用擴散原理 濃縮核能燃料鈾

化學原理啟迪120

1.     雖然現在有其他科技技術，同樣可達到提高濃度的目的，但是「氣體擴散」仍舊在提高核能發電的鈾的含量上（鈾濃縮法uranium enrichment process），扮演重要角色。

2.     自然界的鈾礦絕大多數的比例是²³⁸ ₉₂ U，這種鈾沒有辦法核分裂發電。鈾礦中，能夠核分裂發電的²³⁵ ₉₂ U含量只有0.7%。

3.     鈾礦如果要成為核能燃料，²³⁵ ₉₂ U的比例必須增加到約3%。在應用氣體擴散的「鈾濃縮法uranium enrichment process」中，自然界的鈾礦會跟「氟F」反應產生²³⁸ ₉₂ UF₆和²³⁵ ₉₂ UF₆混合氣體。

4.     因為這些分子的質量有一點點不同，所以在同樣溫度下，它們的移動速率會有一點點不同；這一點點的不同，讓我們能夠應用擴散原理的多道手續，把二種鈾化合物分離出來。

5.     鈾濃縮法到底是怎麼進行的？想像一下，有許多UF₆分子，要一一穿越由好幾面「半透孔膜牆壁semiporous walla」隔開的一整排隔間，而「半透孔膜牆壁」只允許一些UF₆分子通過，無法允許大量的氣體分子穿過。

6.     實際上，「鈾濃縮法」半透孔膜牆壁上的每個「小孔」，功能如同逸散作用的牆壁上的小孔。

7.     假設從自然界鈾礦做出來的UF₆，放在「第一個隔間」。也就是，「第一個隔間」的鈾含有99.3%²³⁸ UF₆和0.7%²³⁵ UF₆（每7個²³⁵ UF₆分子有993個²³⁸ UF₆分子）。然後，UF6分子穿過「半透孔膜牆壁」的障礙，擴散到原本沒有任何空氣的「第二個隔間」。

8.     因為一點點質量上的差異，²³⁵ UF₆的速率會稍微比²³⁸ UF₆快一些，擴散速率會稍微快一點。因此，「第二個隔間」會含有比較多一點的²³⁵UF₆，²³⁵UF₆與²³⁸UF₆的比例，會有一點點高於原本「7比993」的比例。

9.     雖然這個鈾濃縮法稱為「氣體擴散gaseous diffusion」步驟，但是實際上它比較像逸散effusion步驟，因為分開隔間的牆壁只允許UF₆分子通過。

10. 從格拉漢定律，我們發現第二個隔間中的二種UF₆分子的比例是：

11. 利用以上的資訊，可計算出在「第二個隔間」的「²³⁵ UF₆/²³⁸ UF₆」的比例是：

12. 7.0797×10^－3增加的這一點點，代表鈾235的比例，從第一個隔間，每10,000,000²³⁸UF₆個分子有70,493²³⁵UF₆個分子，變為第二個隔間，每10,000,000²³⁸UF₆個分子有70,797 ²³⁵UF₆個分子。

13. 這個增加「鈾235」（²³⁵UF₆）的步驟（鈾濃縮法）繼續做下去，在第二隔間增加一點點的「鈾235」，還會在第三隔間增加「1.0043的比例」（²³⁵UF₆：²³⁸UF₆ 的比例）。

14. 同樣的步驟不斷重複，直到得到足夠的「鈾235」。

15. 很顯然，這個步驟需要經過重複非常非常多次。舉例來說，「²³⁵UF₆」從0.700％增加到3.00％需要重複多少次這個步驟？計算方法如下：

16. 在這裡N代表步驟需要重複的次數。這個方程式是依據一個事實，每個步驟完成之後，U²³⁵、U²³⁸的比例都會增加1.0043。因此

17. （U²³⁵/U²³⁸的原始比例）×1.0043×1.0043×1.0043×……＝最後U²³⁵/U²³⁸的比例

18. 解開以上的方程式後，得到N=345。因此，我們預測重複345次同樣的步驟，就能得到想要的「鈾235」的比例（3％）。下圖是美國鈾濃縮公司用氣體擴散技術提煉鈾的設備。

19. 雖然以上的描述，過度簡化實際上「鈾濃縮法」的執行步驟，這裡的討論應該能夠讓人有清楚的概念，瞭解到「鈾濃縮法」是怎麼完成的。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl《Chemical Principles》

n   圖片來源：uraniumworld.blogspot.com、www.cameco.com

徐弘毅：

1.     格拉漢的氣體逸散定律指出，二種氣體粒子的逸散速率相比的比值，與它們的質量根號的比值，成反比。也就是，氣體1的速率：氣體2的速率＝√氣體2質量：√氣體1質量。

2.     氣體擴散實驗，「氨氣」與「氯化氫」氣體在玻璃管中相遇的距離比值，證實格拉漢定律的可信度。

3.     自然界的鈾礦，只有0.7％是可以用來核能發電的「²³⁵U」，其餘99.3%都是「²³⁸U」，怎麼提高「²³⁵U」的濃度呢？利用它們的質量差距。

4.     依據格拉漢定律，二種質量不同的鈾：「²³⁵U」、「²³⁸U」，它們與氟結合成「²³⁵UF」、「²³⁸UF」，這二種氣體分子的移動速率一定不同。質量愈小的分子，移動速率愈快；「²³⁵UF」的移動速率比「²³⁸UF」快。

5.     利用速率的差距，以「半透孔膜牆壁」過濾「²³⁵UF」，發現每一次穿過「半透孔膜牆壁」的速度，「²³⁵UF」比「²³⁸UF」快1.0043，這就導致「²³⁵UF」的質量比「²³⁸UF」增加1.0043倍。

6.     每穿過一次「半透孔膜牆壁」，「²³⁵UF」的質量比「²³⁸UF」增加1.0043倍，這樣不斷地反覆操作下去，「²³⁵UF」的質量，就增加到3％。

7.     從瞭解氣體逸散性質，貫穿到提煉鈾礦的問題，人類用意志力接力走完這段漫長的真理之路，卻又發現還有更多污染的問題，道路的前方延伸。

8.     歌德：不管過去、現代、未來，只要認真地深入問題的核心，就會出現越來越多的困難與挫折。但是，只有不畏懼困難的問題、勇敢面對問題的人，才能在前進中，提高自己的教養，並感覺到快樂。

9.     我們只能看見已經知道或理解的事，但是有些擺在我們眼前，天天看到的事，會隨著我們知識與教養的提高，而重新地認識他們。也就是說，智慧與無知，往往是只隔著薄薄一張紙的距離，而人們歷經千辛萬苦，就是要大膽地突破這個距離。