濃縮（Uranium Enrichment），是指以天然鈾作為原料，將235U與238U分開，增加235U濃度。
鈾濃縮方法的種類很多。迄今形成工業(yè)規(guī)模的鈾濃縮方法主要是氣體擴(kuò)散法和氣體離心法。一些研究試驗堆和快中子堆要求富集度較高的燃料。高通量的材料試驗堆則需要富集到90%以上的高富集鈾，高富集鈾又是核武器的重要裝料。
定義
天然鈾中235U的豐度為0.71％，238U的豐度達(dá)99.28％。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)的定義，豐度為3%的鈾-235為核電站發(fā)電用低濃縮鈾，鈾-235豐度大于80%的鈾為高濃縮鈾，其中豐度大于90%的稱為武器級高濃縮鈾，主要用于制造核武器。為此，要求以天然鈾作為原料，將235U與238U分開，增加235U濃度。這就是鈾的濃縮過程。
分級
低濃鈾
如果鈾-235的同位素比例低于20%，則被視為低濃鈾(LEU)。大多數(shù)商業(yè)反應(yīng)堆使用濃度低于5%的低濃鈾作為燃料，這種鈾通常也被稱為“反應(yīng)堆級鈾”。低濃鈾不會變質(zhì)，可以安全儲存多年。
高濃鈾
如果鈾濃縮度超過20%，則被視為高濃鈾。鈾-235同位素比例如此之高的鈾主要用于艦艇動力推進(jìn)反應(yīng)堆（例如：潛水艇）、核武器和一些研究反應(yīng)堆。
回收鈾
再處理或回收鈾（RU）是由輕水堆（LWRs）的核電生產(chǎn)中產(chǎn)生的乏燃料制造而成的。乏燃料中含有極少量的鈾，這被成為再處理或回收鈾。
制備方法
鈾濃縮方法的種類很多。迄今形成工業(yè)規(guī)模的鈾濃縮方法主要是氣體擴(kuò)散法和氣體離心法。
氣體擴(kuò)散法
氣體擴(kuò)散法這是一種工業(yè)應(yīng)用的大規(guī)模生產(chǎn)方法，它將被分離的介質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體狀態(tài)[如含235U與238U的六氟化鈾（UF6）氣體]，利用了不同相對分子質(zhì)量的氣體分子混合物在熱運動平衡時，兩種分子具有相同的平均動能，而速度不同的性質(zhì)。輕分子的平均速度大于較重分子的平均速度，兩種分子的平均速度與質(zhì)量的關(guān)系式為
這樣，較輕分子與容器和隔膜碰撞的次數(shù)比重的分子多些。隔膜具有容許分子通過的微孔，這樣一來兩種分子就以不同的速度穿過多孔膜而擴(kuò)散。擴(kuò)散膜是氣體擴(kuò)散設(shè)備的核心部件。為了實現(xiàn)分離，要求氣體的壓力足夠低，擴(kuò)散膜的孔徑足夠小。當(dāng)UF6氣體流過分離級時，一部分氣體從分離器的高壓腔通過擴(kuò)散膜進(jìn)入低壓腔，在低壓腔235U有微小的富集，在高壓側(cè)235U被貧化，238U被富集；由于每通過一次擴(kuò)散膜濃度比僅略有增加，因此需要設(shè)置多級擴(kuò)散膜，已通過擴(kuò)散膜的氣體隨后被泵送到下一級，而留在擴(kuò)散膜中的氣體則返回到較低級進(jìn)行再循環(huán)，從而實現(xiàn)了同位素分離。
理論上，分離系數(shù)的最大值等于兩組分的相對分子質(zhì)量比的平方根，即
實際的分離系數(shù)遠(yuǎn)低于此值。具體數(shù)值還取決于機(jī)器結(jié)構(gòu)、膜的特性、流量大小、氣流狀態(tài)，運行條件等。
氣體擴(kuò)散法的優(yōu)點是：設(shè)備可靠性高，可長期運行，維修工作量較小。
缺點是：分離系數(shù)小，耗電量大［（2300~3000kW·h/kgSWU]，工廠規(guī)模大，成本很高，平衡時間長，不宜于秘密生產(chǎn)。
氣體離心法
離心分離器一般做成圓筒形，在高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)圓筒中，由于受離心力場的作用，較重的粒子在靠外邊筒壁附近濃集，較輕的離子在靠近軸線處濃集。從外周和中心處分別引出貧化流分和加濃流分，以實現(xiàn)輕、重同位素的分離，達(dá)到濃縮的目的。
