鈾濃縮

鈾是存在於自然界中的一種稀有化學元素，具有放射性。在天然礦石中鈾的三種同位素共生，其中鈾-235的含量非常低，只有約0.7%。為滿足核武器和核動力的需求，一些國家建造了鈾濃縮廠，以天然鈾礦作原料，運用同位素分離法（擴散法、離心法和激光法等）使天然鈾的三種同位素分離，以提高鈾-235的丰度，提煉濃縮鈾。

根據國際原子能機構的定義，丰度為3％的鈾-235為核電站發電用低濃縮鈾，鈾-235丰度大於80％的鈾為高濃縮鈾，其中丰度大於90％的稱為武器級高濃縮鈾，主要用於製造核武器。

若要在某些類型反應堆和武器中使用鈾，就必須對其進行濃縮，這意味著必須提高易裂變鈾-235的濃度，然後才能將其製成燃料。這種同位素的天然濃度是0.7％，而在大多數通用商業核電廠中，持續鏈式反應的濃度通常約為3.5％。用於武器和艦船推進的丰度通常約為93％。但艦船推進可以只需20％或更低的丰度。鑒於在丰度0.7％至2％之間需要與丰度2％至93％之間同樣多的分離功，因此濃縮過程不是線性的。這意味著在能夠隨時獲得商用濃縮鈾的情況下，達到武器級的濃縮工作量可減少到不足一半，而鈾的供料量可減少到20％以下。

鈾原料經濃縮提取鈾235以後，會產生鈾235含量低於天然鈾的副產品，這種鈾叫做貧鈾。貧鈾除了具有放射性外，還具有高密度、高硬度、高韌性等物理特性，又由於鈾易氧化，穿甲時發熱燃燒，形成較大的破壞作用，因此一些國家製造了貧鈾彈。

氣體擴散法——這是商業開發的第一個濃縮方法。該工藝依靠不同質量的鈾同位素在轉化為氣態時運動速率的差異。在每一個氣體擴散級，當高壓六氟化鈾氣體透過在級聯中順序安裝的多孔鎳膜時，其鈾-235輕分子氣體比鈾-238分子的氣體更快地通過多孔膜壁。這種泵送過程耗電量很大。已通過膜管的氣體隨後被泵送到下一級，而留在膜管中的氣體則返回到較低級進行再循環。在每一級中，鈾-235/鈾-238濃度比僅略有增加。濃縮到反應堆級的鈾-235丰度需要1000級以上。

氣體離心法——在這類工藝中，六氟化鈾氣體被壓縮通過一系列高速旋轉的圓筒，或離心機。鈾-238同位素重分子氣體比鈾-235輕分子氣體更容易在圓筒的近壁處得到富集。在近軸處富集的氣體被導出，並輸送到另一台離心機進一步分離。隨著氣體穿過一系列離心機，其鈾-235同位素分子被逐漸富集。與氣體擴散法相比，氣體離心法所需的電能要小很多，因此該法已被大多數新濃縮廠所採用。

氣體動力學分離法——所謂貝克爾技術是將六氟化鈾氣體與氫或氦的混合氣體經過壓縮高速通過一個噴嘴，然後穿過一個曲面，這樣便形成了可以從鈾-238中分離鈾-235同位素的離心力。氣體動力學分離法為實現濃縮比度所需的級聯雖然比氣體擴散法要少，但該法仍需要大量電能，因此一般被認為在經濟上不具競爭力。在一個與貝克爾法明顯不同的氣體動力學工藝中，六氟化鈾與氫的混合氣體在一個固定壁離心機中的渦流板上進行離心旋轉。濃縮流和貧化流分別從布置上有些類似於轉筒式離心機的管式離心機的兩端流出。南非一個能力為25萬分離功單位的鈾-235最高丰度為5％的工業規模的氣體動力學分離廠已運行了近10年，但也由於耗電過大，而在1995年關閉。

激光濃縮法——激光濃縮技術包括3級工藝：激發、電離和分離。有2種技術能夠實現這種濃縮，即“原子激光法”和“分子激光法”。原子激光法是將金屬鈾蒸發，然後以一定的波長應用激光束將鈾-235原子激發到一個特定的激發態或電離態，但不能激發或電離鈾-238原子。然後電場對通向收集板的鈾-235原子進行掃描。分子激光法也是依靠鈾同位素在吸收光譜上存在的差異，並首先用紅外線激光照射六氟化鈾氣體分子。鈾-235原子吸收這種光譜，從而導致原子能態的提高。然後再利用紫外線激光器分解這些分子，並分離出鈾-235。該法似乎有可能生產出非常純的鈾-235和鈾-238，但總體生產率和複合率仍有待證明。在此應當指出的是，分子激光法只能用於濃縮六氟化鈾，但不適於“凈化”高燃耗金屬鈈，而既能濃縮金屬鈾也能濃縮金屬鈈的原子激光法原則上也能“凈化”高燃耗金屬鈈。因此分子激光法比原子激光法在防擴散方面會更有利一些。

