浓缩铀：核能与核武器的关键原料

浓缩铀：核能与核武器的关键原料

浓缩铀是核能领域的重要原料，广泛应用于民用核能发电和军用核武器。本文将详细介绍浓缩铀的定义、生产过程、不同类型及其应用，帮助读者全面了解这一重要物质。

浓缩铀

浓缩铀是一种经过同位素分离过程处理的铀，其中铀-235（写作 235U）的百分比含量显著增加。天然铀主要由三种同位素组成：铀-238（238U，自然丰度为 99.2739–99.2752%）、铀-235（235U，0.7198–0.7202%）和铀-234（234U，0.0050–0.0059%）。其中，235U 是自然界中唯一能与热中子发生裂变的核素，具有重要的工业应用价值。

浓缩铀是民用核能发电和军用核武器的重要组成部分。国际原子能机构（IAEA）负责监测和控制浓缩铀的供应和工艺，以确保核能发电的安全并遏制核武器扩散。

目前，全球大约有 2,000 吨高浓缩铀，主要用于核能发电、核武器、海军推进，以及少量用于研究反应堆。浓缩过程产生的剩余 238U 被称为贫化铀（DU），其放射性比天然铀更低，但密度仍然很高，可用作辐射屏蔽材料和穿甲武器。

生产过程

直接从地球开采的铀不适合用作大多数核反应堆的燃料，需要经过额外的加工处理。铀的开采方式取决于其埋藏深度，可以是地下开采或露天开采。开采出的铀矿石需要经过研磨过程，以提取其中的铀。这一过程通过一系列化学反应实现，最终得到的浓缩铀氧化物被称为“黄饼”，铀含量可达 80%，而原始矿石的铀含量通常仅为 0.1% 左右。

研磨过程完成后，铀需要进一步转化为二氧化铀或六氟化铀。二氧化铀可以直接用作某些类型反应堆的燃料，而六氟化铀则需要经过浓缩过程，以生产适用于大多数反应堆的燃料。天然铀主要由 235U 和 238U 组成，其中 235U 是易裂变的，而 238U 则不是。大多数核反应堆需要 235U 浓度在 3.5% 到 4.5% 之间的浓缩铀。目前，商业浓缩工艺主要有两种：气体扩散和气体离心。

再加工铀（RepU）

再加工铀（RepU）是核燃料循环的产物，主要来自乏燃料的后处理。从轻水反应堆（LWR）乏燃料中回收的 RepU 通常含有略多于天然铀的 235U，可以作为某些反应堆的燃料。然而，RepU 还包含不需要的同位素铀-236，这会带来一些技术挑战。

低浓铀（LEU）

低浓铀（LEU）的 235U 浓度低于 20%。在商业轻水反应堆（LWR）中，铀的浓缩度通常在 3% 到 5% 之间。高含量低浓铀（HALEU）的浓缩度在 5% 到 20% 之间。研究堆中使用的低浓铀通常浓缩至 12% 到 19.75%，其中 19.75% 的浓度用于替代高浓铀燃料。

高浓缩铀（HEU）

高浓缩铀（HEU）的 235U 浓度为 20% 或更高。核武器初级中的裂变铀通常含有 85% 或更多的 235U，称为武器级。理论上，20% 的浓缩度就足以制造核武器，但需要数百公斤的材料和不切实际的设计。对于临界实验，铀的浓缩度甚至可以达到 97% 以上。

1945 年，美国在广岛投下了第一颗铀弹“小男孩”，使用了 64 公斤、80% 浓度的浓缩铀。