離心機(jī)的生產(chǎn)能力取決于筒的轉(zhuǎn)速和長度，與外周轉(zhuǎn)速的四次方和筒長一次方成正比。因此為了提高其分離性能，要求離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)筒細(xì)長。對于直徑10cm的轉(zhuǎn)筒，轉(zhuǎn)速要達(dá)到6萬~10萬轉(zhuǎn)/分。轉(zhuǎn)筒受到極大的拉伸應(yīng)力，因而需要高強(qiáng)度合金鋼、鈦合金、纖維復(fù)合材料和高精度的機(jī)加工技術(shù)，以提高離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子是離心機(jī)的關(guān)鍵部件。這種高速運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子容易在各種因素（失衡、電源波動、氣流波動等）的干擾下偏離平衡，發(fā)生共振，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子破壞。
對于轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁半徑為的離心機(jī)，輕同位素A的基本分離系數(shù)為離心機(jī)旋轉(zhuǎn)筒中心與內(nèi)壁處較輕同位素A相對豐度［分別為XA（0）和XA（R）］之比。在平衡溫度下，輕、重粒子按能量呈麥克斯韋-玻耳茲曼分布，于是有
式中，為角速度，為玻耳茲曼常數(shù)，為溫度。對于鈾同位素m238m2353，如果圓周線速度為50000 cm/s，=300 K，玻耳茲曼常數(shù)=1.38041 X10-16 erg/K（1erg=10-7 J），原子質(zhì)量單位-24g，于是有
這是理論上可達(dá)到的分離系數(shù)。在同位素分離上，離心法遠(yuǎn)比擴(kuò)散法有效，因為離心法分離系數(shù)不是取決于質(zhì)量的平方根，而是取決于兩種同位素的質(zhì)量差。對于質(zhì)量差為3的鈾同位素，圓周線速度為50000 cm/s的離心機(jī)，分離系數(shù)可達(dá)1.049。因此為達(dá)到一定的濃度所需的串聯(lián)級數(shù)比擴(kuò)散法少得多。但由于一臺離心機(jī)生產(chǎn)能力小，為達(dá)到一定的生產(chǎn)量需很多離心機(jī)。這對高效率運行非常不利。這就要求離心機(jī)造價低，壽命長，維修、更換方便。
該方法的優(yōu)點是：電能消耗少，只有擴(kuò)散法的1/20；廠的規(guī)?？梢暂^小，便于配合需要，由小到大逐步發(fā)展；平衡時間短，滯留量小，分批再循環(huán)容易；投資大，但運行費用低。
相比于擴(kuò)散法，離心法的級聯(lián)級數(shù)明顯減少，因此該方法被大多數(shù)新鈾濃縮廠采用。
電磁分離法
將待分離的同位素混合物電離成離子，并由一組高壓電極引出。在離子源的出口處得到一高速運動的離子束，束中的離子具有相同的動能，但速度不同，離子進(jìn)入真空盒后，在橫向均勻磁場的作用下，以半徑做圓周運動。
輕、重離子由于其質(zhì)量不同，將沿不同的軌道在磁場中運動。質(zhì)量較大的離子運動半徑較大。離子偏轉(zhuǎn)一定角度后，用收集板在不同位置可收集到相應(yīng)質(zhì)量數(shù)的離子，而后用電荷將離子中和，便可得到該同位素被濃縮了的原子。
這種方法投資大，耗電多，效率低，但技術(shù)相對簡單。該方法曾在美、蘇聯(lián)研制核武器初期被用來生產(chǎn)原子彈所需的高濃鈾，20世紀(jì)80-90年代初又被伊拉克所用，試圖生產(chǎn)核武器計劃所需的濃縮鈾。
激光分離技術(shù)
