鈾濃縮，Uranium Enrichment?！皾饪s”術(shù)語的使用涉及旨在提高某一元素特定同位素豐度的同位素分離過程，例如從天然鈾生產(chǎn)濃縮鈾或從普通水生產(chǎn)重水。濃縮設(shè)施分離鈾同位素的目的是提高鈾-235相對(duì)于鈾-238的相對(duì)豐度或濃度。這種設(shè)施的能力用分離功單位衡量。

根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的定義，豐度為3%的鈾-235為核電站發(fā)電用低濃縮鈾，鈾-235豐度大于80%的鈾為高濃縮鈾，其中豐度大于90%的稱為武器級(jí)高濃縮鈾，主要用于制造核武器。

鈾是存在于自然界中的一種稀有化學(xué)元素，具有放射性。在天然礦石中鈾的三種同位素共生，其中鈾-235的含量非常低，只有約0.7%。為滿足核武器和核動(dòng)力的需求，一些國(guó)家建造了鈾濃縮廠，以天然鈾礦作原料，運(yùn)用同位素分離法（擴(kuò)散法、離心法和激光法等）使天然鈾的三種同位素分離，以提高鈾-235的豐度，提煉濃縮鈾。

氣體擴(kuò)散法

氣體擴(kuò)散法是先把黃餅轉(zhuǎn)化為六氟化鈾氣體，鈾235分子氣體比鈾238分子氣體質(zhì)量輕，能夠更快地通過擴(kuò)散膜，從而達(dá)到分離的效果。每通過一次擴(kuò)散膜，鈾235與鈾238的濃度比略有增加，因此需要設(shè)置多級(jí)擴(kuò)散膜，已通過擴(kuò)散膜的氣體隨后被泵送到下一級(jí)，而留在擴(kuò)散膜中的氣體則返回到較低級(jí)進(jìn)行再循環(huán)。要達(dá)到核電廠反應(yīng)堆的使用要求，鈾235的豐度需要1000級(jí)以上。制造第一顆原子彈用的核材料就是用這種方法制造出來的。氣體擴(kuò)散法的缺點(diǎn)是分離系數(shù)小，工廠規(guī)模大，耗電量和成本很高。氣體擴(kuò)散技術(shù)已迄今64年，使用此技術(shù)的工廠陸續(xù)退出歷史舞臺(tái)。

氣體離心法

氣體離心法——在這類工藝中，六氟化鈾氣體被壓縮通過一系列高速旋轉(zhuǎn)的圓筒，或離心機(jī)。鈾-238同位素重分子氣體比鈾-235輕分子氣體更容易在圓筒的近壁處得到富集。在近軸處富集的氣體被導(dǎo)出，并輸送到另一臺(tái)離心機(jī)進(jìn)一步分離。隨著氣體穿過一系列離心機(jī)，其鈾-235同位素分子被逐漸富集。與氣體擴(kuò)散法相比，氣體離心法所需的電能要小很多，因此該法已被大多數(shù)新濃縮廠所采用。

氣體動(dòng)力學(xué)分離法

所謂貝克爾技術(shù)是將六氟化鈾氣體與氫或氦的混合氣體經(jīng)過壓縮高速通過一個(gè)噴嘴，然后穿過一個(gè)曲面，這樣便形成了可以從鈾-238中分離鈾-235同位素的離心力。氣體動(dòng)力學(xué)分離法為實(shí)現(xiàn)濃縮比度所需的級(jí)聯(lián)雖然比氣體擴(kuò)散法要少，但該法仍需要大量電能，因此一般被認(rèn)為在經(jīng)濟(jì)上不具競(jìng)爭(zhēng)力。在一個(gè)與貝克爾法明顯不同的氣體動(dòng)力學(xué)工藝中，六氟化鈾與氫的混合氣體在一個(gè)固定壁離心機(jī)中的渦流板上進(jìn)行離心旋轉(zhuǎn)。濃縮流和貧化流分別從布置上有些類似于轉(zhuǎn)筒式離心機(jī)的管式離心機(jī)的兩端流出。南非一個(gè)能力為25萬分離功單位的鈾-235最高豐度為5%的工業(yè)規(guī)模的氣體動(dòng)力學(xué)分離廠已運(yùn)行了近10年，但也由于耗電過大，而在1995年關(guān)閉。

