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(1) 反應堆輻照

    核反應堆既可作為科學(xué)研究裝置，也可作為一種生產(chǎn)設備。有動(dòng)力堆，有生產(chǎn)堆。核反應堆工作原理如圖3.11所示。

    反應堆里裂變放出的中子，經(jīng)過(guò)減速劑降低能量變成慢中子。這些慢中子，有的與鈾-235發(fā)生裂變，釋放大量能量和繼續放出中子；有的則被鈾-238俘獲而生成超鈾元素。鎘是專(zhuān)門(mén)吸收中子的，控制棒插入深，被吸收的中子多，參加反應的中子就少，裂變功率降低；反之，裂變功率就提高。監測反應堆功率，適當調節控制棒的深淺，就可保證反應堆安全運行。

圖3.11    核反應堆工作原理示意圖

    建造反應堆是一項復雜的工程，它涉及核物理、中子物理、熱工學(xué)、放射性防護和放射性廢物處理等學(xué)科。由于核能的廣泛應用，需要建造各式各樣的核反應堆，因此在大學(xué)里專(zhuān)門(mén)設置有“反應堆工程”專(zhuān)業(yè)。圖3.12是熱中子增殖堆容器剖面圖，它是反應堆的核心部分。

圖3.12    熱中子增殖堆容器剖面圖

    一個(gè)鈾-238原子核，俘獲一個(gè)中子變成鈾-239。在幾天中，鈾-239自發(fā)地經(jīng)過(guò)兩次b衰變變?yōu)轭?/span>-239。

n + 238U ? 239U + g

239U ? 239Np + e- + n     （半衰期24分）

239Np ? 239Pu + e- + n    （半衰期2.35天）

    钚-239是個(gè)高度可裂變的同位素。1940年在美國發(fā)現了這種元素后，他們很快建造了生產(chǎn)钚的反應堆，用于制造原子彈。

    把金屬鈾放在反應堆中照射后，產(chǎn)生的同位素經(jīng)過(guò)化學(xué)方法分離出钚-239。這種化學(xué)分離方法，比物理方法分離鈾-235要容易些?；瘜W(xué)分離過(guò)程必須在兩種非常困難的條件下進(jìn)行：

①即使是極少量（幾克）的钚，也必須從幾噸重的鈾燃料棒中分離出來(lái)。

②钚的毒性極大，必須注意防護。

(2) 輻照冷卻期

    當反應堆中的鈾-238經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間的照射，生成相當數量的钚-239后，將輻照過(guò)的燃料元件從反應堆內取出，并放入水中貯存2～4個(gè)月。在此期間，強放射性的裂變產(chǎn)物經(jīng)衰變后，其放射性大大減弱；與此同時(shí)，早先由鈾-238形成的镎-239，也大多轉變成钚-239。這段貯存期稱(chēng)為冷卻期。

(3) 分離钚-239

    采用化學(xué)方法。輻照燃料經(jīng)過(guò)冷卻后，可用若干不同的方法將钚與鈾和裂變產(chǎn)物分離開(kāi)?；瘜W(xué)方法是通常用于大規模生產(chǎn)的方法。钚能以幾種不同的氧化態(tài)或化學(xué)價(jià)態(tài)存在，而且在某些化合價(jià)時(shí)其化學(xué)性質(zhì)與鈾的完全不同。根據這一特點(diǎn)，預先配制一種溶液，使其中钚和鈾具有不同的氧化態(tài)和不同的化學(xué)性質(zhì)。然后選擇沉淀法或溶劑萃取法便可以相當容易地分離出钚。常用磷酸三丁脂(簡(jiǎn)稱(chēng)TBP)–煤油作溶劑。它們的反應式如下：

    反應式中，硝酸溶液稱(chēng)水相，TBP稱(chēng)有機相。反應生成的溶劑化合物UO2 (NO3)2 · 2TBP和Pu(NO3)4 · 2TBP溶于有機溶劑而不溶于水。溶劑中，鈾主要以六價(jià)鈾酰離子的形式存在，而钚大部分以正四價(jià)钚離子存在。萃取過(guò)程如圖3.13所示。

圖3.13    溶劑萃取過(guò)程

    在萃取前，一層是TBP-煤油有機相，另一層是含鈾、钚和裂變產(chǎn)物的硝酸水溶液，即水相。將這兩相充分混合接觸，再放置一段時(shí)間，又將分成兩層。這時(shí)有機相中主要含有鈾、钚，而裂變產(chǎn)物則大部分留在水相中。這樣第一步實(shí)現了鈾、钚與裂變產(chǎn)物的分離。

    第二步實(shí)行反萃取。即將含有鈾和钚的有機溶液與稀硝酸充分混合接觸，大部分鈾和钚將重新轉移到水中。

    萃取是一個(gè)動(dòng)平衡過(guò)程。物質(zhì)在互不相溶的兩相液體中達到萃取平衡時(shí)，它在有機相中的濃度與在水相中的濃度的比值，叫做分配系數。分配系數表示被萃取物進(jìn)入有機相的能力，分配系數越大，表示它進(jìn)入有機相的部分越多，留在水相的越少。某物質(zhì)分配系數的大小，除與本身性質(zhì)和萃取劑的性質(zhì)有關(guān)外，還與萃取體系的其他條件有關(guān)，其中包括平衡時(shí)該物質(zhì)在水相或有機相中的濃度、萃取劑的濃度和飽和度、水相酸堿度、其他物質(zhì)的濃度以及溫度等等。

    配制合適的萃取劑，使得從鈾–钚硝酸溶液中萃取钚時(shí)，钚的分配系數高于鈾的分配系數，可以達到濃縮钚的目的。這樣一步一步地反復進(jìn)行萃取，就實(shí)現了鈾與钚的分離。

    除了化學(xué)分離法，還有離子交換法，即用離子交換樹(shù)脂從稀釋的水溶液中將钚吸附，使钚與鈾和裂變產(chǎn)物分離。

    還有高溫冶金法，包括蒸餾、熔融金屬萃取和熔鹽萃取等方法。

(4) 還原成金屬

    分離出來(lái)的钚大多數是一種钚鹽，必須經(jīng)過(guò)處理以便獲得金屬形式的钚。例如將四氟化钚和還原劑（如金屬鈣）預先混合，然后在高壓爐中加熱，就可把四氟化钚還原成金屬钚。還原后，再經(jīng)過(guò)酸洗，除去雜質(zhì)，即得到清潔的钚金屬鈕（象鈕扣樣的金屬小塊）。這些金屬钚就可進(jìn)行熔融、鑄造，以及機械加工了。

    圖3.14是钚的生產(chǎn)流程圖：

圖3.14    钚生產(chǎn)流程圖

    反應堆可以生產(chǎn)多種核材料。鈾-233也是一種很好的裂變燃料。生產(chǎn)鈾-233的過(guò)程，是把氧化釷放在反應堆中照射，生成釷-233。釷-233經(jīng)過(guò)兩次b衰變，變成鈾-233。同樣用化學(xué)方法把照射產(chǎn)物中的鈾-233分離出來(lái)。鈾-233吸收一個(gè)中子變成偶數核，裂變勢壘比較低，因此可以用于制作原子彈和反應堆元件。其化學(xué)分離工藝與上相同，只不過(guò)要選擇和配制不同的萃取溶劑而已。