除氣體擴(kuò)散法和氣體離心法外，世界多國正在積極研究激光分離技術(shù)。激光分離法是根據(jù)原子或分子在吸收光譜上的同位素位移，用特定波長的激光激發(fā)某特定同位素原子或含有該原子的分子，再通過物理或化學(xué)方法使激發(fā)態(tài)原產(chǎn)或分子與基態(tài)成分分開，從而獲得富集的同位素。
激光分離法工藝占地面積小，單位分離功的基建投資和電能消耗預(yù)計僅為擴(kuò)散法的1/10，經(jīng)濟(jì)性占優(yōu)。由于工藝技術(shù)仍有待完善，故尚未得到商業(yè)應(yīng)用。該法似乎有可能生產(chǎn)出非常純的鈾-235和鈾-238，但總體生產(chǎn)率和復(fù)合率仍有待證明。在此應(yīng)當(dāng)指出的是，分子激光法只能用于濃縮六氟化鈾，但不適于“凈化”高燃耗金屬钚，而既能濃縮金屬鈾也能濃縮金屬钚的原子激光法原則上也能“凈化”高燃耗金屬钚。因此，分子激光法比原子激光法在防擴(kuò)散方面會更有利一些。
意義
235U是三種易裂變核素(235U、239Pu、233U)中唯一天然存在的，它在天然鈾中
的豐度為0.71%。輕水動力堆需使用低富集鈾燃料，其中235U的豐度約為2%~
5%。一些研究試驗堆和快中子堆要求富集度較高的燃料。高通量的材料試驗
堆則需要富集到90%以上的高富集鈾，高富集鈾又是核武器的重要裝料。
研究歷史
1789年，德國化學(xué)家克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）先將瀝青鈾礦石浸入磷酸使其溶解，再加入碳酸鉀將磷酸中和。此時產(chǎn)生的沉淀中含有鋅、錳、鋁、鐵等元素，以及黃色沉淀UO?CO?。經(jīng)檢驗，黃色沉淀UO?CO?在過量碳酸鉀中可反應(yīng)生成K?[UO?(CO?)?]，并完全溶于過量碳酸鉀。朱利斯·克拉普羅特將其以"鈾"命名，以此致敬在1781年發(fā)現(xiàn)的天王星。
接著，克拉普羅特用油脂將黃色沉淀UO?CO?調(diào)和成糊狀物，與木炭充分混合后置于坩堝中加熱，得到金屬光澤粉末，并認(rèn)為該粉末為金屬鈾。
1841年，法國化學(xué)家彼利高特（E,M,Peligot）制得灰綠色具有強(qiáng)烈的潮解性的四氯化鈾。四氯化鈾在加熱條件下與水反應(yīng)生成鹽酸氣和克拉普羅特合成出的金屬粉末。經(jīng)化學(xué)式推斷，發(fā)現(xiàn)該金屬粉末為金屬鈾的假設(shè)不成立，應(yīng)為鈾的氧化物，即UO?。在此基礎(chǔ)上，彼利高特將無水氯化鈾與K的粉末充分混合，并置于坩堝中加熱，最終獲得了金屬鈾。
1928年，瑞典物理學(xué)家莉澤·邁特納（Lise Meitne）、德國化學(xué)家哈恩（Hahn Otto）和德國化學(xué)家斯特拉斯曼（Friedrich Wilhelm Stra?mann）發(fā)現(xiàn)了鈾的核裂變。
1934年，恩里科·費米發(fā)現(xiàn)，鈾被中子輻照后在新核中會產(chǎn)生某種“反常的”人工放射性。費米用裝在小玻璃球中的鈹粉和裝作為具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、且具有高穩(wěn)定性的較強(qiáng)中子源，接著從氫開始，從原子序數(shù)小的元素開始，逐一進(jìn)行系統(tǒng)地轟擊，當(dāng)轟擊到時，發(fā)現(xiàn)了人工放射性。在轟擊鈾時，得到了放射性產(chǎn)物，經(jīng)過分析，他們發(fā)現(xiàn)所得產(chǎn)物既不是鈾的同位素，也不是原子序數(shù)介于鉛和鈾之間的元素，在此基礎(chǔ)上科學(xué)家們研究得到超鈾元素。
1938年,莉澤·邁特納、哈恩等科學(xué)家利用了“液滴模型”解釋了核裂變現(xiàn)象，并對核裂變產(chǎn)物依據(jù)質(zhì)量守恒定律和電子守恒定律進(jìn)行了推斷。次年4月，科學(xué)家們證明了鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的存在。1940年初，Г.Н.弗廖洛夫和К.А.彼得扎克研究發(fā)現(xiàn)了鈾核的自發(fā)裂變過程。
