，Inc．1999

[12] 新视野.越南拟在20年内建设8座核电站 [EB/OL] .云南卫视，2010年 8月 5日，http://news.sohu.com/20100805/n274007083.shtm l.