原子弹材料铀的制备

原子弹材料铀235的制备

提起原子弹恐怕无人不知，无人不晓。可是你知道用于制造原子弹的核裂变材料铀235是怎样得来的吗？

自然界中存在着铀的两种同位素：铀235（²³⁵U）和铀238（²³⁸U），其中前者占0.72%，后者占99.28%。这两种同位素的含量相差如此悬殊，以至于科学家们历经曲折才发现只有采用气体扩散的方法才能将它们进行大规模地分离。所谓气体扩散法就是先将铀以UF₆的形式从天然铀矿石中提炼出来，然后让UF₆挥发成蒸气，通过孔径为6～40纳米的多孔无机膜进行扩散。由于235UF₆分子的质量比²³⁸UF₆的轻，扩散速率较快，因此在穿过膜的气体中²³⁵ UF₆的含量与原来相比有所提高。经过成千上万次扩散之后，最终能将铀的两种同位素分离开来。第二次世界大战时期，美国生产原子弹所用的核原料就是由位于橡树岭的美国国家研究中心的铀分离工厂以气体扩散法分离出来的。

在气体扩散法分离铀同位素的过程中，多孔无机膜起着筛选分子的重要作用，进而决定着整个操作过程的效率。因此，随着原子能工业的发展，多孔无机膜的制备技术及其分离性能也取得了长足的进步。这一结果使多孔无机膜继用于同位素分离之后，在其他众多领域也展现出良好的应用前景，其中之一便是水的净化。

众所周知，水是维持生命所不可缺少的物质。但同时水又极易受到污染，从而危害人们的身体健康。以自来水为例，尽管经过了水厂的净化处理，但在输送过程中，由于管道腐蚀生锈、破裂渗漏等原因，往往含有一定量的铁锈、黏土粒子和细菌，这些都是对人体有害的物质。又如，为了卫生起见，近年来不少人开始饮用桶装纯净水。殊不知，饮水机在每次出水后吸人空气的同时也吸入了大量的细菌和尘埃，同样使水质遭到污染。这一类的污染可通过采用孔径在0.1微米以下的多孔无机膜——无机超滤膜过滤的方法予以彻底清除。

无机超滤膜通常设计成管状。管壁呈多层复合式结构，从外到内依次为底层、过渡层和顶层。三层的结构不尽相同，作用也各异。底层的厚度约几毫米，孔径介于1～10微米之间，起着支撑过渡层及顶层的作用，并负责提供整个膜管的机械强度；过渡层的厚度通常为10～100微米，孔径介于0.05～0.5微米之间，主要是防止顶层塌陷及其粒子进入底层孔道而引起堵孔；顶层的厚度较小，一般仅为4～10微米，孔径介于0.004～0.1微米之间，起分离作用。有时根据实际需要，也可以让过渡层空缺或包含多个次过渡层。这种结构的优点在于，从里到外，顺着滤液流动的方向，膜孔逐渐增大，渗透阻力逐步减小，在保证超滤膜分离效果的同时兼顾了膜的渗透通量。

结构上的差异也导致了底层、过渡层和顶层制备方法的不同。底层孔径大，层壁厚，通常选用大颗粒粉料，采用挤压成型法烧制而成；过渡层孔径较小，通常选用粒径在1微米左右的粉料，先将其制成粉浆，然后采用注浆成型法涂膜烧制；顶层的孔径在0.1微米以下，要求粒子必须小于零点几个微米直至几个纳米大小，这只能通过溶胶－凝胶的方法实现。

无机超滤膜的分离效果完全取决于顶层的孔大小。倘若顶层中存在着空洞或裂缝，则将大大降低膜的过滤精度。就目前的技术而言，制备无任何空洞或裂缝，结构上完美无缺的顶层膜尚存在一定的困难。原因在于影响膜层结构完整性的因素很多，而且不易控制。现时的做法是进行多次涂膜，让下一次所涂的膜层覆盖住上一次涂膜时留下的空洞或裂缝。显然，这是以显著增加顶层膜厚度，从而大大降低超滤膜的渗透通量为代价的。为此，膜科学家们正在努力完善溶胶凝胶法成膜技术，希望能制备出超薄（低于1微米）并且致密无缺陷的顶层膜，实现分离效果与渗透通量的有机统一。可以预见，在不远的将来，无机超滤膜将使家庭自来水纯净卫生，即开即饮，而桶装纯净水也将变得真正纯净，在保障人们身体健康的同时也给人们的日常生活提供极大的方便。