2013年6月21日，中核集團(tuán)在甘肅蘭州宣布，中國核工業(yè)關(guān)鍵的鈾濃縮技術(shù)完全實現(xiàn)自主化和工業(yè)化應(yīng)用，標(biāo)志著中國成為繼美國、英國、法國、俄羅斯等少數(shù)國家之后，自主掌握鈾濃縮技術(shù)并成功實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的國家。
相關(guān)事件
曼哈頓計劃
為應(yīng)對第二次世界大戰(zhàn)，美國于1942年實施“曼哈頓工程”，研制原子彈，動用人力約60萬人，總投資20多億美元。
1945年7月16日，美國在新墨西哥州阿拉默多爾空軍基地的沙漠地區(qū)成功爆炸第一顆原子彈，向全世界展示了原子彈的巨大威力。從此，核能開始對人類進(jìn)程產(chǎn)生重大影響。
第二次世界大戰(zhàn)中，德國宣布無條件投降后，為迫使日本迅速投降，美國于1945年8月6日在日本廣島市中心投下了一顆代號為“小男孩原子彈”的核航彈。原子彈重約4噸，長3米，直徑為0.7米，內(nèi)裝60千克高濃縮鈾，相當(dāng)于1.5萬噸TNT炸藥。
伊朗核問題
2023年6月開始，伊朗放緩進(jìn)行近60%豐度的鈾濃縮活動。此后這些工廠一直在以每月約3公斤的速度生產(chǎn)豐度60%的濃縮鈾。12月26日，聯(lián)合國負(fù)責(zé)監(jiān)控各國核使用情況的國際原子能機(jī)構(gòu)表示，伊朗已經(jīng)扭轉(zhuǎn)了數(shù)月來放緩把鈾濃縮到豐度60%的趨勢。近60%豐度的濃縮鈾接近武器級別。此外，國際原子能機(jī)構(gòu)發(fā)給成員國的報告證實，自2023年11月底以來，伊朗在這兩個設(shè)施中生產(chǎn)豐度高達(dá)60%的濃縮鈾-235的速度已增加到每月約9公斤。
2023年12月27日，伊朗原子能機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)人Mohammad Eslami表示，國際核監(jiān)督機(jī)構(gòu)的一份報告“沒有任何新意”。他表示，“我們沒有做任何新的事情，只是按照規(guī)定做同樣的活動。”
2024年11月20日，國際原子能機(jī)構(gòu)理事會會議在奧地利維也納召開。國際原子能機(jī)構(gòu)總干事格羅西在當(dāng)天的發(fā)布會上表示，伊朗已同意停止增加其豐度為60%的濃縮鈾庫存，并就此采取了初步措施，國際原子能機(jī)構(gòu)會在11月23日對此展開核查。此外，格羅西再次表達(dá)了對伊朗核設(shè)施可能成為以色列打擊目標(biāo)的擔(dān)憂。
當(dāng)?shù)貢r間2025年7月9日，以色列總理內(nèi)塔尼亞胡在訪問美國期間表示，盡管以色列國防軍上個月對伊朗核設(shè)施和軍事目標(biāo)發(fā)動了為期12天的空襲行動，但以方依然對伊朗儲存的濃縮鈾感到擔(dān)憂。
參考資料 >
Uranium Enrichment.world-nuclear.2023-12-27
什么是鈾濃縮?.IAEA.2024-01-03
含回收鈾和貧化鈾的核燃料以及包含該核燃料的核燃料棒束和核反應(yīng)堆.patents.google.2024-01-03
日讀核史丨鈾，要自己“濃”.中核集團(tuán).2023-12-27
國際原子能機(jī)構(gòu)稱：伊朗開始“增加高豐度濃縮鈾產(chǎn)量”.參考消息.2023-12-27
伊朗駁斥國際原子能機(jī)構(gòu)關(guān)于鈾濃縮的報告.智通財經(jīng).2023-12-27
國際原子能機(jī)構(gòu)總干事：伊朗同意停止增加60%豐度濃縮鈾庫存.央視新聞-今日頭條.2024-11-22