激光同位素分离铀

三、激光同位素分离铀

进入2006年国际社会被伊朗浓缩铀提炼工作闹得沸沸扬扬，伊朗要在国内恢复和扩大浓缩铀提炼规模，这引起了国际原子能机构的不满与国际社会的关注，欧盟扬言要提交联合国安理会讨论进行制裁，美国甚至威胁要动武。为什么各方对浓缩铀的问题这样敏感？原因是浓缩铀可以用来制造大规模杀伤武器原子弹。

大家都知道，铀是用来制造原子弹的材料，但是开采出的铀矿石是不能直接制造出原子弹的。在天然铀矿石中有3种同位素共生，即铀-238（²³⁸U）、铀-235（²³⁵U）和铀-234（²³⁴U），其中只有铀-235是可裂变核元素，在中子轰击下可发生链式核裂变反应，是用作原子弹的核材料和核电站反应堆的燃料；但是，天然铀中绝大部分为铀-238，铀-235的含量通常只占0.7%左右。根据国际原子能机构的定义，纯度为3%的铀-235为核电站发电用低浓缩铀，铀-235的纯度大于80%的铀为高浓缩铀，其中大于90%的称为武器级高浓缩铀，主要用于制造核武器。只有把铀-235从其他同位素分离出去，不断提高浓度，它才能用于核发电和制造核武器，获得1kg武器级铀-235需要200t铀矿石。

提高铀-235浓度的方法中，气体扩散法、气体离心法、气体动力学分离法、化学分离法、同位素电磁分离法、激光浓缩法等项技术特别重要。传统的分离方法浓缩铀相当昂贵，而且只有一半左右的铀-235能被有效利用，造成这种宝贵材料的巨大浪费。20世纪80年代人们发现，激光技术是分离同位素比较理想的手段，它几乎可以使天然铀中的铀-235全部得到利用，因而受到各国的重视。1985年中国科学院用原子法激光分离铀同位素，进行了原理性实验并获得成功。

所谓同位素就是具有相同质子数和不同中子数的原子，它们的能级结构也略有差别。激光的单色性好，可以利用激光对准一种同位素的谱线位置，将它光电离或激励至激发态，而其余同位素不受影响仍保持电中性，可达到同位素分离的目的。激光同位素分离不但要求激光光谱纯、频率稳定，而且还要求激光的功率强、能量大。目前利用激光浓缩铀的系统有原子法和分子法两类。

原子法是将金属铀在约为2500K（K表示绝对温度）的高温下加热汽化成铀蒸气。用铜蒸气激光器泵浦的3台染料激光器，以3种不同波长的激光，选择性地将铀-235进行三步光电离。电离了的原子，由电磁场收集成为浓缩铀产物；而中性的铀-238原子，则穿过磁场作为尾气收集。铀原子的电离能约为6eV（电子伏），光谱复杂，已发表的铀原子和离子的常规光谱约为40 000多条谱线。必须精选3条作为三步光电离的激光波长。一般采用591.54nm作为第一步激发的激光波长。

分子法是将含有铀-235和铀-238的化合物六氟化铀混合物，经超音速膨胀来降低气体温度（约为40K），以简化它的吸收光谱，然后用红外激光选择性地将六氟化铀（铀-235）激励到激发电离态，达到铀同位素分离的目的。六氟化铀分子光谱也很复杂，也必须精选分离所需的激光波长。现在分离所用的精调激光器还不够成熟。