铀浓缩是使裂变材料同位素[]铀-235[相对于更丰富的铀-238[],这一步骤对于生产商业核反应堆和核武器燃料至关重要,在历史上,这一步骤是工业规模最早的浓缩技术中,有[气体扩散,这种方法界定了近半个世纪的核时代,虽然现在已基本过时,但其发展标志着物理学和工程学的转折点,其衰退为技术演变、经济学和资源管理提供了宝贵的教训。

气体扩散背后的物理

气体扩散利用了一种被称为的动力气体理论基本原则:在一定温度下,气体电荷(通过多孔屏障)与其分子质量的平方根成反比的速度,当应用于铀时,该元素首先转化为气体化合物-六氟化铀(]UF6]),含有较轻的235U同位素(分子重量~349)的分子移动略快于238U(~352]]]。

在单一扩散阶段,气体在压力下通过带有显微孔的膜。较轻的分子以略高的速度穿过,每个阶段的微积聚度约为 0.2% 。要达到大多数轻水动力反应堆所需的3-5% 235]U浓度,或武器级材料所需的>80%,这一过程必须在分级分级中重复数千次。每个阶段的产出都为下一个阶段提供,而耗尽的分级(浓缩少于自然部分)则被回收或丢弃。

障碍和膜

任何气体扩散厂的核心都是其多孔的屏障,早期的屏障是由镍或钢铁材料制成,后来改进为薄壁的镍或氧化铝管,孔孔口必须非常小,顺序为0.01至0.1微米[,允许分子充电,同时在压力下保持结构完整性,屏障性能直接影响到浓缩系数和能源消耗,几十年来,工程师们发展出防腐蚀性更强的屏障,使工厂的吞吐量增加。

压缩和冷却

气体必须压缩才能通过障碍物,然后冷却以去除压缩的热量。这让气体扩散极富能量[。 大型压缩机通常由专用电站供电,消耗了大量的电力。最大的扩散厂需要与中等规模的城市一样多的电力。例如,肯塔基州的帕杜卡GDP在峰值运行时绘制为3,000兆瓦。

历史发展:从实验室到工业规模

曼哈顿计划(1942-1945)

由于二战期间迫切需要高浓缩铀,气体扩散迅速扩大,科学家和工程师在田纳西州橡树岭建造了K-25工厂,当时是世界上按面积划分最大的建筑——400多万平方米,该工厂于1945年开始作业,利用扩散和热扩散方法生产浓缩到约80%的铀235U。

与此同时,S-50液体热扩散提供了部分浓缩饲料,但证明是效率低下的。 到1946年,K-25已经成为世界主要的浓缩铀来源,为冷战核武库铺平了道路。

战后扩张

二战结束后,美国又新建了两座大型气体扩散厂:[]肯塔基州帕杜卡(1952年开始)和俄亥俄州波特斯茅斯(1954年投入使用),这三座设施与橡树岭的K-25一起,成为美国浓缩企业数十年的骨干. 苏联,英国,法国,中国也建造了类似的工厂. 到20世纪60年代,气体扩散基本上为世界核方案提供了全部浓缩铀.

技术进步

不断改进延长了扩散植物的寿命。

  • Nickel ⁇ 基于屏障合金,使用寿命较长,腐蚀率较低.
  • 高效轴流压缩机,可降低每个阶段的能耗.
  • 计算机优化级联[,尽量减少循环流,提高整体分离效率。
  • 改进的UF6处理技术,减少渗漏和安全风险。

这些升级使工厂能够以更高的可用性和较低的运行成本运行,但基础物理学限制了进一步的效率提高。 到20世纪80年代,扩散的能源成本大约是各自分离工作单位[SWU] 的两倍。

气体扩散的下降

经济压力

气态扩散下降的主要动力是经济学。 离心厂只消耗了同样浓缩产出的传播所需的电量的2-5 % 。 随着1970年代石油和电力价格上涨,扩散变得日益缺乏竞争力。 建造新的离心机级联的成本也下降,而扩大现有的扩散厂需要巨大的建筑、障碍物和压缩机投入巨大的资本。

环境和安全考虑

大型扩散工厂留下了巨大的环境足迹,大量的UF[6 ]气体如果释放,可形成腐蚀性氟化氢和铀酰氟,退役的老工厂涉及处理受污染的屏障、管道和建筑材料,仅K-25工厂就需要几十年的补救,花费数十亿美元,而离心机则使用较少的UF6 库存,每台SWU产生的废物较少。

工厂关闭

冷战结束和核工业的巩固加速了关闭. K-25工厂于1985年关闭. Portsmouth GDP于2001年关闭. Paducah仍然是美国最后一个运行中的扩散厂,为核海军和一些民用反应堆生产浓缩铀,直到永久关闭在2013年[. 俄法扩散厂也于2010年代初停止运营. 今天,世界上任何地方都没有商业气体扩散厂仍在运行.

现代浓缩方法

气体离心技术

当今的主要技术是气体离心机. 在离心机中,UF6气体在转子中高速(万rpm)倾斜,离心力使离心力更重238U]U在墙附近集中,而更轻的235U向中心迁移,单离心机使分离系数比扩散级大许多倍,允许级级级远小得多、能量使用远低。

现代离心机厂,如英国、荷兰、德国和美国的URENCO[设施,以及俄罗斯的 Rosatom工厂,每年生产数百吨低浓缩铀。 最新的离心机设计可以为先进的反应堆达到20%的浓缩水平(高水平低浓缩铀 )。

激光浓缩

一种最新但商业上不成熟的技术是激光同位素分离. SILEX(激光激流分离异位素)过程使用调制激光光有选择地激发[235铀原子的原子,然后收集兴奋的物种,它保证能量使用率更低,植物足迹更小,但面临技术和经济障碍. GLE(GLE)在美国寻求许可证,但全面部署仍不确定。

比较表

注:没有表格元素,便无法用HTML进行简单的比较;相反,我们在结构化的段落列表中列出关键度量衡.

  • < 强> 能源消耗: 扩散~2500千瓦时/ SWU; 离心~50千瓦时/ SWU; 激光 < 50千瓦时/ SWU(预测).
  • 剑桥大小: 扩散需要1000-2000级;离心10-20级;激光可能更少.
  • 资本成本: 分散式工厂为大型设施花费数十亿美元;离心式工厂是模块化的,每SWU更便宜.
  • 操作灵活性:离心器可以快速启动/停止;扩散厂需要恒功率全功率.

气扩散的升降教训

气态扩散的历史是最初技术优势如何让更高效的替代物产生效果的典型例子。 几十年来,对障碍、压缩机和基础设施的巨大投资使扩散厂“太大到不能失败 ” , 但最终野蛮的“强力能源”方法让位于效率更高的机械分离。

一个关键教训是,能源效益作为技术中断的驱动力的重要性,另一个教训是大型资本密集型设施的锁效:冷战时期使扩散如此强大的规模也使它适应速度缓慢。 最后,在对主要工业工艺进行生命周期分析时必须考虑到过时技术的环境成本。

对考虑新的浓缩能力的国家来说,道路是明确的。 没有人会今天建造一个新的气体扩散厂。 相反,离心机技术 — — 以及潜在的激光方法 — — 将决定铀浓缩的未来。 然而气体扩散的遗留问题依然存在:它提供了发射核时代的浓缩燃料和形成冷战地缘政治的武器。 了解其兴衰有助于我们评估任何大规模能源技术所固有的权衡。

进一步阅读和参考