原子蒸气激光同位素分离

科技工作者之家  |   2020-11-17 18:05

原子蒸气激光同位素分离法,也称AVLIS,为一种选择性电离元素(通常是铀)中特定质量的同位素,实现同位素分离的方法。其使用特殊工作波长的调谐激光,原理基于不同质量的同位素吸收光谱存在同位素位移。

简介原子蒸气激光同位素分离法,也称AVLIS,为一种选择性电离元素(通常是铀)中特定质量的同位素,实现同位素分离的方法。其使用特殊工作波长的调谐激光,原理基于不同质量的同位素吸收光谱存在同位素位移。

较之气体离心法,AVLIS能够实现更低的能耗与更高的分离效率。其分离过程也能减少传统法所带来的较大放射性废料排放量。

另一种与其类似的技术利用激光分离分子而非原子,被称为分子激光同位素分离工艺(MLIS)。1

原理由于它们的超精细结构差异,235U与238U的吸收光谱存在细微不同:235U的吸收峰位于502.74nm,而U的吸收峰则移动至502.73nm。AVLIS过程使用可调谐染料激光,这种激光的中心发射波长能被准确调谐,使混合物中的235U吸收光子跃迁至激发态,产生光致游离并电离成离子。电离出的235U离子束被静电场偏置方向进入收集装置,而中性的238U则不受电场影响无碍通过。

一套完整的AVLIS系统由铀蒸发系统、激光系统与尾料收集器组成。铀蒸发系统通常由大功率条带式或扫描式电子束枪组成,打到混合物靶上的能量大于2.5 kW/cm,生成高纯度的气态铀元素。1

激光激发通常情况下,AVLIS使用的激光器由两级组成:铜蒸气激光器(CVL)与可调脉冲染料激光器。前者的作用是染料激光器的泵浦光源。铜蒸气激光器作为波长、模式可调谐的主振荡器提供窄线宽、低噪声与高波长稳定性的种子光源。它的输出功率被作为光放大器的染料激光器放大,并最终照射至铀蒸汽样品上。需要指出的是在AVLIS过程中235U原子并非被直接电离,而是吸收一个小于电离能的光子到达激发态,再吸收第二、第三个光子的能量完成电离的逐级电离过程。因此AVLIS的激光装置需三个不同波长的激光照射铀蒸气以完成三光子电离。

分离其它元素的原子蒸气激光同位素(如对锂的同位素分离)通常采用窄线宽的可调谐半导体激光器。1

商业化与国际意义在1994年,在美国政府史上规模最大的联邦技术转移过程中,AVLIS流程被转让至美国浓缩公司(United States Enrichment Corporation)并实现商业化。但在投资了一亿美元资金后,美国浓缩公司在1996年6月9日取消了AVLIS技术的生产计划。

当前某些国家仍然在持续研究推进AVLIS技术与配套工艺,并使国际社会对核技术监管提出了挑战。根据目前的公开资料显示,伊朗曾经秘密开展过AVLIS技术的研究计划。但在2003年被曝光后,伊朗政府声称该计划所涉及的实验设施已被拆除。1

工艺简史公开文献来源显示,AVLIS技术最早于1970年代初分别被前苏联与美国同时发明。在美国,尽管有数个国家实验室参与了AVLIS的早期研究,其主要研究工作实由劳伦斯利弗莫尔国家实验室负责进行。包括澳大利亚(1982-1984)、法国(1984)、印度(1994)与日本(1996)等国家的学术界也陆续发表了可用于AVLIS浓缩铀的可调谐激光器研究。2

参见美国原子能委员会

电磁型同位素分离器

原子谱线

气体扩散法

激光

核燃料循环

核能

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学