同位素電磁分離法——同位素電磁分離濃縮工藝是基於帶電原子在磁場作圓周運動時其質量不同的離子由於旋轉半徑不同而被分離的方法。通過形成低能離子的強電流束並使這些低能離子在穿過巨大的電磁體時所產生的磁場來實現同位素電磁分離。輕同位素由於其圓周運動的半徑與重同位素不同而被分離出來。這是在20世紀40年代初期使用的一項老技術。正如伊拉克在20世紀80年代曾嘗試的那樣，該技術與當代電子學結合能夠用於生產武器級材料。

化學分離法——這種濃縮形式開拓了這樣的工藝，即這些同位素離子由於其質量不同，它們將以不同的速率穿過化學“膜”。有2種方法可以實現這種分離：一是由法國開發的溶劑萃取法，二是日本採用的離子交換法。法國的工藝是將萃取塔中2種不互溶的液體混和，由此產生類似於搖晃1瓶油水混合液的結果。日本的離子交換工藝則需要使用一種水溶液和一種精細粉狀樹脂來實現樹脂對溶液的緩慢過濾。

等離子體分離法徠——在該法中，利用離子迴旋共振原理有選擇性地激發鈾-235和鈾-238離子中等離子體鈾-235同位素的能量。當等離子體通過一個由密式分隔的平行板組成的收集器時，具有大軌道的鈾-235離子會更多地沉積在平行板上，而其餘的鈾-235等離子體貧化離子則積聚在收集器的端板上。已知擁有實際的等離子體實驗計劃的國家只有美國和法國。美國已於1982年放棄了這項開發計劃。法國雖然在1990年前後停止了有關項目，但它目前仍將該項目用於穩定同位素分離。

為了控制全球鈾濃縮活動，防止核武器擴散，2010年4月舉行的世界核安全峰會發表公報強調，各國對高濃縮鈾需要採取特別防範措施，在技術和經濟可行的情況下，鼓勵將使用高濃縮鈾的反應堆轉化為使用低濃縮鈾，並最大限度減少使用高濃縮鈾。

韓國外交消息人士稱，正在進行韓美《原子能協定》修正談判的美國向韓國政府提出了將協定有效期從原來的40年修改成“永久有效”的建議。報道稱，美國提出的這一條款，使韓國面臨永久被禁止核再處理和鈾濃縮的“危機”。

首爾交消息人士2014年2月27日表示，美國針對正進行的韓美《原子能協定》修正問題提出，希望在協定中新寫入“永久有效”的條款。該消息人士表示，現行條款包含事實上禁止韓國進行鈾濃縮和再處理的條款，在不修改這一條款的情況下，如果新寫入“永久有效”條款，那麼以後韓國連討論濃縮和再處理問題都將變得不可能。

在此之前，美國於2013年年10月與越南簽訂的《原子能協定》正文中因為沒有寫入禁止濃縮和再處理的條款，對韓國有失公平，而引起了一番爭議。因此，如果按照美國的要求，在韓美協議中寫入“永久”條款，預計韓國遭遇“雙重標準”的爭議將進一步激化。

1974年生效的韓美《原子能協定》將在2014年3月滿40年，失去效力。兩國已決定將協定效力延長到2016年，正就修正內容進行談判。在過去的9輪談判中，美國始終拒絕韓國希望進行濃縮和再處理的要求。韓國政府相關人士表示“政府正站在與美國互惠的立場上，努力簽訂適合於韓國的協定”。

朝鮮和美國發布第三次高級別對話結果。朝鮮同意暫停鈾濃縮項目及核試驗和遠程導彈測試作為條件，美國將恢復糧食援助。朝鮮外務省發言人表示，“應美方要求”並為了維持高級別對話積極氛圍，朝鮮同意“在有效的對話繼續時”暫停核試驗、遠程導彈試射和寧邊鈾濃縮活動，允許國際原子能機構對暫停鈾濃縮進行監督。