激光濃縮法

激光濃縮技術(shù)包括3級(jí)工藝：激發(fā)、電離和分離。有2種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這種濃縮，即“原子激光法”和“分子激光法”。原子激光法是將金屬鈾蒸發(fā)，然后以一定的波長(zhǎng)應(yīng)用激光束將鈾-235原子激發(fā)到一個(gè)特定的激發(fā)態(tài)或電離態(tài)，但不能激發(fā)或電離鈾-238原子。然后，電場(chǎng)對(duì)通向收集板的鈾-235原子進(jìn)行掃描。分子激光法也是依靠鈾同位素在吸收光譜上存在的差異，并首先用紅外線激光照射六氟化鈾氣體分子。鈾-235原子吸收這種光譜，從而導(dǎo)致原子能態(tài)的提高。然后再利用紫外線激光器分解這些分子，并分離出鈾-235。該法似乎有可能生產(chǎn)出非常純的鈾-235和鈾-238，但總體生產(chǎn)率和復(fù)合率仍有待證明。在此應(yīng)當(dāng)指出的是，分子激光法只能用于濃縮六氟化鈾，但不適于“凈化”高燃耗金屬钚，而既能濃縮金屬鈾也能濃縮金屬钚的原子激光法原則上也能“凈化”高燃耗金屬钚。因此，分子激光法比原子激光法在防擴(kuò)散方面會(huì)更有利一些。

同位素電磁分離法

同位素電磁分離濃縮工藝是基于帶電原子在磁場(chǎng)作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)其質(zhì)量不同的離子由于旋轉(zhuǎn)半徑不同而被分離的方法。通過形成低能離子的強(qiáng)電流束并使這些低能離子在穿過巨大的電磁體時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)同位素電磁分離。輕同位素由于其圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與重同位素不同而被分離出來。這是在20世紀(jì)40年代初期使用的一項(xiàng)老技術(shù)。正如伊拉克在20世紀(jì)80年代曾嘗試的那樣，該技術(shù)與當(dāng)代電子學(xué)結(jié)合能夠用于生產(chǎn)武器級(jí)材料。

化學(xué)分離法

這種濃縮形式開拓了這樣的工藝，即這些同位素離子由于其質(zhì)量不同，它們將以不同的速率穿過化學(xué)“膜”。有2種方法可以實(shí)現(xiàn)這種分離：一是由法國(guó)開發(fā)的溶劑萃取法，二是日本采用的離子交換法。法國(guó)的工藝是將萃取塔中2種不互溶的液體混和，由此產(chǎn)生類似于搖晃1瓶油水混合液的結(jié)果。日本的離子交換工藝則需要使用一種水溶液和一種精細(xì)粉狀樹脂來實(shí)現(xiàn)樹脂對(duì)溶液的緩慢過濾。

等離子體分離法

在該法中，利用離子回旋共振原理有選擇性地激發(fā)鈾-235和鈾-238離子中等離子體鈾-235同位素的能量。當(dāng)?shù)入x子體通過一個(gè)由密式分隔的平行板組成的收集器時(shí)，具有大軌道的鈾-235離子會(huì)更多地沉積在平行板上，而其余的鈾-235等離子體貧化離子則積聚在收集器的端板上。已知擁有實(shí)際的等離子體實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的國(guó)家只有美國(guó)和法國(guó)。美國(guó)已于1982年放棄了這項(xiàng)開發(fā)計(jì)劃。法國(guó)雖然在1990年前后停止了有關(guān)項(xiàng)目，但它目前仍將該項(xiàng)目用于穩(wěn)定同位素分離。

迄今為止，只有氣體擴(kuò)散法和氣體離心法達(dá)到了商業(yè)成熟程度。所有這7項(xiàng)技術(shù)均在不同程度上具有擴(kuò)散敏感性，因?yàn)樗鼈兌寄軌蛟谝豁?xiàng)秘密計(jì)劃中不惜代價(jià)地被用于從天然鈾或低濃鈾生產(chǎn)高濃鈾。但是，由于這些技術(shù)的特征不同，因而將影響到其被探知的可能性。