鈾核

現時的核電站使用的是鈾核燃料。鈾有三種同位素（所謂同位素是指它們的原子核內含的質子數目相同，但含的中子數目不相同的元素，它們在元素周期上放在同一個位置上），即鈾－234、鈾－235和鈾－238。其中的鈾－234和鈾－238不會發生核裂變，只有鈾－235這種同位素原子能夠發生核裂變，或者說，做核燃料的實際上是鈾－235。但是，從礦山裡開採出來的鈾裡面，鈾－235的含量卻又是很低，僅佔0.66％，絕大部分是鈾－238，它佔了99.2％。這就相當於我們的煤餅廠或煉油廠，生產出的煤餅里大部分是泥沙，當然也就沒法燃燒。根據研究結果，在鈾核燃料中鈾－235的含量要達到3％以上才能燃燒。因此，開採出來的鈾，並不同於開採出來的煤塊直接可以用做燃料，它需要經過提純、濃縮的手續，把鈾－235的含量比例提高之後，方能用做燃料。

濃縮鈾－235含量的技術比較複雜，因為元素的各種同位素，如同“孿生姐妹”，無論在物理性質和化學性質上都十分相似，採用通常的各種物理提純方法或者化學提純方法收效都甚微，代價卻很高。現時用來提純鈾－235的主要方法有氣體擴散法、離子交換法、氣體離心法、蒸餾法、電解法、電磁法、電流法、離子交換法等，其中以氣體擴散法最成熟，製造第一顆原子彈用的鈾核材料就是用這種方法製造出來的。所有這些提純方法，它們的工藝過程都比較複雜，辦廠投資高，運轉過程中消耗的能量也高；而且產量低，生產出的鈾核燃料成本大。因此，科學家一直在找新提純方法。現在，激光科學工作者提出用激光進行提純，或許這種方法能夠大大地降低生產鈾燃料的成本。

用激光提純、濃縮鈾－235的主要依據是激光有極好的單色性，以及各同位素原子的同位素光譜位移。各個同位素原子核含的中子數目不同，它們的能級發生所謂同位素位移，發射出來的光輻射波長出現差異，當然，相差的數值是十分小的。但是，激光的單色性很好，能夠做到用和某種同位素原子發射的光輻射波長相同的激光去激發其中的一種原子，而不會把其他同位素原子一起激發，亦即是說，用激光可以做到單獨把各種同位素原子中的一種激發到高能態，或者把它的原子電離。被電離的同位素原子再用電場就可以把它從同位素混合物堆中單獨“拉”出來，收集后就可以單獨獲得這種同位素。如果是把這種同位素的原子激發到高能級去的，我們便可以利用在高能級的原子和在基態的原子參加化學反應的活動能力不同，通過化學反應方法把它給分離出來。

用激光的方法提純濃縮鈾－235，比現有的各種方法都優越，生產設備可以大大簡化，生產成本也可以大大降低。根據科學家的估計，生產投資大約只有氣體擴散法的1/2，生產過程中消耗的能量只有氣體擴散法的1/10左右。所以，世界各國都很重視開發這種鈾核燃料生產技術。美國從1977年就開始研究用激光提純濃縮鈾燃料，從實驗上證實了這種方法在原理上的可行性。1982年，美國能源部確定，今後使用激光來生產鈾核燃料。

用激光提純濃縮鈾－235的技術路線有兩條：一條稱為原子法，另一條稱為分子法。原子法提純時用的原料是經過提煉鈾礦得到的鈾塊。先用爐子把這鈾塊加熱到高溫，形成鈾原子蒸氣，在這鈾蒸氣裡面包含有鈾元素的同位素鈾－234、鈾－235、鈾－238的原子。然後用在可見光波段的激光（比如用銅蒸氣激光泵浦的染料激光器）照射這鈾原子蒸氣。調諧激光器的輸出波長，讓它落在鈾－235的原子吸收譜線中心，使它單獨獲得激發或者電離。其後再使用其他物理方法便可以把鈾－235原子從同位素鈾混合氣體中分離出來。這條技術路線現在已經比較成熟，達到生產應用階段。分子法使用的原料是鈾的分子化合物（比如六氟化鈾）。用在中紅外波段的激光（比如波長16微米的激光）照射這種化合物，並且選擇的激光波長正好是讓鈾－235的這種化合物的分子獲得激發（或電離），再通過前面在原子法中用的物理方法或化學方法把含鈾－235的分子化合物從混合中分離出來，再對含鈾－235的分子化合物作化學分解反應，便可以獲得鈾－235。這條技術路線現在還未達到生產階段，不過，從發展的潛力來說，分子法比原子法優越。一方面是因為分子法分離時使用的原料是鈾的分子化合物，原料來源比較豐富；其次是在分離的工作過程中不需要加熱，而原子法則需要加熱到2000多度，使鈾原料形成蒸氣。高溫鈾蒸氣有很強的腐蝕性。因此分子法的生產設備會比較簡單，生產成本也相應較低。